Auteur : département technique Mycond
La température est l’un des paramètres les plus critiques après l’humidité, influençant l’efficacité des systèmes de déshumidification de l’air. Ce facteur a des effets multiples sur la performance, la consommation d’énergie et les dépenses d’investissement des systèmes de déshumidification. Historiquement, la compréhension des dépendances à la température a évolué d’observations empiriques simples vers des modèles mathématiques complexes, permettant de mieux prédire le comportement des systèmes dans des conditions variées.
La température sert de passerelle entre la connaissance théorique et la conception ingénierique pratique. Une bonne prise en compte des facteurs thermiques permet d’optimiser significativement les indicateurs économiques des systèmes de déshumidification, en réduisant à la fois les coûts d’investissement et d’exploitation. Par exemple, abaisser la température de l’air de procédé de 5°C peut améliorer l’efficacité des déshumidificateurs par adsorption de 20 à 30%, tandis qu’augmenter la température de l’évaporateur d’un déshumidificateur frigorifique de 5°C peut accroître son COP de 10 à 15%.
Fondements théoriques des dépendances à la température
La thermodynamique de l’air humide repose sur des lois fondamentales régissant le comportement de la vapeur d’eau. La pression partielle de vapeur est un paramètre clé, variant en fonction de la température et de la teneur en humidité. À 21°C (70°F) et 50% d’humidité relative, la pression partielle de vapeur d’eau est d’environ 0,95 pouce de mercure (inHg), ce qui a une importance critique pour la conception des systèmes de déshumidification.
L’équation de Clausius-Clapeyron décrit la dépendance de la pression de vapeur saturante à la température et fournit une base mathématique pour les calculs des systèmes de déshumidification. Cette équation peut s’écrire :
ln(p₂/p₁) = (ΔHvap/R) × (1/T₁ - 1/T₂)
où p₁ et p₂ sont les pressions de vapeur saturante aux températures T₁ et T₂, ΔHvap l’enthalpie de vaporisation de l’eau, R la constante universelle des gaz.
Le diagramme psychrométrique illustre visuellement les processus thermiques dans les coordonnées enthalpie-taux d’humidité. Les lignes d’isothermes de ce diagramme permettent de déterminer comment l’état de l’air évolue selon les différents traitements. L’enthalpie de l’eau à 0°F est d’environ 1061 BTU par livre, ce qui explique la signification physique de la chaleur libérée lors de la condensation et absorbée lors de l’évaporation.
Les diagrammes d’équilibre des déshumidificateurs montrent le cycle complet d’adsorption-désorption avec les points de transition de température entre les états. Pour les sites d’altitude, il est important de tenir compte de l’effet de la pression atmosphérique réduite sur les dépendances thermiques, car la baisse de la pression totale modifie les points de rosée et l’humidité relative pour des valeurs absolues d’humidité identiques.
Déshumidificateurs frigorifiques à condensation et température
Les déshumidificateurs frigorifiques fonctionnent sur le principe de la condensation – refroidir l’air en dessous de son point de rosée. La température de l’évaporateur est un paramètre clé déterminant la performance de ces systèmes. La limite critique de fonctionnement se situe autour de +5°C, au-dessous de laquelle existe un risque de givrage des échangeurs. La formation de glace sur l’évaporateur impose des cycles de dégivrage, réduisant fortement l’efficacité globale du système.
Le coefficient de performance (COP) des déshumidificateurs frigorifiques dépend directement de la température et se définit comme le rapport du froid utile à l’énergie consommée. Les valeurs typiques de COP varient de 0,1 à 0,6 selon les conditions de température d’exploitation. Les études montrent que, pour un système conventionnel en conditions estivales (température extérieure 33°C/92°F, intérieure 24°C/75°F), le COP est d’environ 0,231.
Une hausse de la température de l’évaporateur de 3°C (5°F) peut augmenter le COP de 10 à 15%. Les courbes de performance montrent une dépendance non linéaire du COP à la température ambiante, avec un optimum dans la plage 15-25°C.
Les variations saisonnières de performance des déshumidificateurs frigorifiques peuvent atteindre 30 à 50% entre l’été et l’hiver. Par exemple, un système d’une capacité de 100 litres par jour à 25°C peut voir sa capacité chuter à 60-70 litres par jour à 5°C.
La température du point de rosée a une importance ingénierique critique. Pour de l’air à 21°C (70°F) et 50% HR, le point de rosée est d’environ 10°C (50°F), ce qui signifie que la condensation se produit lorsque les surfaces sont refroidies à cette température. Cela peut entraîner la corrosion des équipements, la croissance microbiologique et la dégradation des structures.
Les points de rosée minimaux accessibles pour les systèmes frigorifiques sont limités par la température de l’évaporateur et se situent typiquement entre -5°C et +5°C. Travailler avec un évaporateur à +10°C au lieu de +5°C peut réduire la capacité de 15% mais augmenter le COP de 25%, ce qui se traduit par une économie d’énergie globale.
Déshumidificateurs dessiccants par adsorption
Dans les déshumidificateurs par adsorption, on observe une dépendance inverse à la température de l’air de procédé – une température plus basse assure une meilleure efficacité d’extraction de l’humidité. À une température d’entrée de 21°C (70°F), le système peut abaisser l’humidité jusqu’à 13 grains par livre en sortie, tandis qu’en réduisant la température d’entrée à 18°C (65°F), l’humidité en sortie descend à 9 grains par livre.
Physiquement, cela s’explique par le fait qu’un dessiccant froid présente une pression de vapeur de surface plus faible, créant un gradient plus important pour le transfert d’humidité depuis l’air. Chaque baisse de 3°C (5°F) dans la plage 15-27°C (60-80°F) peut améliorer l’élimination d’humidité de 20 à 30%.
L’avantage clé des systèmes par adsorption se manifeste à des températures inférieures à +5°C, là où les systèmes frigorifiques deviennent inefficaces. Les déshumidificateurs dessiccants conservent une forte efficacité même à des températures négatives, ce qui les rend idéaux pour les chambres froides et les locaux non chauffés en hiver.
La température de régénération est un paramètre critique pour les déshumidificateurs par adsorption. Pour une désorption efficace de l’eau de la surface du dessiccant, une température élevée est nécessaire afin d’augmenter la pression de vapeur à la surface du matériau au-dessus de celle de l’air ambiant. Les plages de régénération typiques vont de 50°C à 90°C (120-200°F) selon le type de dessiccant.
Les différents types de dessiccants ont des exigences de température différentes :
- Gel de silice : régénération à 50-65°C (120-150°C), température maximale admissible jusqu’à 150°C (300°F)
- Tamis moléculaires : régénération à 65-80°C (150-180°C)
- Chlorure de lithium : température 65-90°C (150-200°C) avec régénération complète obligatoire
À une température de régénération de 88°C (190°F) et pour un air de procédé d’entrée à 18°C (65°F) avec une humidité de 95 grains par livre, le système délivre 27 grains par livre en sortie. Une baisse de la température de régénération à 77°C (170°F) conduit à la nécessité d’augmenter la taille de l’équipement ou d’accepter une baisse de performance.
La hausse de la température de l’air de procédé après déshumidification résulte de la chaleur d’adsorption (1061 BTU par livre d’eau) et de la chaleur résiduelle de régénération. L’élévation typique est de 10 à 20°C (20-40°F) selon la quantité d’humidité extraite. Par exemple, un air d’entrée à 21°C (70°F) avec 55 grains par livre atteindra en sortie environ 38°C (100°F) et 13 grains par livre après déshumidification.
Courbes de performance en fonction de la température et calculs pratiques
Les courbes de performance des déshumidificateurs sont tracées dans les coordonnées température–humidité–vitesse d’air. Pour un système Honeycombe® d’une surface de 7,5 pieds carrés, un débit de 3000 CFM à une vitesse de 400 FPM et une régénération à 88°C (190°F), on peut déterminer la performance à partir des graphiques appropriés.
Pour les calculs pratiques, on utilise des coefficients de correction de température, présentés dans des tableaux et graphiques pour différentes températures. Pour des valeurs intermédiaires, on applique l’interpolation.
Exemples de dimensionnement typiques pour différentes applications :
- Entrepôt : température 20°C et 60% HR
- Piscine : température 28°C et 60% HR
- Production pharmaceutique : température 22°C et 30% HR
- Chambre froide : température +2°C pour contrôler la condensation
Variation saisonnière des températures et conception
Le profil de température annuel a un impact significatif sur l’efficacité des systèmes de déshumidification. Les pics estivaux se caractérisent par une charge d’humidité maximale à températures élevées, le minimum hivernal par un air froid et sec avec baisse de charge, tandis que les saisons intermédiaires offrent des conditions optimales pour un fonctionnement économe en énergie.
L’adaptation des systèmes frigorifiques aux variations saisonnières inclut la prévention du sur-refroidissement en hiver, la modulation de puissance et le contrôle de la température du condenseur par basses températures extérieures.
Pour les systèmes par adsorption, une correction de la puissance des chauffages de régénération est nécessaire pour l’hiver. Le bilan énergétique est déterminé par la formule : scfm × 1,08 × ΔT = constante. Par exemple, si l’air entrant est à 33°C (92°F) en été et à 0°C (32°F) en hiver, une puissance de chauffage supplémentaire est nécessaire pour les conditions hivernales.
L’optimisation économique saisonnière inclut la prise en compte du coût de l’énergie selon les saisons, la planification des charges en fonction des conditions thermiques et le basculement entre différents modes de fonctionnement.
Intégration thermique des systèmes et solutions écoénergétiques
La régénération multi-étagée séquentielle permet de retirer 70-80% de l’humidité avec de la chaleur à basse température (80-100°C), puis d’effectuer l’assèchement final avec de la chaleur à plus haute température (65-80°C). Cela procure une économie notable, la chaleur basse température étant généralement moins coûteuse.
La chaleur fatale issue des condenseurs des groupes frigorifiques, des systèmes de cogénération ou des procédés peut être utilisée pour la régénération des dessiccants. Des échangeurs air-air et air-eau permettent d’exploiter efficacement cette chaleur.
Le pré-refroidissement avant adsorption est pertinent par fortes températures estivales. Par exemple, en confiserie, un air à 33°C (91°F) et 146 grains par livre peut être refroidi à 18°C (65°F) et 92 grains par livre avant l’envoi vers un déshumidificateur par adsorption.
Le post-refroidissement de l’air de procédé est nécessaire dans les systèmes de confort, où la hausse de température après déshumidification par adsorption peut être indésirable. La charge de post-refroidissement peut être calculée par la formule standard du bilan thermique.
Stratégies de conception thermique selon les applications
Pour les piscines, la température d’air optimale est de 28-30°C, celle de l’eau de 26-28°C, avec une humidité relative élevée de 60-70%. Le choix entre systèmes frigorifiques et par adsorption dépend des conditions de température et des facteurs économiques.
Les entrepôts et la logistique présentent une large plage de températures de -20°C à +30°C. Dans les entrepôts froids, la préférence va aux systèmes par adsorption pour prévenir la condensation sur les marchandises froides.
La production pharmaceutique exige des tolérances de température strictes (20-25°C ±2°C) et une faible humidité relative (30-40% HR). Les systèmes par adsorption à contrôle de précision garantissent la stabilité requise de la température et de l’humidité.
Dans l’industrie agroalimentaire, il est important de considérer l’interdépendance entre température, humidité et qualité des produits. Le séchage à basse température (20-25°C) permet de préserver les propriétés des produits, par exemple pour le séchage du poisson.
Fuites d’air et gradients de température
Les fuites entre le procédé et la régénération constituent un problème mécanique dans les systèmes rotatifs. Par exemple, 500 CFM d’air de procédé plus 20 CFM de fuite à 120 grains par livre entraînent une dégradation de l’humidité de sortie de 1 à 5,5 grains par livre. Les dilatations thermiques affectent l’étanchéité ; il faut donc concevoir correctement les joints et contrôler les différentiels de pression.
La stratification thermique dans le lit de dessiccant provoque une non-uniformité de température en profondeur, ce qui affecte l’efficacité d’adsorption. L’optimisation de la profondeur du lit et de la vitesse d’écoulement permet de minimiser cet effet.
Le transfert de la chaleur résiduelle à travers la masse de dessiccant et sa capacité thermique impose de refroidir le dessiccant avant son retour au procédé. Dans les systèmes rotatifs, des sections de refroidissement dédiées sont prévues à cet effet.
Instrumentation et contrôle de la température
Les systèmes de déshumidification sont équipés de différents types de capteurs de température : thermocouples, thermistances, RTD. Les capteurs sont placés à l’entrée et à la sortie du procédé, dans le circuit de régénération et directement sur le dessiccant.
La compensation en température dans les algorithmes de contrôle est assurée par une régulation PID avec corrections thermiques. Le pilotage prédictif basé sur les prévisions de température et les algorithmes adaptatifs permettent de prendre en compte les variations saisonnières.
Des seuils d’alarme de température sont définis pour protéger le dessiccant contre la surchauffe et éviter le givrage des systèmes frigorifiques. Des systèmes d’alarme et d’arrêt automatique se déclenchent en cas de dépassement des limites.
Erreurs de conception typiques et leurs conséquences
Sous-estimer les variations saisonnières en ne dimensionnant que pour les pics estivaux conduit à une puissance de chauffage de régénération insuffisante en hiver. Il en résulte une baisse de performance pendant la période froide. Pour éviter cette erreur, il faut réaliser un calcul de charge annuel.
Un mauvais choix de la température de régénération (trop basse ou trop élevée) entraîne une régénération incomplète, une dégradation de la performance ou un gaspillage d’énergie. Il faut tenir compte du type de dessiccant pour choisir la température et consulter les fabricants.
Ignorer la température du point de rosée peut provoquer de la condensation dans les conduits des systèmes froids, de la corrosion et des problèmes microbiologiques. La méthode d’évitement consiste à calculer le point de rosée pour toutes les zones du système.
L’absence de contrôle de la température de l’évaporateur entraîne le givrage des déshumidificateurs frigorifiques, une baisse de performance et une consommation d’énergie accrue. La solution est un contrôle automatique de la température de l’évaporateur.
Technologies et recherches futures
Des dessiccants de nouvelle génération à basse température, régénérables à 60-80°C, sont en développement ; ils permettent d’utiliser des sources d’énergie renouvelables, telles que des capteurs solaires, pour la régénération.
Des agents frigorigènes améliorés permettent un fonctionnement à des températures d’évaporation plus basses, un COP plus élevé dans diverses conditions de température et une meilleure sécurité environnementale.
Des stratégies hybrides en température combinent les méthodes frigorifiques et par adsorption avec commutation automatique en fonction de la température et optimisation selon le coût de l’énergie en temps réel.
Foire aux questions (FAQ)
Pourquoi les déshumidificateurs frigorifiques ne fonctionnent-ils pas à des températures inférieures à +5°C et quelles alternatives existent pour les locaux froids ?
Les déshumidificateurs frigorifiques cessent d’être efficaces en dessous de +5°C à cause du givrage de l’évaporateur. Lorsque la température passe sous le point de congélation, l’eau se condense sous forme de glace sur la surface de l’évaporateur, ce qui bloque l’écoulement d’air et l’échange thermique. La température critique se calcule à partir de l’équilibre entre la vitesse de condensation de l’humidité et la capacité du système de dégivrage à éliminer la glace. Pour les locaux froids, l’alternative optimale est le système par adsorption, qui conserve une haute efficacité même à des températures négatives jusqu’à -20°C. Des solutions hybrides sont également utilisées : le pré-assèchement est réalisé par adsorption, puis l’affinage par un système frigorifique opérant dans sa plage de température optimale.
Comment déterminer la température de régénération optimale pour un déshumidificateur à gel de silice et pourquoi ne pas utiliser la température maximale possible ?
La température de régénération optimale pour les déshumidificateurs au gel de silice se situe entre 50 et 65°C (120-150°C). Elle se détermine par un équilibre entre l’efficacité de désorption et les dépenses énergétiques. Utiliser la température maximale possible (jusqu’à 150°C/300°F) est défavorable pour plusieurs raisons : 1) Au-delà de l’optimum, le gain de performance devient minime alors que la consommation énergétique augmente fortement ; 2) Une température élevée accélère le vieillissement du dessiccant, réduisant sa durée de vie de 30 à 50% ; 3) Les coûts d’isolation et de matériaux spéciaux pour les composants haute température augmentent. Une solution efficace est la régénération en étapes, où 70-80% de l’humidité est éliminée à des températures plus basses (50-60°C), et la régénération finale se fait à des températures plus élevées (60-65°C).
Faut-il toujours refroidir l’air avant un déshumidificateur par adsorption et comment calculer le point de rentabilité ?
Le pré-refroidissement avant un déshumidificateur par adsorption n’est pas toujours nécessaire, mais peut être rentable par fortes températures estivales. Le point de rentabilité se calcule en comparant les dépenses supplémentaires de refroidissement aux bénéfices liés à l’amélioration de l’efficacité de déshumidification. Le calcul inclut : 1) La détermination du gain d’efficacité d’adsorption lors de l’abaissement de la température d’entrée de l’air (environ 4-6% par degré Celsius) ; 2) Le calcul de l’énergie de refroidissement (environ 0,1 kWh par m³/h d’air pour une baisse de 5°C) ; 3) La comparaison avec l’énergie nécessaire à la régénération de l’humidité supplémentaire. Par exemple, pour un système de 1000 m³/h abaissant la température de 30°C à 25°C, l’efficacité augmente de 20-25%, les dépenses de refroidissement sont d’environ 20 kWh, ce qui est rentable si le coût de l’énergie de régénération dépasse 0,15 €/kWh. En hiver, le pré-refroidissement est généralement inopportun en raison de la basse température de l’air extérieur.
Comment la température de l’air extérieur impacte-t-elle la consommation d’énergie des différents types de systèmes de déshumidification sur l’année ?
La température de l’air extérieur influe fortement sur les profils annuels de consommation d’énergie des déshumidificateurs. Les systèmes frigorifiques présentent leur meilleure efficacité énergétique entre 15 et 25°C, avec dégradation des performances à la baisse comme à la hausse des températures. En dessous de +5°C, leur COP peut diminuer de 40-50%, et au-dessus de +35°C de 25-30%. Les systèmes par adsorption ont une tendance inverse : pour l’air de procédé, ils sont plus efficaces à basse température, mais nécessitent davantage d’énergie de régénération en hiver à cause de la température d’air plus basse à l’entrée du chauffage. Le profil annuel typique pour la France montre un pic de consommation d’énergie des systèmes frigorifiques en été (juillet-août), tandis que les systèmes par adsorption culminent en hiver (décembre-février). Aux saisons intermédiaires (avril-mai, septembre-octobre), les deux technologies offrent un équilibre optimal entre performance et consommation. L’optimisation économique se fait via la programmation du fonctionnement selon les variations journalières et saisonnières des tarifs d’électricité.
Quelle différence d’efficacité (COP) entre systèmes frigorifiques et par adsorption à +5°C, +15°C, +25°C et +35°C ?
L’efficacité comparative des systèmes de déshumidification dépend fortement de la température. À +5°C, les systèmes frigorifiques ont un COP autour de 0,2, opérant à la limite du givrage de l’évaporateur, tandis que les systèmes par adsorption conservent un COP proche de 0,5 (avec énergie thermique). À +15°C, les déshumidificateurs frigorifiques atteignent un COP de 0,4-0,45, les systèmes par adsorption 0,45. La température optimale pour les systèmes frigorifiques, +25°C, donne un COP de 0,5-0,6, alors que les systèmes par adsorption sont à 0,4. À +35°C, l’efficacité des systèmes frigorifiques diminue à 0,3-0,35 à cause de la forte condensation, tandis que les systèmes par adsorption montrent un COP stable de 0,35-0,4. Le point de bascule entre technologies se situe autour de +10-12°C : en dessous, l’adsorption est plus efficace ; au-dessus, le frigorifique l’emporte. Lors du choix du système, il est également important de considérer la disponibilité et le coût des différentes sources d’énergie : électricité pour les systèmes frigorifiques et énergie thermique pour les systèmes par adsorption.
Comment calculer correctement l’impact de la température sur l’extraction d’humidité pour un entrepôt à +18°C avec un point de rosée requis de -5°C ?
Pour un entrepôt à +18°C et un point de rosée requis de -5°C, on procède ainsi : 1) Déterminer la teneur en humidité de l’air dans les conditions données : à +18°C et un point de rosée de -5°C, l’humidité relative est d’environ 20%, soit une teneur d’environ 2,5 g/kg ; 2) Évaluer les conditions extérieures pour le calcul de charge : par exemple, pour Paris, l’air estival de calcul est à +32°C et 45% HR (teneur en humidité 13,5 g/kg) ; 3) Calculer l’élimination d’humidité requise : 13,5 - 2,5 = 11 g/kg ; 4) Choisir le type de système : pour un point de rosée de -5°C, un système par adsorption est requis, un système frigorifique ne pouvant atteindre une valeur si basse ; 5) Tenir compte des variations saisonnières : en hiver, la charge sera plus faible (air extérieur proche de 0°C et 80% HR avec environ 3 g/kg), mais l’efficacité d’adsorption augmente à basse température ; 6) Calculer la capacité nécessaire : pour un débit d’air de 1000 m³/h avec un retrait d’humidité de 11 g/kg, la capacité de déshumidification requise est de 11 kg/h soit 264 kg/jour. Pour maintenir un point de rosée stable à -5°C, il faut assurer une température de régénération d’au moins 70-80°C avec modulation selon les paramètres d’air en entrée.
Conclusions
La température est un facteur clé influençant l’efficacité des systèmes de déshumidification. Les systèmes frigorifiques sont optimaux entre 15 et 25°C, avec une limite de fonctionnement en dessous de +5°C et un COP dans la plage 0,2-0,6. Les systèmes par adsorption donnent de meilleurs résultats à basse température de procédé, avec des températures de régénération typiques de 50-90°C (120-200°C).
Le critère prioritaire pour le choix du type de déshumidification est la plage de températures d’exploitation. Il est également important de considérer les sources d’énergie disponibles et leurs paramètres thermiques, l’optimisation économique tenant compte des variations saisonnières, ainsi que les exigences technologiques sur la température finale de l’air.
Pour maximiser l’efficacité des systèmes de déshumidification, il faut : dimensionner le système pour toute la plage de températures du cycle annuel ; prévoir la modulation de la température de régénération ; utiliser la compensation en température dans les systèmes de contrôle ; planifier l’intégration thermique dès la conception ; contrôler le point de rosée dans tous les éléments du système.
L’efficacité économique des choix thermiques se réalise par un compromis optimal entre dépenses d’investissement et d’exploitation. Les investissements dans des solutions écoénergétiques, telles que l’intégration thermique, la récupération de chaleur et l’optimisation de la température, ont généralement un retour sur investissement de 2 à 3 ans.
Les axes d’amélioration prometteurs incluent le développement de systèmes intelligents s’adaptant aux conditions de température, l’intégration avec des systèmes de prévision météo et l’utilisation de l’intelligence artificielle pour optimiser les régimes thermiques.
