Calcul de la charge thermique des déshumidificateurs à adsorption : compensation de l'échauffement de l'air dans les systèmes de climatisation

Auteur : département technique Mycond.

La conception des systèmes de conditionnement d’air avec des déshumidificateurs désiccants exige une attention particulière au bilan thermique. La non-prise en compte du flux thermique supplémentaire engendré par l’adsorption de l’humidité conduit à des erreurs de conception critiques et à une inefficacité des systèmes. Cet article examine en détail la méthodologie d’ingénierie pour calculer la charge additionnelle imposée au système de refroidissement par le fonctionnement d’un déshumidificateur désiccant.

Pourquoi il est important de calculer la charge thermique d’un déshumidificateur désiccant

Les déshumidificateurs désiccants et les déshumidificateurs à condensation reposent sur des mécanismes physiques fondamentalement différents. Les systèmes à condensation éliminent l’humidité en refroidissant l’air au-dessous de son point de rosée, ce qui entraîne la condensation de la vapeur d’eau. La température de l’air diminue alors, puis peut légèrement augmenter après la condensation.

Les déshumidificateurs désiccants, au contraire, éliminent l’humidité par adsorption à la surface d’un adsorbant (gel de silice, zéolithes) sans refroidissement. Ce processus s’accompagne d’une augmentation significative de la température de l’air, dépendant de la quantité d’humidité extraite, du type d’adsorbant utilisé et des caractéristiques du régime de régénération. Conformément aux exigences de la norme EN 13053 concernant les caractéristiques des centrales de traitement d’air, les variations des paramètres de température de l’air doivent être prises en compte lors de la conception des systèmes.

Une erreur de conception typique consiste à extrapoler l’expérience des systèmes à condensation aux systèmes désiccants, sans tenir compte de l’augmentation notable de la température. Cela conduit à :

• Surchauffe des locaux due à un refroidissement insuffisant
• Puissance de climatisation insuffisante
• Consommation d’énergie accrue due à un refroidissement inefficace

Base physique : conversion de la chaleur latente en chaleur sensible

Pour comprendre le processus, il faut définir clairement les notions de chaleur latente et de chaleur sensible :

• Chaleur latente (cachée) – énergie contenue dans la vapeur d’eau, qui n’entraîne pas de variation de température, mais est consommée lors de l’évaporation ou libérée lors de la condensation de l’humidité.
• Chaleur sensible – chaleur qui influence directement la température de l’air sans modifier sa teneur en humidité.

Lors du processus d’adsorption, les molécules d’eau présentes dans l’air se fixent sur la structure poreuse de l’adsorbant (gel de silice, zéolithes ou tamis moléculaires). Il s’ensuit une conversion de l’énergie de la forme latente vers la forme sensible. Quand les molécules d’eau passent de l’état gazeux à un état adsorbé à la surface du désiccant, l’énergie des liaisons intermoléculaires est libérée.

La magnitude de cette énergie est proche de la chaleur de condensation, qui est d’environ 2500 kJ/kg, ce qui s’explique par la similitude des processus physiques – dans les deux cas, les molécules d’eau changent d’état en perdant des degrés de liberté. Conformément à l’ISO 5801, qui régit les méthodes de mesure des paramètres des systèmes de ventilation, ces processus thermodynamiques doivent être pris en compte lors des essais et de la conception.

Sur le diagramme psychrométrique de Mollier, le processus de déshumidification par adsorption est représenté par une ligne orientée vers la droite et vers le bas : la teneur en humidité diminue et la température de bulbe sec augmente. Cela diffère fondamentalement de la déshumidification par condensation, où le processus est représenté par une ligne vers la gauche et vers le bas : la température et la teneur en humidité diminuent simultanément.

Sources de charge thermique dans un déshumidificateur désiccant

Dans un déshumidificateur désiccant, on peut distinguer quatre principales sources de charge thermique :

1. Chaleur d’adsorption – libérée directement dans le flux d’air process lors de l’absorption de la vapeur d’eau par l’adsorbant. C’est la principale source de charge thermique, dont la part dépend de la conception de l’équipement, du rapport des surfaces des secteurs d’adsorption et de régénération, ainsi que de la qualité de l’isolation thermique de l’enveloppe.
2. Transfert thermique depuis le secteur de régénération – dans ce secteur, l’adsorbant est chauffé pour restaurer sa capacité d’adsorption. La température de régénération dépend du type de désiccant : le gel de silice requiert des températures plus basses en raison d’une énergie de désorption plus faible, tandis que les tamis moléculaires nécessitent des températures plus élevées à cause de l’intensité des liaisons dans la structure cristalline. Une partie de cette chaleur est transmise à l’air process via le rotor, même en présence de zones de purge.
3. Chaleur mécanique – générée par l’actionnement du rotor et des ventilateurs, l’énergie électrique se convertissant partiellement en chaleur.
4. Pertes thermiques à travers l’enveloppe – en cas d’isolation thermique insuffisante, une partie de la chaleur du secteur de régénération chaud peut pénétrer dans la zone d’air process.

Bien que la chaleur d’adsorption soit la principale source de charge thermique, la charge totale est déterminée par l’ensemble de tous les facteurs mentionnés. Conformément à la norme ASHRAE 62.1, qui définit les exigences de ventilation pour garantir la qualité de l’air intérieur, toutes les sources de chaleur doivent être prises en compte lors du calcul du bilan thermique global du système.

Méthodologie de calcul par bilan massique d’humidité

Le calcul de la charge thermique par bilan massique d’humidité s’effectue selon l’algorithme suivant :

Étape 1 : Déterminer les paramètres de l’air à l’entrée et à la sortie du déshumidificateur. Cela inclut la température et la teneur en humidité, déterminées à l’aide du diagramme psychrométrique ou de tables de calcul. Conformément à l’EN ISO 16484, qui régit l’automatisation et le contrôle des systèmes techniques du bâtiment, ces paramètres doivent être clairement définis et contrôlés.

Étape 2 : Calculer le débit massique d’air sec. Si le débit volumique est connu, le débit massique se déduit via la densité de l’air, laquelle dépend de sa température et de sa pression.

Étape 3 : Déterminer la quantité d’humidité éliminée. La masse d’eau extraite est égale au produit du débit massique d’air sec par la différence de teneur en humidité entre l’entrée et la sortie du déshumidificateur.

Étape 4 : Calculer la chaleur d’adsorption. La chaleur d’adsorption est obtenue en multipliant la masse d’eau éliminée par la chaleur spécifique d’adsorption. La chaleur spécifique d’adsorption dépend du type d’adsorbant : pour le gel de silice, elle est proche de la chaleur de condensation en raison de la similitude des énergies de liaisons intermoléculaires ; pour les tamis moléculaires, elle est plus élevée en raison de l’intensité des liaisons dans la structure cristalline.

Étape 5 : Déterminer l’élévation de température. L’élévation de température se calcule comme le rapport de la chaleur d’adsorption au produit du débit massique d’air et de la capacité calorifique de l’air.

Étape 6 : Déterminer la température réelle en sortie du déshumidificateur en tenant compte de toutes les sources de chaleur. Les contributions additionnelles dues à la régénération, à la chaleur mécanique et aux pertes sont évaluées sur la base des caractéristiques de conception ou fournies par le fabricant.

Il convient de noter qu’il s’agit d’une méthode simplifiée pour des évaluations préliminaires. Un calcul précis requiert des données du fabricant de l’équipement ou une modélisation plus avancée des processus.

Méthodologie de calcul par variation d’enthalpie de l’air

Le calcul par variation d’enthalpie de l’air est une approche plus précise, car il prend automatiquement en compte les variations à la fois de température et de teneur en humidité de l’air. L’enthalpie de l’air humide est la somme des enthalpies de l’air sec et de la vapeur d’eau qu’il contient.

L’enthalpie de l’air en sortie d’un déshumidificateur désiccant comprend l’enthalpie de l’air entrant plus la chaleur d’adsorption de l’humidité extraite. En conséquence, la charge thermique sur le système de refroidissement est égale au produit du débit massique d’air par la différence entre l’enthalpie après le déshumidificateur et l’enthalpie cible nécessaire pour l’air soufflé dans le local.

En formulation mathématique :

Q(refroidissement) = G(air) × [h(après le déshumidificateur) - h(cible)]

où Q(refroidissement) – charge thermique du système de refroidissement, G(air) – débit massique d’air, h(après le déshumidificateur) – enthalpie spécifique de l’air après le déshumidificateur, h(cible) – enthalpie spécifique cible de l’air soufflé dans le local.

À titre d’illustration : si, après le déshumidificateur désiccant, l’air a une enthalpie de 60 kJ/kg et que l’air soufflé dans le local doit avoir une enthalpie de 40 kJ/kg, alors, pour un débit massique de 1 kg/s, la charge de refroidissement sera de 20 kW. Toutefois, ces chiffres sont illustratifs et, dans un projet réel, sont déterminés sur la base des conditions d’exploitation, des paramètres du local et des caractéristiques de l’équipement. Ils ne peuvent pas être transposés à d’autres installations sans recalcul approprié.

La norme EN 15251, qui définit les critères d’ambiance intérieure pour la conception et l’évaluation de l’efficacité énergétique des bâtiments, recommande d’utiliser la méthode enthalpique pour un calcul précis des charges de climatisation.

Influence des paramètres de conception et d’exploitation

La charge thermique d’un déshumidificateur désiccant est influencée par les facteurs suivants :

1. Rapport des surfaces des secteurs d’adsorption et de régénération – une surface de régénération plus grande augmente le transfert thermique vers le flux process, mais améliore la remise en état de l’adsorbant. Le rapport optimal se détermine selon les exigences de profondeur de déshumidification et d’efficacité énergétique.
2. Température de l’air de régénération – une température plus élevée accélère la désorption, mais augmente le transfert thermique. Le gel de silice requiert des températures de régénération plus basses en raison d’une énergie de désorption moindre, les tamis moléculaires des températures plus élevées en raison de l’intensité des liaisons des molécules d’eau dans la structure de l’adsorbant.
3. Vitesse de rotation du rotor – influe sur le temps de contact de l’air avec l’adsorbant et sur l’efficacité du transfert de chaleur depuis le secteur de régénération. Si la rotation est trop rapide, l’adsorbant n’a pas le temps de se régénérer complètement ; si elle est trop lente, une sursaturation peut se produire dans le secteur d’adsorption.
4. Degré de saturation de l’adsorbant – un adsorbant plus saturé est moins efficace pour absorber l’humidité, mais il s’échauffe moins, car le processus d’adsorption ralentit.
5. Type de désiccant – les adsorbants présentent des chaleurs d’adsorption différentes en raison des différences d’énergie de liaison, de structure poreuse et de stabilité thermique.
6. Présence de secteurs de refroidissement – des secteurs dédiés au refroidissement du rotor avant l’entrée dans la zone d’adsorption permettent de réduire la température de l’air en sortie.

Il est important de comprendre que tous ces paramètres sont interdépendants et que leur influence ne peut pas être exprimée par de simples coefficients. Une détermination précise requiert des caractéristiques fournies par le fabricant ou une modélisation spécialisée.

Intégration du déshumidificateur dans le système de ventilation et de climatisation

Examinons deux options principales d’intégration d’un déshumidificateur désiccant dans un système de ventilation et de climatisation :

Si le déshumidificateur est installé après le refroidisseur :

• L’air est déjà partiellement déshumidifié par condensation, la charge sur l’adsorbant est donc moindre
• La température après la déshumidification sera plus élevée que la température après le refroidisseur ; un étage de refroidissement supplémentaire est nécessaire
• Avantages : réduction de la charge sur le déshumidificateur, surface d’adsorption plus faible
• Inconvénients : schéma plus complexe, équipements supplémentaires

La charge thermique est alors égale au produit du débit massique d’air par la différence d’enthalpie entre l’air après le déshumidificateur et l’air soufflé dans le local.

Si le déshumidificateur est installé avant le refroidisseur :

• Le déshumidificateur traite un air chaud et humide ; l’intégralité de l’élévation de température est compensée par le refroidisseur suivant
• La puissance du refroidisseur doit être significativement plus élevée pour compenser la chaleur d’adsorption
• Avantages : schéma simple, toute l’élévation de température est compensée par un seul refroidisseur
• Inconvénients : puissance de refroidissement plus élevée, charge accrue sur l’adsorbant

Le choix de la configuration dépend des paramètres d’air cibles, des exigences d’efficacité énergétique, du budget du projet et de l’espace disponible pour les équipements. La décision finale doit se fonder sur une analyse technico-économique des options, et non sur une règle universelle.

Conformément à l’EPBD (Energy Performance of Buildings Directive), le choix de la configuration optimale des systèmes de ventilation et de climatisation doit tenir compte de leur efficacité énergétique, laquelle dépend directement de l’intégration correcte des déshumidificateurs désiccants.

Erreurs d’ingénierie typiques et idées reçues

Lors de la conception de systèmes avec déshumidificateurs désiccants, les erreurs suivantes sont fréquentes :

1. Supposer un processus isoenthalpique – certains ingénieurs considèrent à tort que le processus d’adsorption se déroule sans variation d’enthalpie. Cela conduit à sous-estimer la charge thermique, car la chaleur d’adsorption est ignorée. Le degré de sous-estimation dépend de la quantité d’humidité extraite : plus on élimine d’eau, plus la chaleur libérée est importante, et plus l’erreur de calcul est grande.
2. Utiliser des formules empiriques pour les déshumidificateurs à condensation – en déshumidification par condensation, l’élévation de température est de 2 à 3 degrés en raison de la différence entre chaleur sensible et latente, alors qu’en adsorption elle est nettement plus élevée du fait de la chaleur d’adsorption libérée. L’approche correcte consiste à utiliser la méthodologie décrite aux sections 4 et 5.
3. Ignorer l’influence de l’air de régénération – la charge thermique supplémentaire due au transfert de chaleur depuis le secteur de régénération peut représenter une part significative de la charge totale, en particulier à des températures de régénération élevées et en cas de conception imparfaite du rotor. Cette charge doit être prise en compte conformément à la méthodologie de la section 3.
4. Mauvaise estimation des paramètres après le déshumidificateur – les paramètres d’air après le déshumidificateur sont souvent déterminés de manière imprécise, ce qui engendre des erreurs dans le calcul de la puissance de refroidissement nécessaire. Pour une évaluation précise, il faut utiliser le diagramme psychrométrique ou un logiciel spécialisé.
5. Absence de compensation dans le bilan thermique – la charge thermique du déshumidificateur n’est souvent pas prise en compte dans le bilan thermique global du local. Sa part dans la charge totale dépend des conditions climatiques, des exigences microclimatiques et de la conception du bâtiment.
6. Utilisation de données catalogues sans préciser les conditions d’essai – les caractéristiques des déshumidificateurs indiquées dans les catalogues correspondent à des conditions d’essai spécifiques, susceptibles de différer des conditions réelles d’exploitation. Il est nécessaire de recalculer pour les conditions spécifiques ou de consulter le fabricant.

Limites d’application de la méthodologie et cas particuliers

Les méthodologies de calcul de la charge thermique présentées comportent certaines limites :

1. Limites de température – à basse température, la diffusion des molécules d’eau ralentit et l’efficacité de l’adsorption diminue ; à haute température, la capacité d’adsorption décroît pour des raisons thermodynamiques. Les seuils dépendent du type d’adsorbant : pour le gel de silice, l’efficacité chute sensiblement en dessous de 5°C en raison du ralentissement de la diffusion et au-dessus de 60°C en raison de la diminution de la capacité d’adsorption ; toutefois, ces valeurs ne constituent pas des limites absolues et peuvent varier selon les conditions.
2. Humidités extrêmes – à très faible humidité relative, l’efficacité de l’adsorption diminue en raison d’une différence insuffisante de pressions partielles ; à très forte humidité, une condensation peut survenir dans les pores de l’adsorbant. Dans les deux cas, les processus physiques s’écartent des modèles standards.
3. Systèmes à régénération partielle – si l’adsorbant n’est pas régénéré complètement, l’accumulation d’humidité résiduelle modifie le bilan thermique et l’efficacité de l’adsorption. La méthodologie standard ne tient pas compte de ces effets.
4. Systèmes avec refroidissement intégré – certains déshumidificateurs désiccants modernes intègrent des sections de refroidissement, dont les flux thermiques internes sont difficiles à prendre en compte avec des méthodes standard.
5. Systèmes désiccants liquides – ces systèmes utilisent des solutions salines (LiCl, CaCl2) au lieu d’adsorbants solides, ce qui change fondamentalement la physique du processus et la méthodologie de calcul de la charge thermique.

Dans tous ces cas, une analyse spécialisée, une modélisation mathématique ou des consultations avec les fabricants d’équipements sont nécessaires pour évaluer précisément la charge thermique.

FAQ (Questions fréquentes)

De combien de degrés la température augmente-t-elle après le déshumidificateur ?

L’augmentation de température dépend de la quantité d’humidité extraite, du type d’adsorbant et du régime de régénération. En règle générale, l’élévation de température peut être estimée via le rapport de la chaleur d’adsorption à la capacité calorifique de l’air. Pour le gel de silice, lors de l’extraction de 1 g d’eau par 1 kg d’air, la température augmente d’environ 2 à 3°C, ce qui s’explique par la libération d’une chaleur d’adsorption d’environ 2500 kJ/kg pour une capacité calorifique de l’air d’environ 1 kJ/(kg·°C). Toutefois, cette estimation est approximative et dépend des conditions d’exploitation concrètes.

Peut-on simplement augmenter la puissance du climatiseur ?

Oui, c’est une mesure nécessaire, mais elle a des conséquences sur les coûts d’investissement et d’exploitation. L’augmentation de la puissance du refroidisseur exige des investissements plus élevés dans l’équipement et accroît la consommation d’énergie. Des approches alternatives incluent : l’utilisation d’échangeurs pour un pré-refroidissement, l’optimisation de la conception du déshumidificateur pour réduire le transfert thermique depuis le secteur de régénération, l’utilisation d’un système de récupération de chaleur ou l’optimisation des modes de fonctionnement.

Comment minimiser la charge thermique ?

Pour minimiser la charge thermique, on peut appliquer les mesures suivantes :

• Utilisation de secteurs de refroidissement dans le rotor
• Optimisation de la température de régénération en fonction de la profondeur de déshumidification requise
• Application d’un pré-refroidissement de l’air en amont du déshumidificateur
• Choix d’un adsorbant à chaleur d’adsorption plus faible
• Optimisation de la vitesse de rotation du rotor

L’effet de ces mesures dépend des conditions d’exploitation spécifiques et doit être évalué individuellement pour chaque système.

Le calcul diffère-t-il pour le gel de silice et les tamis moléculaires ?

Oui, le calcul diffère en raison de la chaleur d’adsorption. Les tamis moléculaires ont une chaleur d’adsorption plus élevée que le gel de silice en raison de l’intensité des liaisons dans la structure cristalline. Cela s’explique par la nature différente des interactions intermoléculaires : dans le gel de silice, les liaisons hydrogène, relativement faibles, prédominent, tandis que dans les tamis moléculaires, les interactions ioniques, plus fortes, dominent. En conséquence, pour une même quantité d’humidité éliminée, les tamis moléculaires provoquent une élévation de température plus importante.

Qu’est-ce qui est préférable : déshumidificateur avant ou après le refroidisseur ?

Il n’existe pas de réponse universelle. Le choix dépend des exigences spécifiques relatives aux paramètres de l’air, à l’efficacité énergétique et au budget du projet. Installer le déshumidificateur après le refroidisseur réduit la charge sur l’adsorbant mais exige un refroidissement supplémentaire. L’installer avant le refroidisseur simplifie le schéma, mais requiert une puissance de refroidissement plus élevée. La solution optimale se détermine par une analyse technico-économique propre à chaque site.

Faut-il un calcul séparé pour chaque mode de fonctionnement ?

Oui, car la charge thermique varie sensiblement selon le mode de fonctionnement. Il faut réaliser des calculs pour les modes représentatifs d’exploitation : humidité maximale et minimale, différentes conditions de température, charge totale et partielle. Une attention particulière doit être portée aux modes qui génèrent la charge la plus élevée sur le système de refroidissement.

Quelle est la précision du calcul ?

La méthode simplifiée par bilan massique d’humidité présente une erreur de 10 à 20 %, selon la prise en compte des sources de chaleur additionnelles. La méthode enthalpique, plus précise, a une erreur de 5 à 10 % sous réserve de la fiabilité des données d’entrée. Pour la conception finale de systèmes critiques, il est recommandé d’utiliser les données du fabricant ou une modélisation spécialisée. Il est également important de prévoir la possibilité d’ajuster le système de refroidissement pour compenser les écarts entre calculs et mesures réelles.

Conclusions

1. Les déshumidificateurs désiccants augmentent toujours la température de l’air en raison de la libération de la chaleur d’adsorption. Il s’agit d’une propriété physique fondamentale qui ne peut pas être supprimée, seulement compensée.
2. La charge thermique des déshumidificateurs désiccants peut représenter une part significative de la charge thermique totale du système de climatisation. Ignorer ce facteur est une erreur critique, entraînant une puissance de refroidissement insuffisante et une surchauffe des locaux.
3. Le calcul de la charge thermique s’effectue selon deux méthodes : par bilan massique d’humidité (pour les évaluations préliminaires) et par variation d’enthalpie (pour la conception détaillée). Les deux méthodes doivent prendre en compte toutes les sources de chaleur pour minimiser l’erreur.
4. Le choix de la configuration du système (position du déshumidificateur par rapport au refroidisseur) influence la répartition des charges thermiques. La solution optimale résulte de l’analyse du projet spécifique ; il n’existe pas d’option universelle.
5. Il existe un ensemble de mesures techniques pour minimiser la charge thermique, chacune avec ses avantages et ses inconvénients. Le choix doit se fonder sur une analyse technico-économique.
6. La précision des calculs dépend fortement de la qualité des données d’entrée. Pour les projets critiques, il est recommandé d’utiliser des données d’essais, une modélisation spécialisée et de prévoir des marges de puissance.
7. La méthodologie présentée comporte des limites dans des conditions d’exploitation extrêmes et pour des types d’équipements spécifiques. Dans ces cas, une analyse spécialisée est nécessaire.

La prise en compte correcte de la charge thermique des déshumidificateurs désiccants est une condition indispensable à une conception de qualité des systèmes de climatisation. L’ingénieur doit maîtriser la méthodologie de calcul, comprendre la physique des processus, utiliser des données vérifiées et évaluer de manière critique les résultats obtenus.