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Auteur : les anciens

Eté 2008 : Brieuc.

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Principe de fonctionnement

Un climatiseur de local est une machine frigorifique prévue pour extraire la chaleur des locaux et la rejeter à l’extérieur.

Le fonctionnement d’un climatiseur est basé sur le changement de phase d’un fluide frigorigène :

  • dans l’évaporateur, le fluide capte la chaleur dans l’air du local et s’évapore;
  • dans le condenseur, le fluide redevient liquide car il est refroidi par l’air extérieur.

Le compresseur a pour rôle de comprimer le gaz, opération accompagnée d’une forte élévation de température qui permettra au fluide frigorifique de céder sa chaleur à l’air extérieur.
Le détenteur relâche la pression, opération accompagnée d’une forte diminution de température nécessaire à l’échange de chaleur avec l’air ambiant.

Typologie des climatiseurs de locaux

On distingue plusieurs types de climatiseurs :

Le climatiseur mobile

C’est un appareil à faible puissance frigorifique (max 2,5 kW), principalement destiné à un usage local. Il impose de laisser un ouvrant entrouvert, ce qui diminue l’étanchéité du local à l’air et aux bruits extérieurs !
Ce système est de moins en moins utilisé. Son emploi se limite souvent aux situations provisoires.

S’il est monobloc, l’air de refroidissement du condenseur peut être pris soit dans la pièce (perte de puissance jusqu’à 30 % par rapport à la puissance frigorifique annoncée), soit à l’extérieur (cas le plus favorable). Il est rejeté systématiquement à l’extérieur par une gaine flexible;

S’il est séparé, pour des raisons de mobilité de l’unité extérieure, le compresseur est situé dans l’unité intérieure. La distance entre les deux unités est généralement limitée à 2 m.

Le « Window Unit » ou climatiseur de fenêtre

Le climatiseur de « fenêtre » (« window »), est un climatiseur monobloc installé dans un percement effectué dans une paroi extérieure (mur ou baie).

Généralement, un seul moteur entraîne simultanément le compresseur et les deux ventilateurs. Si bien que tous les bruits de fonctionnement sont fournis en prime dans le local ! Seuls les amateurs de polars américains (où il y a toujours un window qui vrombit à l’arrière de l’inspecteur, celui-ci basculant sur sa chaise, les deux pieds sur son bureau…) peuvent apprécier ce type de confort … !

Le « split system »

« Split System » signifie « climatiseur à éléments séparés », à savoir que l’unité de condensation est séparée de l’unité d’évaporation.
Avec un split, l’évaporateur est souvent situé dans le local à traiter, tandis que condenseur et compresseur sont situés à l’extérieur (en terrasse, au sol,…), ce qui permet de diminuer le bruit !

Dans chacun des cas, les unités sont reliées par liaison frigorifique (fluide frigorigène) et cable électrique, dont les longueurs peut être adaptées au cas traité, ce qui autorise une grande souplesse d’installation.

Remarque.

pour des raisons esthétiques ou de sécurité, il est également possible de ne pas disposer le condenseur à l’extérieur mais en cave. Ceci n’est uniquement possible que si on garantit une ventilation de la cave (pulsion-extraction) d’un débit au moins égal au débit d’air nécessaire pour le bon fonctionnement du condenseur. Éventuellement, une ventilation mécanique peut être asservie à un thermostat d’ambiance dans la cave pour garantir le débit nécessaire.

Le « multi-split system »

Les unités de condensation et d’évaporation sont séparées et reliées par des liaisons frigorifiques et électriques dont la longueur peut être adaptée au cas traité, ce qui autorise une grande souplesse d’installation.

Les unités d’évaporation peuvent être posées diversement, y compris dans un local annexe avec des gaines de soufflage dans 1 ou 2 locaux.

Cas particulier : le Roof-Top

L’unité de condensation et d’évaporation sont intégrées dans le même appareil posé en toiture et relié par une gaine à un diffuseur d’air séparé.

Vue d’un roof-top posé sur une toiture.

Détails technologiques

L’unité d’évaporation

Un ventilateur centrifuge fait circuler l’air intérieur au travers d’un filtre, puis de l’évaporateur, avant de le rejeter au travers de grilles de diffusion dont l’inclinaison est réglable.
Divers emplacements sont possibles pour l’insertion de l’évaporateur :

En voici quelques exemples :

En allège.

Au plafond.

En cassette insérée dans un faux plafond.

Remarque.

La vapeur d’eau contenue dans l’air ambiant risque de se condenser au contact de l’évaporateur très froid, aussi doit-on prévoir une conduite d’évacuation des condensats vers l’égout. Si l’écoulement naturel par gravité n’est pas possible, il faudra insérer une petite pompe de relevage des condensats.

L’unité de condensation

Le fluide frigorigène (à l’état vapeur) est comprimé par le motocompresseur hermétique, puis refroidit dans le condenseur, avant d’être détendu et de repartir vers le local.

Les liaisons frigorifiques et électriques

Pour simplifier la tâche sur chantier (et rendre l’installation accessible à des non-frigoristes), les conduites de raccordement en cuivre sont préchargées en fluide frigorigène et équipées de raccords rapides. Lors du montage, les opercules sont automatiquement perforés.
Leur longueur ne dépasse pas 10 à 15 m généralement pour limiter les pertes de charge. La tuyauterie ramenant le fluide détendu vers l’évaporateur sera soigneusement isolée car l’échauffement du fluide dans le conduit,… c’est autant de puissance frigorifique perdue pour l’évaporateur. Et même si elle reste suffisante, c’est une perte qui diminue le rendement de la machine : son coefficient de performance.
Voici les connexions d’un multisplit : 3 Coefficient de performanceévaporateurs sont reliés à un condenseur commun.

Le retour d’huile

L’huile est naturellement entraînée par le fluide frigorigène liquide vers l’évaporateur. Par contre, il est nécessaire d’organiser volontairement le retour de l’huile vers le compresseur lorsque le fluide est à l’état vapeur :

  • Soit le compresseur est situé plus bas que l’évaporateur, et la gravité fera le travail sur base d’une pente descendante de 1 cm par mètre.
  • Soit le compresseur est situé plus haut que l’évaporateur, et un siphon devra être prévu; on provoque alors volontairement un bouchon d’huile afin que la vapeur, en forçant le passage, entraîne l’huile avec elle. Comme ce système ne fonctionne que sur quelques mètres, un tel siphon devra être prévu au minimum tous les 5 mètres de dénivellation.

À défaut, c’est la lubrification du compresseur qui risque d’être insuffisante, et sa longévité aussi…

En option : la fonction « chauffage »

Si une fonction « chauffage » est recherchée, trois systèmes sont possibles.

Solution 1 : incorporer une résistance électrique d’appoint, en fonctionnement direct

Cette solution est coûteuse à l’exploitation, vu le prix du kWh de jour.

Solution 2 : incorporer une batterie d’eau chaude alimentée par le réseau de chauffage du bâtiment

Cette solution est peu utilisée car coûteuse à l’investissement. Un thermostat d’ambiance commande l’apport de chaleur, soit via une vanne trois voies modulant la température de l’eau, soit directement sur le ventilateur.

Solution 3 : sélectionner une machine frigorifique « réversible » capable de fonctionner en pompe à chaleur

Dans une machine frigorifique, le cycle peut être inversé grâce à l’utilisation d’une vanne à quatre voies à la sortie du compresseur : l’évaporateur devient condenseur et le condenseur devient évaporateur. C’est un climatiseur dit « réversible ».

On parle d’un fonctionnement en « pompe à chaleur » puisque c’est la chaleur de l’air extérieur qui est utilisée pour chauffer l’air du local.
Le surcoût de l’appareil est faible (de 15 à 25 %) et le prix de revient du kWh fourni est 2 à 3 fois plus faible que dans le cas du chauffage direct, … Hélas, la puissance de l’appoint de chaleur est le plus faible au moment où on en a le plus besoin, c.-à-d. par période de gel… Et à ce moment, le coefficient de performance frigorifique est assez dégradé.

En option : la fonction « ventilation »

Certains appareils disposent d’une prise d’air neuf permettant d’adjoindre une fonction ventilation au matériel.

A ne pas confondre avec le brassage d’air en recyclage total proposé par tous les appareils : dans ce cas, le ventilateur fonctionne seul et l’air du local passe simplement par le filtre sommaire qui retient les plus grosses particules en suspension. Il est, par exemple, impossible d’améliorer la qualité de l’air d’un local « fumeur » avec ce principe. Seule, une réelle dilution par de l’air neuf apportera l’amélioration recherchée.

La régulation du climatiseur

La régulation de la température ambiante

La température ambiante du local conditionné est régulée au moyen d’un thermostat d’ambiance agissant sur le fonctionnement du compresseur. Le ventilateur de soufflage fonctionne en même temps que le compresseur, ou fonctionne en continu. Ce deuxième mode de fonctionnement est plus favorable au confort car il entretient un brassage continu de l’air et prévient toute stagnation inconfortable d’air chaud ou froid.

Au simple contrôle de la température ambiante doivent s’ajouter des fonctions de programmation de l’occupation, avec arrêt et reprise (éventuellement anticipées) de manière intelligente.

La régulation du compresseur

Un climatiseur, dimensionné pour vaincre les apports thermiques maximum (solaires, par exemple), fonctionne très souvent à charge partielle. Le contrôle traditionnel par mode MARCHE/ARRET du climatiseur entraîne des fluctuations inconfortables de la température du local et des mauvaises conditions de rendement du compresseur.

Les climatiseurs équipés de compresseurs à vitesse variable peuvent adapter leur puissance frigorifique à la charge thermique du local. Ce mode de régulation est appelé « INVERTER ». Il permet une variation de vitesse du compresseur sans pertes importantes de rendement. Le démarrage du compresseur se fait alors à basse vitesse, ce qui réduit la pointe de courant au démarrage.
La technologie INVERTER présentait autrefois quelques inconvénients tels les parasites qu’elle induit dans le réseau électrique. Dans un très proche avenir, ces inconvénients devraient disparaître (utilisation de moteurs à courant continu pour les plus petites puissances, marquage « CE », …) et permettre au système « INVERTER » de couvrir le marché.

Lorsqu’une unité extérieure alimente plusieurs unités intérieures (système multi split), l’ambiance de chaque local doit pouvoir être régulée séparément (y compris la coupure en cas d’inoccupation). Dans ce cas, une régulation en vitesse variable du compresseur permettra d’adapter la puissance de production de froid en fonction des besoins totaux réels.
Suite à ce nouveau mode de régulation, la technique traditionnelle du compresseur alternatif (piston et vilebrequin), d’une fiabilité légendaire, est progressivement remplacée par :
>  le compresseur rotatif :

  • rendement similaire,
  • niveau sonore moindre,
  • fonctionnement à vitesse variable.

>  le compresseur scroll :

  • rendement plus élevé,
  • niveau sonore encore plus faible,
  • fonctionnement à vitesse variable.

La régulation du condenseur

Certains locaux à charges internes importantes (par exemple, les salles informatiques) doivent être climatisés en été, mais aussi en mi-saison ou encore en hiver. Dans ce cas, lorsque la température de l’air extérieur diminue, la capacité de refroidissement du condenseur augmente.
Paradoxalement, cette situation perturbe le fonctionnement correct de l’évaporateur et entraîne une perte de puissance de ce dernier dernier (voir détails dans la régulation de la machine frigorifique). Le confort dans le local n’est alors plus assuré. À l’extrême, le pressostat basse pression de sécurité de l’appareil peut commander l’arrêt de l’installation.
Pour remédier à ce problème, il faut que la puissance du condenseur soit régulée en fonction de la température extérieure. Si la température de l’air diminue, le débit d’air doit aussi diminuer afin de conserver un échange constant.
Idéalement, on choisira un ventilateur de condenseur à vitesse variable. Ainsi, un climatiseur devant fonctionner pour des températures extérieures inférieures à 17°C doit être équipé d’un ventilateur de condenseur à vitesse variable. La diminution de vitesse du ventilateur est alors commandée par un pressostat ou un thermostat placé sur le condenseur. La puissance d’échange de celui-ci est ainsi maintenue constante quelle que soit la saison.
À défaut, la vitesse sera modulée par paliers. Au minimum, le fonctionnement du ventilateur sera commandé en tout ou rien.

Choix et emplacement du thermostat d’ambiance

Au simple contrôle de la température ambiante doit s’ajouter, pour assurer un fonctionnement économique, des fonctions de programmation de l’occupation, avec arrêt et reprise éventuellement anticipés de manière intelligente.

De plus, idéalement, le climatiseur devrait pouvoir profiter d’une régulation de température de consigne compensée en fonction de la température extérieure. Ce lien, qui est automatisé dans les installations complètes de conditionnement d’air, doit être réalisé manuellement pour les climatiseurs.
Ainsi, un écart de 6°C maximum sera créé, afin de ne pas provoquer de « choc thermique » inconfortable lors de l’accès au bâtiment.

Il revient donc à l’occupant consciencieux de modifier manuellement la consigne de température en fonction de la température extérieure. Pour des raisons d’économies d’énergie et de confort, on ne peut maintenir une consigne de température à 22°C, par exemple, si la température extérieure est de 32°C. Dans ce cas la consigne doit être ajustée à 26°C au minimum.
Le ventilateur de soufflage est soit commandé en même temps que le compresseur, soit fonctionne en continu. Ce deuxième mode de fonctionnement est plus favorable au confort, car il entretient un brassage continu de l’air et prévient toute stagnation inconfortable d’air chaud ou froid. Mais il suppose que les aspects acoustiques soient soigneusement étudiés.
L’emplacement du thermostat joue un rôle important sur la consommation et sur le confort. Il doit être placé à un endroit représentatif de la température moyenne du local, c’est-à-dire éloigné des sources chaudes ou froides (lampe, fenêtre en été, zone ensoleillée, dans la zone de soufflage de l’appareil, …). Le placer dans le local sera donc préférable que de le placer dans la bouche de reprise. Par exemple, si la commande se trouve sur l’appareil au plafond, l’occupant ne prendra pas la peine d’ajuster la consigne de température !
Dans le cas contraire, il devra être étalonné.

Exemple.

Le thermostat est placé à l’extrémité d’un bureau, dans la zone d’influence du climatiseur, mais éloigné de la zone d’occupation habituelle. Lorsque celui-ci mesure 28°C, une température de 24°C règne à l’endroit où les personnes se trouvent.

Les occupants, croyant agir alors correctement, risquent d’abaisser le thermostat jusqu’à 24°C, entraînant une chute de la température ambiante inconfortable et des surconsommations inutiles.

La commande du thermostat doit donc être étalonnée pour être représentative de l’ambiance réelle.

Zones à proscrire pour l’implantation de la sonde de régulation

  1. Influence d’une source chaude.
  2. Influence de l’air extérieur.
  3. Influence de l’ensoleillement.
  4. h < 1 m.
  5. h > 2 m.
  6. Influence de l’air soufflé.

L’emplacement de la commande du thermostat et sa facilité de manipulation jouera un rôle sur la gestion efficace de l’ambiance par l’occupant. Par exemple, si la commande se trouve sur l’appareil au plafond, l’occupant ne prendra pas la peine d’ajuster la consigne de température…