Auteur : service technique Mycond
L’air que nous respirons n’est pas une simple mixture mécanique de gaz — c’est un système physique complexe contenant de la vapeur d’eau en quantités variables. L’état de ce système détermine directement notre confort, influence la consommation énergétique des bâtiments et assure la durabilité des structures. Pour les ingénieurs CVC (chauffage, ventilation et climatisation), comprendre les propriétés de l’air humide constitue un fondement essentiel de l’activité professionnelle, car sans ces connaissances il est impossible de concevoir correctement les systèmes, d’assurer le confort thermique et de résoudre les problèmes d’humidité.
Ce sont les paramètres de l’air humide qui permettent de décrire mathématiquement son état et de prévoir les processus lors des variations de température, de pression et de teneur en eau. Dans cet article, nous examinons en détail sept paramètres clés, indispensables dans le domaine CVC, et montrons leur application pratique dans les tâches d’ingénierie quotidiennes.
1. Température de bulbe sec
La température de bulbe sec (T, °C) est la température ordinaire de l’air mesurée avec un thermomètre standard. On l’appelle "sèche" car elle est mesurée par un thermomètre qui n’est pas en contact avec l’humidité, par opposition au thermomètre de bulbe humide. C’est un paramètre de base qui détermine la sensation thermique et sert de base au calcul des autres paramètres de l’air humide.
Les plages de confort pour la température de bulbe sec dans les logements sont de 20-22 °C en hiver et de 23-25 °C en été. Pour les bureaux, la plage optimale est de 21-23 °C. Sur le diagramme psychrométrique, la température de bulbe sec est représentée par l’axe horizontal, ce qui permet de déterminer d’autres paramètres à partir de données connues.
2. Humidité relative
L’humidité relative (HR ou φ, %) est le rapport entre la quantité réelle de vapeur d’eau contenue dans l’air et la quantité maximale possible à une température donnée, exprimé en pourcentage. Particularité clé : ce paramètre dépend fortement de la température, même si la quantité absolue de vapeur d’eau reste inchangée.
Phénomène intéressant : un air hivernal à -5 °C et 80 % HR, une fois réchauffé à +21 °C, n’aura plus qu’environ 20 % d’humidité relative, alors que la quantité absolue d’eau reste la même ! C’est ce qui explique la "sécheresse" de l’air dans les locaux chauffés en hiver.
La plage de confort pour l’être humain est de 40-60 % d’humidité relative. En dessous de 30 %, on ressent une sécheresse de la peau et des muqueuses ; au-dessus de 70 %, une sensation d’étouffement et d’inconfort apparaît. Sur le diagramme psychrométrique, les courbes d’humidité relative sont des lignes courbes qui convergent vers la courbe de saturation (100 % HR).
3. Rapport d’humidité (humidité spécifique)
Le rapport d’humidité (d, w ou x, g/kg d’air sec) est la quantité physique de vapeur d’eau contenue dans un kilogramme d’air sec. L’avantage majeur de ce paramètre est qu’il ne dépend pas de la température et reste constant lors du chauffage ou du refroidissement de l’air (en l’absence de condensation ou d’humidification supplémentaire).
Valeurs typiques du rapport d’humidité:
- Journée hivernale sèche: 2-4 g/kg
- Conditions intérieures de confort: 6-9 g/kg
- Journée estivale humide: 12-18 g/kg
- Climat tropical: plus de 20 g/kg
Pour calculer la quantité d’eau éliminée, par exemple par un déshumidificateur, on utilise la formule:
W = G × (d1 - d2)
où W est la quantité d’eau éliminée (kg/h), G le débit massique d’air (kg/h), d1 et d2 le rapport d’humidité initial et final (kg/kg).
Sur le diagramme psychrométrique, le rapport d’humidité est représenté par des lignes horizontales avec une échelle sur la droite.
4. Température du point de rosée
La température du point de rosée (Td, °C) est la température à laquelle un air d’un certain rapport d’humidité atteint l’état de saturation (100 % HR) lors d’un refroidissement. La signification physique est cruciale : si une surface a une température inférieure au point de rosée, la vapeur d’eau s’y condense.
Un exemple classique est le verre d’eau froide qui "transpire" dans une pièce chaude. La surface du verre est refroidie en dessous du point de rosée et la vapeur d’eau de l’air s’y condense.
Pour une pièce typique à 21 °C et 50 % HR, le point de rosée est d’environ 10 °C. Cela signifie que toute surface dont la température est inférieure à 10 °C se couvrira de condensation. Les situations sont particulièrement critiques sur les fenêtres en hiver et dans l’épaisseur des murs, où l’humidité peut s’accumuler.
Recommandation pratique: pour éviter la condensation, la température de toute surface intérieure doit être au minimum 2-3 °C au-dessus du point de rosée. Sur le diagramme psychrométrique, le point de rosée se détermine comme l’intersection de la ligne horizontale du rapport d’humidité avec la courbe de saturation (100 % HR).
5. Pression partielle de la vapeur d’eau
La pression partielle de la vapeur d’eau (pv, Pa ou kPa) est la pression exercée par les molécules de vapeur d’eau présentes dans l’air. Signification physique : chaque molécule d’eau à l’état gazeux "pousse" le milieu environnant, créant une part de la pression atmosphérique totale.
Ce paramètre est capital pour comprendre les processus de diffusion de l’humidité à travers les murs et autres éléments de construction. L’humidité migre de la zone de pression partielle plus élevée vers la zone de pression plus faible. Par exemple, en hiver, la pression partielle de vapeur d’eau dans un local chauffé (environ 1,2-1,4 kPa à 21 °C et 50 % HR) est nettement supérieure à celle de l’extérieur (environ 0,3-0,4 kPa à -5 °C et 80 % HR). C’est cette différence qui "pousse" l’humidité à travers la paroi vers l’extérieur et constitue un facteur clé pour concevoir le pare-vapeur.
La pression partielle est liée au rapport d’humidité et, sur le diagramme psychrométrique, elle figure comme une échelle à droite, parallèle à celle du rapport d’humidité.
6. Enthalpie
L’enthalpie (h ou i, kJ/kg) est l’énergie totale de l’air humide, qui comprend la chaleur sensible (liée à la température) et la chaleur latente de vaporisation (liée à l’humidité). Ce paramètre est essentiel pour les calculs énergétiques des systèmes de climatisation et de ventilation.
On peut analyser la composition de l’enthalpie à titre d’exemple: pour un air à 21 °C et un rapport d’humidité de 7,8 g/kg, l’enthalpie totale est d’environ 41 kJ/kg, dont environ 21 kJ/kg de chaleur sensible (liée à la température) et 20 kJ/kg de chaleur latente de l’humidité (puisque l’évaporation de 1 kg d’eau nécessite environ 2500 kJ d’énergie).
Pour le calcul de la puissance de refroidissement ou de chauffage on utilise la formule:
Q = G × (h1 - h2)
où Q — puissance (kW), G — débit massique d’air (kg/s), h1 et h2 — enthalpies initiale et finale (kJ/kg).
Par exemple, pour refroidir 1 kg/s d’air d’une enthalpie de 65 kJ/kg à 40 kJ/kg, il faut une puissance de climatisation de 25 kW. La récupération de chaleur sur l’air extrait permet de réaliser d’importantes économies d’énergie grâce à l’échange d’enthalpie.
Sur le diagramme psychrométrique, l’enthalpie est représentée par des lignes diagonales avec une échelle en haut à gauche.
7. Température de bulbe humide
La température de bulbe humide (Tw, °C) est la température indiquée par un thermomètre entouré d’un tissu humide à travers lequel passe l’air étudié. Le principe physique est que l’évaporation de l’eau depuis le tissu prélève de la chaleur et refroidit le thermomètre jusqu’à un équilibre entre l’échange thermique avec l’air et le refroidissement par évaporation.
Dans des conditions typiques (21 °C et 50 % HR), la température de bulbe humide est d’environ 15 °C. À 100 % d’humidité relative, l’évaporation est impossible et la température de bulbe humide est égale à la température de bulbe sec.
Ce paramètre a deux applications pratiques importantes:
1. Mesure simple de l’humidité à l’aide d’un psychromètre à fronde (appareil à deux thermomètres).
2. Évaluation du potentiel de refroidissement évaporatif — c’est la température minimale à laquelle on peut refroidir l’air par évaporation de l’eau sans froid mécanique. Par exemple, par forte chaleur de 35 °C avec 30 % HR, la température de bulbe humide est d’environ 22 °C, ce qui permet de refroidir l’air de 10-13 °C uniquement grâce à l’évaporation de l’eau.
Ce principe est utilisé dans les tours de refroidissement, les humidificateurs adiabatiques et les rafraîchisseurs évaporatifs. Sur le diagramme psychrométrique, les lignes de température de bulbe humide sont presque parallèles aux lignes d’enthalpie.
Le diagramme psychrométrique comme outil de l’ingénieur
Le diagramme psychrométrique est un outil graphique qui relie les sept paramètres de l’air humide et permet, en connaissant n’importe lesquels deux d’entre eux, de déterminer tous les autres. Les combinaisons de paramètres les plus pratiques pour les tâches d’ingénierie sont:
- Température de bulbe sec + humidité relative — les paramètres les plus faciles à mesurer avec des instruments standard.
- Température de bulbe sec + point de rosée — combinaison optimale pour le contrôle de la condensation sur les surfaces.
- Température de bulbe sec + rapport d’humidité — paire idéale pour les calculs d’assèchement et d’humidification.
Exemple pratique d’utilisation du diagramme: le refroidissement de l’air extérieur avec des paramètres de 32 °C et 70 % HR (rapport d’humidité d’environ 22 g/kg, enthalpie 89 kJ/kg) vers un état à 22 °C en conservant le même rapport d’humidité provoquera d’abord de la condensation, car à 22 °C la teneur maximale en eau de l’air saturé est d’environ 17 g/kg. Ainsi, au cours du refroidissement, environ 5 g d’eau seront retirés de chaque kilogramme d’air, et l’humidité relative finale sera proche de 100 %. Pour réduire davantage l’humidité, un séchage supplémentaire est nécessaire.
La puissance de refroidissement pour ce processus sera Q = G × (89 - 60) = G × 29 kJ/kg, où 60 kJ/kg est l’enthalpie de l’air à 22 °C et 100 % HR, et G est le débit massique d’air.
Erreurs typiques et leurs conséquences en exploitation
1. Assimiler l’humidité relative à la quantité absolue d’eau dans l’air. Conséquence: évaluation erronée des besoins en humidification ou en déshumidification.
2. Ignorer la variation de l’humidité relative lors du chauffage de l’air. Conséquence: dessiccation excessive de l’air pendant la saison de chauffage.
3. Sous-estimer la différence de pressions partielles de vapeur pour la conception du pare-vapeur. Conséquence: accumulation d’humidité dans les structures et leur dégradation.
4. Ne pas tenir compte de la chaleur latente dans les bilans énergétiques. Conséquence: puissance insuffisante des systèmes de refroidissement, surtout en conditions de forte humidité.
Ces erreurs conduisent à de sérieux problèmes d’exploitation: condensation sur les fenêtres et les tuyaux, accumulation d’humidité dans les murs, mauvais dimensionnement de la puissance des équipements et, à la clé, inconfort des occupants et coûts d’exploitation accrus.
Questions les plus fréquentes sur les paramètres de l’air humide
Pourquoi l’air est-il sec en hiver dans l’appartement alors qu’il y a une forte humidité dehors?
Lors du réchauffement de l’air extérieur, son humidité relative chute, même si la quantité absolue d’eau (rapport d’humidité) ne change pas. Par exemple, un air à -5 °C et 80 % HR, une fois chauffé à +21 °C, n’aura plus qu’environ 20 % d’humidité relative.
Comment estimer rapidement le point de rosée sans instruments?
Pour une estimation approximative, on peut utiliser la règle suivante: à 20 °C et 50 % HR, le point de rosée est d’environ 10 °C. À chaque baisse de 10 % d’humidité relative, le point de rosée diminue d’environ 2 °C.
Qu’est-ce que la chaleur latente et pourquoi est-elle importante?
La chaleur latente est l’énergie liée au changement de phase de l’eau (évaporation/condensation). Elle représente une part significative de la charge thermique totale dans les systèmes de climatisation (souvent 30-50 % de la puissance totale). L’ignorer conduit à sous-estimer la puissance nécessaire des équipements.
En quoi le rapport d’humidité diffère-t-il de l’humidité relative?
Le rapport d’humidité (g/kg) est la quantité réelle de vapeur d’eau dans l’air, qui ne change pas lors d’un chauffage/refroidissement (sans condensation). L’humidité relative (%) est le degré de saturation de l’air en vapeur d’eau, fortement dépendant de la température.
Comment la température de bulbe humide aide-t-elle à évaluer le potentiel de refroidissement?
La température de bulbe humide est la limite théorique du refroidissement de l’air par évaporation de l’eau. Plus la température de bulbe humide est basse par rapport à la température de bulbe sec, plus le potentiel de refroidissement évaporatif est élevé.
Conclusions
Chacun des sept paramètres de l’air humide étudiés est un outil important pour résoudre des tâches d’ingénierie spécifiques:
- Température de bulbe sec — paramètre de base pour assurer le confort thermique.
- Humidité relative — indicateur critique pour l’évaluation du confort et la conservation des matériaux.
- Rapport d’humidité — paramètre clé pour les calculs de séchage et d’humidification.
- Température du point de rosée — principal outil pour prévenir la condensation sur les surfaces.
- Pression partielle de la vapeur d’eau — base pour le calcul du pare-vapeur et de la diffusion de l’humidité.
- Enthalpie — paramètre nécessaire aux bilans énergétiques des systèmes CVC.
- Température de bulbe humide — indicateur du potentiel de refroidissement évaporatif.
Maîtriser ces paramètres et comprendre leurs interrelations permet à l’ingénieur CVC de concevoir des systèmes efficaces, d’éviter les problèmes d’humidité et d’assurer un microclimat optimal dans les locaux avec une dépense énergétique minimale.
