Climatisation

Fin du XVIII^e siècle, des réseaux de climatisation sont créés avec des blocs de glace intégrés à même les réseaux avec ventilation forcée. Avant l'invention des réfrigérateurs, on stockait dans une glacière la glace (par exemple découpée l'hiver sur les étangs). Il s'agissait d'un trou fermé par un couvercle isolant dans lequel on alternait des couches de paille, ou de sciure de bois, et de glace. Comme l'air froid descend et que la chaleur monte, l'orifice de remplissage se situant en haut, la température basse se maintenait et une partie de la glace, ainsi stockée, se conservait jusqu'à l'été. La notion de confort d'été est encore bien ancienne avec des conceptions architecturales privilégiant des courants d'air et protégeant de la chaleur les zones en ensoleillement direct.

En 1755, l’Écossais William Cullen obtient un peu de glace en introduisant de la vapeur d’eau sous une « cloche à vide »[3] - [4].

Jacobs Perkins fait des recherches en réfrigération et brevète, en 1834, un système frigorifique à compression de vapeur. Le fluide utilisé était l'éther éthylique. Une nouvelle tentative d'utilisation industrielle de la réfrigération daterait de 1851 lorsque James Harrison, imprimeur écossais émigré en Australie, achète une entreprise de presse. Alors qu'il nettoie des caractères à l'éther, il remarque que le liquide refroidit fortement le métal en s'évaporant. Harrison a l'idée de comprimer l'éther gazeux avec une pompe pour le transformer en liquide, puis de laisser l'éther liquide revenir à l'état gazeux en provoquant un refroidissement. Il met ce système en œuvre dans une brasserie australienne où le gaz froid d'éther est pompé dans des tuyaux qui circulent dans le bâtiment. Harrison utilise le même principe pour fabriquer de la glace en faisant passer dans de l'eau les tuyaux refroidis par l'éther gazeux. Mais il fait faillite en 1860 car la glace naturelle qu'on importait alors par bateau d'Amérique restait moins chère.

Un peu plus tard la technologie avançant on se met à fabriquer des systèmes simples de refroidissement fonctionnant avec des compresseurs à piston (comme nos réfrigérateurs actuels) principalement dans les transports maritimes, ces derniers fonctionnaient avec de l'éther qui fut remplacé par la suite par de l'ammoniac qui permet d'obtenir un meilleur rendement.

En 1857, Ferdinand Carré invente le réfrigérateur à eau et ammoniac. Il fait breveter son invention aux États-Unis et à l'Exposition universelle de 1862[5]. Celle-ci n'eut pas de succès pour le marché domestique mais trouva son succès dans les brasseries, pour maintenir les boissons au frais. Le réfrigérateur pouvait produire entre 12 et 100 kg de glace, selon les modèles[6].

La climatisation moderne a été inventée par Willis H. Carrier en 1902 avec un système de réfrigération centrifuge doté d’un compresseur central permettant d'en réduire la taille (il ne sera dévoilé au public qu’en 1925 quand M. Carrier persuade la Paramount de l'installer lors de la construction de la salle de spectacle Rivoli Theater à Times Square. La légende dit que les blockbusters de l’été datent de cette époque car les New-yorkais, dès lors, s’installeront dans les salles de cinéma climatisées durant les chaudes journées d’été)[7].

En 2017, selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE), environ 1,6 milliard de climatiseurs fonctionnaient dans le monde, dont 50 % environ aux États-Unis et en Chine[8].

Du fait du réchauffement climatique et du développement économique, le parc des climatiseurs augmente : environ 135 millions d'unités sont vendus en 2017 (trois fois plus qu'en 1990), dont 53 millions d'unités en Chine alors qu'en Inde 4 % seulement des foyers sont équipés. Près de 3 900 TWh d'énergie ont servi à rafraîchir des logements et bureaux, à la réfrigération d’aliments et de médicaments, etc.. Cela compte pour 3 à 4 % de la consommation finale d'énergie, selon Toby Peters de l'Université de Birmingham[9], 10 % de la consommation électrique mondiale en 2018 selon l'AIE[10]. Les climatiseurs et ventilateurs électriques consomment ainsi environ un cinquième de l'électricité totale des bâtiments dans le monde, et on s’attend à une forte augmentation d’ici à 2050 où à ce rythme la réfrigération de locaux pourrait devenir la première source de consommation d’électricité[11].

En France, les pics de consommation électrique sont hivernaux, et dus essentiellement au chauffage électrique. Le besoin de chauffage devient presque nul en été, ce qui permet d'entretenir les centrales en été (quand l'eau de refroidissement est moins disponible). Mais dans un nombre croissant de pays les pics de consommation sont estivaux, induits par les climatiseurs, devenant préoccupant pour les futurs réseaux électriques, d'autant que la demande en climatisation devrait « exploser dans les prochaines décennies » selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE)[8], ce qui pourrait accroître la consommation d’énergie utilisée pour la réfrigération et climatisation d'environ 90 % d’ici à 2050, selon l’Université de Birmingham lors du premier congrès mondial dédié au « clean cold » (avril 2018).

Principe de fonctionnement d'un climatiseur.

Exemple d'une centrale de traitement d'air.

Le principe de fonctionnement d'un climatiseur est expliqué sur le schéma suivant.

Un système de climatisation doit non seulement contrer les charges thermiques et hydriques d'un local, mais il doit aussi assurer la qualité de l'air par le renouvellement d'air neuf hygiénique (maintien de la teneur en CO₂ et des odeurs à un niveau acceptable défini par les normes en vigueur), et la filtration de l'air soufflé.

• Les charges thermiques sont les apports ou les déperditions de chaleur externes et internes qui sont exprimés en kilowatts [kW] ;
• Les charges hydriques sont généralement des apports d'humidité internes exprimés quant à eux en kilowatts [kW] ou en kilogrammes par heure (débit massique).

La filtration peut se faire par air soufflé ou repris, le renouvellement par extraction forcée de l’air hors du local ou par introduction forcée d'air neuf (air extérieur) dans le local, par renouvellement partiel de l'air ambiant vicié (à l'aide d'un caisson de mélange), ou par un filtre à poussière, éventuellement associé à un filtre à charbon actif.

Le domaine du génie climatique comprend trois catégories de systèmes : les centrales unizones (voir exemple ci-dessus), les centrales multizones, les systèmes autonomes, triomes.

Le renouvellement de l'air d'un local peut se faire à l'aide de différents systèmes :

• l'air neuf (aux conditions extérieures) est mélangé avec une partie de l'air repris du local par le biais d'un caisson de mélange (voir schéma ci-contre) ;
• l'air neuf est préparé aux conditions spécifiques du local (température, hygrométrie) par une autre centrale, appelée généralement « centrale de traitement d'air neuf ».

Dans ce type de système, afin d'éviter que l'air extérieur ne vienne polluer celui du local, on augmente légèrement la pression intérieure par rapport à la pression atmosphérique. L'intérêt du caisson de mélange est de réaliser d'importantes économies d'énergie (respect de l'environnement).

On a donc dans ce cas un débit massique d'air soufflé supérieur au débit massique d'air repris. Ce type de procédé est généralement utilisé dans les bureaux, les salles de cinéma, etc.

Dans un système de recyclage total, le renouvellement d'air neuf est obtenu soit par un système de ventilation mécanique contrôlée où le mélange d'air s'effectue directement dans le local, soit l'air neuf est préparé dans une centrale dite « centrale d'air neuf ». Cet air est directement soufflé aux conditions intérieures du local. Un circuit d'air neuf particulier assure le renouvellement d'air neuf, et on a un débit d'air rejeté égal au débit d'air neuf apporté.

Dans ce type de procédé, il n'y a pas de recyclage de l'air du local. En fonction du type de local, il sera soit en surpression afin d'éviter toute pollution de l'air intérieur (blocs opératoires, laboratoires de produits pharmaceutiques, etc.), soit à la pression atmosphérique.

L'inconvénient de ce type d'installation est qu'il est générateur de puissances thermiques très élevées, donc peu économiques. Toutefois, afin de diminuer les coûts énergétiques, on peut installer un récupérateur de chaleur (à plaques par exemple) sur ces centrales.

En mode « froid » l'air neuf (qui vient de l'extérieur) plus chaud cède une partie de sa chaleur (un échangeur n'est pas parfait) à l'air usé à travers un échangeur (air/air) ce qui lui permet d'abaisser sa température et ainsi économiser l'énergie à fournir au système de climatisation.

À l'inverse, quand le système passe en mode « chaud », l'air chaud qui est expulsé vers l'extérieur réchauffe l'air neuf avant d'entrer dans l'espace climatisé ce qui permet des économies aussi comme dans certains systèmes de ventilation classique. Cet échangeur est communément appelé « caisson double flux ».

Dans une cour ou un environnement fermé ou peu aéré, par temps chaud, les climatiseurs peuvent créer une bulle de chaleur auto-entretenue, contribuant au phénomène d'îlot de chaleur urbain.

Avant d'installer un système de climatisation, il est important de définir les apports de chaleur et d'humidité intérieures et extérieures.

Ces valeurs dépendent de la saison et de la situation géographique où seront situés les locaux à climatiser. Les données météorologiques déjà classifiées permettront de fixer les températures sèches et les températures humides. Ces données vont nous permettre de calculer les puissances maximales à mettre en œuvre dans nos locaux.

Les températures et hygrométries intérieures dépendent du type de local.

Pour les locaux comme les habitations individuelles, les bureaux, les grands magasins, etc. (climatisation dite de « confort »), la température et l'hygrométrie dépendront des saisons, mais aussi de la quantité d’élément qui peuvent dégager de l'humidité (nombre de clients, salades, légumes, etc.).

Pour les locaux de types industriels, la température et l'hygrométrie dépendront de l'usage que l'on fait des locaux. Elles peuvent rester constantes toute l'année (local informatique ou laboratoire métrologique par exemple) mais aussi varier (cuisson discontinu dans une conserverie).

Lors de l'étude d'un projet de climatisation, il est important afin de pouvoir dimensionner correctement la centrale de traitement d'air, d'étudier au préalable les charges que devra supporter la centrale. Il faudra tenir compte des charges dites « sensibles » et des charges dites « latentes ».

Les charges sensibles venant de l'extérieur sont positives en été (à cause de l’ensoleillement, par exemple) et négatives en hiver (à cause des déperditions).

Les charges sensibles venant de l'intérieur du local proviennent essentiellement :

• des machines à l'intérieur du local ;
• de l'éclairage ;
• des tuyauteries.

Les apports de chaleur latente (dégagement d'humidité sous forme de vapeur d'eau) viennent essentiellement :

• des locaux (comme les piscines par exemple) ;
• du matériel à l'intérieur des locaux (convoyeur d’épinard dans une conserverie) ;
• des occupants (humidité).

La relation mathématique suivante donne les charges hydriques nommées « [øL] » :

øL = M × Lv [kW]

avec :

• M = masse d'eau dégagée par heure
• Lv = chaleur latente de vaporisation de l'eau.

Les charges totales sont la somme algébrique des charges sensibles et latentes nommé [øT]. Elle peut être positive ou négative et est donnée par la relation mathématique suivante :

øT = øS + øL [kW]

Si la température et l'hygrométrie du local sont constantes, le bilan énergétique de celui-ci peut être expliqué de la façon suivante :

1. La puissance apportée au local (air soufflé et apports internes) est égale à la puissance perdue par celui-ci (air repris ou perdu) ;
2. L'humidité apportée au local par l'air soufflé et les apports d'humidités intérieur est égale à l'humidité perdue sous forme de condensation ou d'extraction d'air.

Pour cela on supposera que le débit massique d'air sec soufflé est égal au débit massique d'air repris :

• øair soufflé = øair repris

La puissance apportée au local est la somme de la puissance apportée par l'air dans le local, c'est-à-dire à øT (voir au chapitre précédent).

• øT= qmas × has-harp

ce qui permet de déterminer les conditions de soufflage.

Pour déterminer les conditions de soufflage de l'air dans un local, il faut connaître :

• le débit massique d'air sec au soufflage (qmas [kgas/s] ;
• le taux de brassage τ, (le taux de brassage est le rapport entre le débit d'air soufflé et le volume du local traité, sa connaissance n'est donc pas nécessaire lorsque le débit d'air soufflé est connu, il faut être prudent avec cette notion car le taux de brassage est un résultat de calcul et non une valeur dimensionnante, néanmoins, le taux de brassage est utile pour évaluer le confort à obtenir et la stratification de l'air chaud) ;
• l'écart de température Δθ entre le soufflage et le local ;
• le point de soufflage, dont les coordonnées sont déterminées en reportant sur un diagramme psychométrique deux valeurs comme l'enthalpie et la teneur en eau, par exemple.

Les conditions du point de soufflage (plus précisément les conditions de confort) permettront de dimensionner les éléments de l'installation :

• le débit massique permettra de calculer les puissances des batteries et le débit d'eau piégé par celle-ci (batterie froide humide), le débit d'eau à injecter (humidificateur vapeur) ;
• l'enthalpie, la température sèche et l'humidité absolue permettront de placer le point sur le diagramme.

Le positionnement du point de soufflage par rapport à celui du local dépend des charges sensibles et latentes (apports ou déperditions).

• Les conditions à maintenir dans le local sont : θL, rL
• Les conditions du point de soufflage sont : θs, rs
• Les charges sensibles peuvent être : =0; <0 ou >0
• Les charges latentes peuvent être : =0; <0 ou >0

Suivant les valeurs des charges, on peut considérer neuf positions significatives du point de soufflage par rapport à celui du local. En fonction du bilan thermique (apports ou déperditions), on peut donc prévoir la position du point de soufflage par rapport à celui du local.

L'écart de température au soufflage représente la différence algébrique entre la température de soufflage et la température du local :

• Δθ = θs - θL ou Δθ = θL - θs

Cet écart est toujours positif quelle que soit la position du point de soufflage par rapport à celui du local. Il dépend du type de bouches utilisées.

On peut prendre en première approximation les valeurs suivantes :

• Soufflage été : Δθ = de 5 à 15 K
• Soufflage hiver : Δθ = de 5 à 20 K

Le taux de brassage représente le volume d'air traité renouvelé dans le local pendant une heure :

• τ =qv/V
  • τ = taux de brassage en h^-1
  • V = volume du local en m³
  • qv = débit volumique de soufflage en m³/h.

Le taux de brassage dépend du type de bouches de soufflage installées. Il ne dépasse pas 15 en climatisation de confort et peut aller jusqu'à 30 en climatisation industrielle.

Les syndics de copropriété et assemblées générales acceptent souvent l’installation de tels équipements sans en mesurer l’impact[15].

Ces équipement émettent des troubles sonore continu qui contreviennent à l'esprit de l'article R. 1334-31 du Code de la santé publique qui dispose qu’aucun bruit particulier ne doit, par sa durée, sa répétition ou son intensité, porter atteinte à la tranquillité du voisinage ou à la santé de l’homme, dans un lieu public ou privé[15].

Un bruit litigieux est considéré comme une nuisance sonore lorsque le bruit émergent obtenu par différence entre le bruit ambiant et le bruit litigieux est supérieur à 5 db en journée (de 7 h à 22 h) et 3 db la nuit (de 22 h à 7 h)[alpha 1] - [16].

Les systèmes de climatisation sont accusés de provoquer les risques de santé suivants :

• leur partie froide (climatiseurs interne ou systèmes extérieurs de réfrigération) produit de l'eau par condensation de l'humidité de l'air. Si cette eau est mal évacuée, par exemple si les appareils sont mal entretenus, des organismes pathogènes peuvent y proliférer, l'exemple le plus cité étant celui de l'agent de la légionellose.
• L'injection de désinfectants dans ces systèmes (produits chlorés en général) peut aussi poser des problèmes de santé, et favoriser l'apparition de pathogènes chlororésistants.

Presque tous les systèmes de climatisation comportent des filtres, qui doivent être nettoyés ou remplacés périodiquement ; cet entretien n'est pas toujours effectué.

• Une climatisation n'est efficace que dans un espace relativement fermé ; dans ces conditions, divers polluants ou contaminants biologiques (microbes) peuvent se concentrer (même s'ils se développent moins à basse température, dans le cas où la climatisation réfrigère l'air).
• Une climatisation excessive expose la personne qui se rend ensuite dans un espace non climatisé à un choc thermique. L'Ademe recommande, lors de canicule, de ne pas descendre la « température de consigne » en dessous de 26 °C et de maintenir une différence de température comprise entre 5 et 7 °C entre l’intérieur et l’extérieur d'un bâtiment[17].
• La transmission de virus entre différents locaux par les systèmes de climatisation a fait l'objet d'études en 2009 qui ne permettaient pas d'apporter de conclusion définitive ; alors que se développait l'épidémie de grippe H1N1, l'Agence française de sécurité sanitaire de l'environnement et du travail (Afsset) conseillait : « Dans le cas des bâtiments collectifs équipés d’une centrale de traitement de l’air (climatisation centralisée), maintenir l’apport d’air extérieur et arrêter, si possible sans autre inconvénient, le recyclage[18] ». L'agence française estime en effet que « Dans les bâtiments équipés d’une ventilation avec recyclage de l’air (climatisations dans les immeubles de bureaux ou les bâtiments accueillant du public comme les supermarchés), le risque de transmission ne peut être exclu, mais il reste difficile à évaluer car il dépend de nombreux facteurs non connus (virulence de la souche de virus, cheminement de l’air dans les pièces et les systèmes de ventilation, etc.) »[18].

La climatisation pose les problèmes suivants :

• elle augmente la consommation énergétique des bâtiments ou véhicules qui en sont équipés. L'Ademe estime à 5 % le surcoût annuel de la climatisation des automobiles (1 litre/100 km lorsqu'elle est en fonctionnement). En contrepartie, elle augmente le confort du conducteur et de ses passagers, surtout en période de canicule, ce qui permet une meilleurs attention du conducteur et réduit le risque d'endormissement ;
• la consommation électrique due à la climatisation augmente en France, notamment depuis la canicule de 2003 qui a entraîné l'équipement d'un nombre élevé de foyers en climatiseurs. Elle reste cependant très inférieure à celle de l'hiver, même en cas de canicule, et la puissance disponible est largement suffisante[19] - [20] ;
• elle rejette des fluides frigorigènes qui sont de puissants gaz à effet de serre[10] - [20]. Leur potentiel de réchauffement global est 2 000 fois plus important que celui du CO₂ et une partie de ces gaz s'échappe inévitablement dans l'atmosphère (accidents, fuites, mauvaise gestion de la fin de vie du matériel). Toujours selon l'Ademe, cet effet équivaut à une augmentation de 10 % de l'impact d'un véhicule sur l'effet de serre. Ajoutée à la production de CO₂ produit dans les centrales génératrices d'électricité basée sur la combustion de carburants, elle a donc un impact à terme sur le réchauffement climatique ;
• le circuit de la récupération/recyclage des gaz dans les appareils et véhicules en fin de vie reste opaque ;
• la climatisation par un gaz pourrait souvent être remplacée par une climatisation passive, mécanique ou par des bâtiments ou véhicules mieux conçus (isolation thermique, brise-soleil et divers dispositifs plus « naturels » utilisés par exemple par l'architecture bioclimatique (murs épais à inertie thermique élevée, puits provençal, bâtiment passif, etc.) ;
• la climatisation est en partie responsable de la « surchauffe urbaine », en augmentant à elle seule de 1 à 1,5 °C la température en ville par rapport à celle de la campagne environnante[10] ; à Paris, la climatisation augmente la température jusqu'à 2 °C[21] - [20].

Des solutions alternatives de climatisation sont disponibles, telles que le mur Trombe, le rafraîchissement d'air par évaporation, appelé également « bioclimatisation », « refroidissement adiabatique » ou « climatisation écologique »[22] - [23]. Ces systèmes sont peu coûteux, fonctionnent sans gaz réfrigérants, grâce à l'évaporation de l'eau, et ont une consommation électrique réduite. Les inconvénients sont un abaissement de température limité (rarement plus de cinq degrés), limité à la proximité immédiate (quelques mètres), compensé par une augmentation de l'humidité et l'absence de réversibilité[24].

Certains produits tels que le bromure de lithium (LiBr) sont à la fois dangereux pour la santé et pour l'environnement. Utilisé dans les machines à absorption (climatisation utilisant de l'eau, de l'ammoniac et le gaz naturel comme source d'énergie, dans une machine à absorption produisant de l'eau chaude et glacée utilisable simultanément) à raison de centaines de litres (plus de 1 000 litres souvent dans les climatiseurs industriels), il peut fuir et doit être vidangé par des professionnels qualifiés en fin de vie de la machine.

Après les faillites ou cessations d'activité d'entreprises dont les locaux sont équipés de climatiseurs, il est parfois difficile de savoir ce que sont devenus ces produits.

La directive européenne sur la performance énergétique des bâtiments (2002/91/CE[25]) prévoit une inspection périodique des systèmes de climatisation et des pompes à chaleur réversibles d'une puissance supérieure à 12 kW (hors « froid industriel » soumis à d'autres réglementations). Cette inspection comprend une évaluation du rendement de la climatisation et de son dimensionnement par rapport aux exigences en matière de refroidissement du bâtiment. Des conseils appropriés sont donnés aux utilisateurs sur l'éventuelle amélioration ou le remplacement du système de climatisation et sur les autres solutions envisageables[26].

En France, pour les installations anciennes (posées avant juillet 2011) la première inspection doit avoir lieu avant le 31 mars 2013 pour les systèmes de 12 à 100 kW et avant le 31 mars 2012 pour ceux dont la puissance est de 100 kW ou plus. Pour les installations neuves ou tout remplacement, l’inspection devra être réalisée dans l’année suivant la mise en service. Les inspections doivent être renouvelées au moins une fois tous les cinq ans.

En France, le Code de l'énergie[27] interdit le fonctionnement des climatiseurs lorsque la température des locaux est inférieure ou égale à 26 °C. Le décret n'est encore qu'une recommandation dont la non-application n'est pas poursuivie par la loi. Le but est simplement de pousser les utilisateurs à modérer leur utilisation de ce type d'équipement.

Depuis le 4 juillet 2009, les spécialistes de la climatisation et/ou réfrigération doivent :

• présenter une « attestation de capacité » fournie par un organisme agréé, certifiant que son personnel est compétent et qu'il dispose de l'outillage adéquat ;
• déclarer à l'Ademe, annuellement, la quantité de fluides utilisée et récupérée (cf. statistiques et « traçabilité » de ces produits soumis à réglementation).

Qualiclimafroid, association de professionnels, s'est portée candidate[28] pour être organisme agréé et délivrer des attestations de capacité.

Depuis 2022, dans certaines communes françaises, une amende peut être obtenue pour faire fonctionner la climatisation avec les portes ouvertes[29].

En 2022, en Espagne, dans le cadre des politiques d'économie d'énergie, la règlementation limitant la climatisation à 27 °C et le chauffage à 19 °C est entrée en vigueur afin de réduire la consommation de gaz d'environ 7 à 8 % en automne et en hiver et réduire le risque de pénurie[30] - [31]. Ces mesures entrent en vigueur en août 2022[32]. Cette réglementation connaît des exceptions[33].

L'Agence internationale de l'énergie considère que la consommation d'énergie pour refroidir les bâtiments a doublé entre 2000 et 2022 selon l'Agence Anadolu du gouvernement turc[30]

• Ressources relatives à la santé :
  • (en) Medical Subject Headings
  • (en) PatientLikeMe
• Notices dans des dictionnaires ou encyclopédies généralistes :

  • Britannica
  • Gran Enciclopèdia Catalana
• Notices d'autorité :

  • GND
  • Tchéquie