Auteur : service technique Mycond
La distribution hétérogène de l’humidité dans les locaux est l’un des principaux défis pour les systèmes de contrôle climatique. L’utilisation d’un seul capteur pour surveiller un grand volume conduit souvent à des erreurs critiques dans le fonctionnement des systèmes de déshumidification. Même lorsque le capteur central indique un niveau d’humidité acceptable, de la condensation peut apparaître dans certaines zones et des problèmes liés à l’excès d’humidité peuvent survenir. Ce phénomène a des causes physiques, dont la compréhension aide à concevoir correctement le système de contrôle de l’humidité.
Mécanismes de transfert de masse de la vapeur d’eau dans l’air
La base de la compréhension de l’inhomogénéité de l’humidité dans un local réside dans la physique du transfert de masse de la vapeur d’eau. Deux mécanismes principaux gouvernent le déplacement de l’humidité : le transport convectif dû au mouvement des masses d’air et la diffusion moléculaire induite par un gradient de concentration.
Le transport convectif résulte du mouvement des masses d’air qui emportent la vapeur d’eau. Ce mécanisme est dominant dans les locaux ventilés et assure un échange rapide d’humidité entre les différentes zones. La vitesse d’égalisation de l’humidité dépend directement de l’intensité du renouvellement d’air et est déterminée par le taux de renouvellement du local.
La diffusion moléculaire se produit en raison des différences de concentration de vapeur d’eau même dans un air immobile. La vitesse de diffusion est décrite par la loi de Fick : J = -D × (dC/dx), où J est le flux d’humidité, D le coefficient de diffusion de la vapeur d’eau dans l’air, et dC/dx le gradient de concentration. Le coefficient de diffusion de la vapeur d’eau dans l’air est d’environ 2,4×10-5 m²/s à 20°C, mais il varie sensiblement avec la température.
La géométrie du local influe également de manière significative sur la structure des flux d’air. Dans des pièces à configuration complexe, des zones de stagnation se forment où le renouvellement d’air est nettement plus faible. Il en résulte des écarts locaux d’humidité par rapport aux valeurs moyennes, de l’ordre de 5 à 15 % d’humidité relative.
Stratification de l’air et gradient vertical de teneur en humidité
La stratification de l’air selon sa teneur en humidité est un facteur clé de l’inégalité d’humidité dans la direction verticale. La densité de l’air humide dépend de la température et de la teneur en humidité selon l’équation des gaz parfaits : ρ = P/(Rₐ × T) × (1 + d)/(1 + d × Rᵥ/Rₐ), où ρ – densité de l’air humide, P – pression, T – température, Rₐ et Rᵥ – constantes des gaz pour l’air sec et la vapeur d’eau, d – teneur en humidité.
Le profil vertical de teneur en humidité est façonné par les sources de chaleur et d’humidité situées à différentes hauteurs. L’air chaud et humide, plus léger, s’élève naturellement, créant un gradient vertical. Dans des locaux de 3 à 5 m de hauteur, ce gradient peut atteindre 3 à 7 % d’humidité relative par mètre de hauteur.
Une stratification stable apparaît lorsque l’air chaud et humide monte tandis que l’air froid et sec reste en bas. Ce phénomène est particulièrement marqué dans les locaux où des sources de chaleur se trouvent en zone basse ou lorsque le refroidissement est situé en partie supérieure. On peut briser la stratification par une ventilation forcée assurant une intensité de mélange suffisante.
Influence du système de ventilation et de la diffusion d’air sur l’uniformité des paramètres
Le système de ventilation et le mode de diffusion d’air influencent de manière critique l’uniformité de l’humidité. On distingue trois grands types de diffusion d’air:
1. Ventilation par mélange avec soufflage en partie haute – assure un mélange intense et une répartition uniforme de l’humidité dans le volume du local. Toutefois, dans les grands volumes ou en cas de taux de renouvellement insuffisant, des zones de stagnation peuvent se former.
2. Ventilation par déplacement avec soufflage en partie basse – crée un gradient vertical des paramètres, l’air se réchauffant et se chargeant progressivement en humidité en s’élevant. Ce type assure une haute qualité d’air dans la zone de travail, mais requiert un contrôle des paramètres à différentes hauteurs.
3. Schémas combinés – combinent des éléments de différents modes de diffusion d’air pour atteindre des paramètres optimaux dans les zones critiques.
Le taux de renouvellement d’air nécessaire pour garantir l’uniformité spécifiée peut être calculé via un bilan de transfert de masse : n = G/(V × (Cmax - Cmin)), où n – taux de renouvellement d’air, G – quantité d’humidité émise, V – volume du local, Cmax et Cmin – concentrations maximale et minimale admissibles d’humidité.
Il est important de comprendre qu’un taux de renouvellement élevé ne garantit pas l’uniformité si la diffusion d’air est mal organisée. Même avec 10 à 15 h⁻¹, des zones présentant des écarts d’humidité de 10 à 15 % par rapport aux valeurs moyennes peuvent se former.
Sources locales d’humidité et zones à risque accru
Dans les locaux, de nombreuses sources locales d’émission d’humidité créent des zones de forte humidité :
1. Surfaces d’eau ouvertes – piscines, récipients contenant un liquide, sols mouillés – créent des zones d’humidité accrue sur un rayon de 2 à 5 m selon la surface d’évaporation et la température.
2. Procédés technologiques avec évaporation – forment des zones locales d’humidité élevée avec une concentration dépassant la moyenne de 15 à 30 %.
3. Personnes – par la respiration et la transpiration, émettent 40 à 100 g d’humidité par heure, créant une hausse locale de l’humidité dans un rayon de 1 à 2 m.
Une attention particulière doit être portée aux surfaces froides – parois, équipements frigorifiques, canalisations. De la condensation peut s’y former même lorsque l’humidité moyenne est normale si leur température est inférieure au point de rosée pour la concentration locale d’humidité.
L’interaction entre les sources locales et la ventilation générale est déterminée par l’efficacité d’évacuation des polluants, laquelle dépend de l’emplacement des bouches de soufflage et d’extraction par rapport aux sources d’humidité.
Méthodologie de détermination du nombre et de l’implantation des capteurs d’humidité
Le bon placement des capteurs d’humidité exige une approche systémique. Voici une méthodologie pas à pas :
1. Analyse du plan du local et identification de toutes les sources d’émission d’humidité et des surfaces froides.
2. Détermination du type de système de ventilation et des directions des flux d’air principaux.
3. Délimitation des zones caractéristiques : zone de ventilation active, zone d’équipements technologiques, zone potentielle de stagnation, zone à proximité des surfaces froides.
4. Pour chaque zone, déterminer la nécessité d’un capteur dédié : si la zone comporte une source locale d’humidité ou une surface froide, ou si la distance à la zone de ventilation active dépasse la longueur caractéristique de mélange (environ 5 à 10 m pour des locaux typiques), alors un capteur séparé est requis.
5. Détermination de la hauteur d’installation du capteur : pour les locaux avec ventilation par mélange – à la hauteur de la zone de travail (1,5–1,8 m), pour les locaux avec ventilation par déplacement – à la hauteur de risque maximal de condensation, pour les entrepôts à plusieurs niveaux – à chaque niveau séparément.
6. Vérification qu’aucun capteur n’est installé directement près d’une bouche de soufflage ou d’extraction à une distance inférieure à trois diamètres de gaine ou à moins d’un mètre.
Erreurs typiques lors de la conception des systèmes de mesure de l’humidité
Lors de la conception des systèmes de mesure de l’humidité, les erreurs suivantes sont fréquentes :
1. Utiliser un seul capteur pour tout le volume du local, indépendamment de sa taille. Cela conduit à un contrôle erroné en raison de l’hétérogénéité spatiale. Dans des locaux de plus de 100 m², la différence d’humidité entre zones peut atteindre 15 à 25 %.
2. Placer le capteur directement dans le jet d’air soufflé ou extrait. Un tel capteur mesure les paramètres du soufflage ou de l’extraction, et non les paramètres moyens du local.
3. Ignorer la stratification thermique et placer le capteur à une hauteur qui ne correspond pas à la zone critique. La différence d’humidité selon la hauteur du local peut atteindre 5 à 15 %.
4. Absence de capteurs à proximité des surfaces froides, où le risque de condensation est le plus élevé.
5. Installer les capteurs uniquement dans des emplacements faciles d’accès sans tenir compte de la structure des flux d’air.
Conséquences opérationnelles d’un mauvais placement des capteurs
Un placement incorrect des capteurs conduit à de graves problèmes :
1. Le capteur est installé dans une zone d’échanges d’air actifs, indique une humidité normale (40–50 %), mais dans les zones de stagnation l’humidité est élevée (60–80 %) et de la condensation se produit. Conséquences : endommagement des produits, corrosion des structures, prolifération de micro-organismes.
2. Le capteur est placé près d’une source locale d’humidité, indique en permanence des valeurs élevées (60–70 %). Le système de déshumidification fonctionne à puissance maximale, ce qui entraîne une surconsommation d’énergie et un dessèchement excessif des autres zones (jusqu’à 20–30 %).
3. Le capteur est installé à une mauvaise hauteur, par exemple sous plafond dans un local ventilé par déplacement. Il affiche une humidité élevée (60–70 %), alors que dans la zone de travail elle est normale (40–50 %). Résultat – fonctionnement inutile du déshumidificateur.
Les écarts entre les indications du capteur et les paramètres réels dans les zones critiques peuvent atteindre 15 à 30 % d’humidité relative selon les conditions spécifiques.
Questions fréquentes (FAQ)
Pourquoi de la condensation se forme-t‑elle sur les murs alors que le capteur central indique des valeurs normales ?
Cela s’explique par l’hétérogénéité locale de l’humidité. Le capteur central peut indiquer un niveau d’humidité relative acceptable (par exemple 50–55 %), mais près des surfaces froides l’humidité relative peut être nettement plus élevée (70–80 %) en raison d’une température de l’air plus basse. Si la température de la surface est inférieure au point de rosée pour les conditions locales, une condensation se forme. Il faut installer des capteurs supplémentaires dans les zones à risque potentiel, en particulier près des surfaces froides.
Combien de capteurs faut-il installer dans un local de stockage ?
Le nombre de capteurs dépend de la surface, de la géométrie et des particularités du local. Pour un entrepôt de 1000 m² avec une hauteur de 6 m, le nombre minimal de capteurs peut être estimé par la formule : N = S/150 + H/3 + Z, où S – surface du local, H – hauteur, Z – nombre de zones de risque supplémentaires (murs froids, sources locales d’humidité). Pour l’exemple donné : N = 1000/150 + 6/3 + 2 ≈ 9 capteurs.
À quelle hauteur installer le capteur d’humidité ?
La hauteur d’installation dépend du type de ventilation. Pour la ventilation par mélange, la hauteur optimale est de 1,5–1,8 m du sol (niveau de la zone de travail). Pour la ventilation par déplacement, il est important de contrôler le profil vertical en installant des capteurs à différents niveaux : dans la zone de travail (1,5–1,8 m) et dans la zone à risque potentiel de condensation. Dans les locaux hauts (>5 m), il est recommandé d’installer des capteurs avec un pas de 2–3 m en hauteur.
Conclusions
Le bon placement des capteurs d’humidité n’est pas une exigence formelle, mais une nécessité d’ingénierie découlant de la physique du transfert de masse de la vapeur d’eau. Un nombre insuffisant de capteurs ou leur mauvais positionnement entraîne de graves problèmes : de la condensation et des dommages aux matériaux à la surconsommation d’énergie pour la déshumidification.
Principes clés pour assurer l’uniformité du contrôle de l’humidité :
- Analyser la structure des flux d’air avant de définir les points de contrôle
- Prendre en compte les sources locales d’humidité et les surfaces froides
- Ne pas économiser sur le nombre de capteurs lorsque cela est justifié par la taille et la complexité de l’objet
- Placer les capteurs à la hauteur optimale selon le type de ventilation
- Vérifier périodiquement la corrélation entre les indications des différents capteurs
Une approche globale du contrôle de l’humidité permet d’assurer des conditions optimales dans le local, de prévenir l’endommagement des matériaux et des équipements, et de minimiser la consommation d’énergie nécessaire au maintien du microclimat.
