Auteur : département technique Mycond
L’optimisation de l’empreinte carbone des systèmes de déshumidification de l’air devient un enjeu critique pour la conception de bâtiments modernes à haute efficacité énergétique. La compréhension des processus thermodynamiques et de leur impact sur les émissions de CO₂ permet aux ingénieurs de concevoir des systèmes de maîtrise de l’humidité au moindre impact environnemental. Cet article présente une méthodologie complète d’évaluation et de minimisation de l’empreinte carbone des différentes technologies de déshumidification, en tenant compte de leurs effets directs et indirects sur l’ensemble du système CVC.
Nature thermodynamique des émissions de CO₂ dans les processus d’élimination de l’humidité
Les émissions de dioxyde de carbone lors de la déshumidification de l’air ont une base thermodynamique. La chaleur latente de vaporisation de l’eau dépend de la température selon la formule : chaleur de vaporisation = 2501 - 2,38 × température (en kJ/kg). Cela signifie que, pour extraire chaque kilogramme d’humidité, le système doit franchir cette barrière énergétique.
Sur le diagramme psychrométrique enthalpie–teneur en humidité, les processus de déshumidification s’affichent comme un changement d’état de l’air : la méthode par condensation suppose un refroidissement en dessous du point de rosée, l’adsorption consiste à capter l’humidité par un sorbant, et la ventilation remplace l’air humide par un air plus sec.
L’énergie dépensée pour la déshumidification se transforme en émissions de CO₂ via le facteur de conversion en énergie primaire, qui vaut de 2,0 à 3,0 pour l’électricité et de 1,1 à 1,3 pour le gaz. L’intensité carbone de l’électricité (en grammes de CO₂ par kilowattheure) influe directement sur le volume des émissions.
Il est crucial de distinguer la consommation énergétique directe de l’équipement et son impact indirect sur le système CVC principal. Ignorer la charge additionnelle sur les groupes froids ou les chaudières conduit à sous-estimer les émissions de 40 à 80 %, ce qui fausse la comparaison entre technologies.
Profil énergétique et carbone de la déshumidification par condensation
La déshumidification par condensation repose sur le cycle thermodynamique d’une machine frigorifique. Le coefficient de performance (COP) de ces systèmes dépend fortement de la température de l’air et varie généralement de 1,5 à +5°C à 3,0 à +35°C. La consommation énergétique spécifique se calcule comme le rapport de la puissance électrique à la capacité d’extraction d’humidité.
Un aspect important est la chaleur dégagée par le condenseur dans le local, égale à la somme de la chaleur de vaporisation et de la puissance électrique. En mode estival, cela crée une charge supplémentaire sur le système de refroidissement du bâtiment, générant des émissions de CO₂ indirectes.
Les émissions directes dues au fluide frigorigène se calculent comme le produit de la masse des pertes par le potentiel de réchauffement global (PRG/GWP). La tendance actuelle est au passage à des frigorigènes à faible GWP, ce qui réduit sensiblement ce composant de l’empreinte carbone.
Profil énergétique et carbone de la déshumidification par adsorption
La déshumidification par adsorption comprend deux processus principaux : l’adsorption (absorption de l’humidité par un matériau en abaissant la pression partielle) et la régénération (chauffage de l’air à 120–180°C pour restaurer les propriétés de l’adsorbant).
La consommation énergétique spécifique pour la régénération tient compte du chauffage de l’air, de la chaleur de désorption et de l’efficacité de la récupération. Les sources d’énergie pour la régénération (résistance électrique, brûleur gaz, eau chaude, vapeur) ont des intensités carbone différentes, ce qui influence fortement l’empreinte carbone globale.
D’autres facteurs incluent les pertes de charge, qui augmentent la puissance des ventilateurs, ainsi que la possibilité de récupérer la chaleur en aval de l’adsorbeur ou, au contraire, une charge supplémentaire sur le système de refroidissement du bâtiment.
Profil énergétique et carbone de la déshumidification par ventilation
La déshumidification par ventilation s’appuie sur la psychrométrie des échanges d’air : l’air intérieur humide est remplacé par de l’air extérieur à plus faible teneur en humidité. L’adéquation climatique de la méthode se détermine par la part d’heures annuelles durant lesquelles la teneur en humidité de l’air extérieur est inférieure à celle de l’air intérieur.
La consommation d’énergie est liée au traitement thermique de l’air neuf : chauffage en période de chauffe et refroidissement en été. La récupération de chaleur permet de réduire cette charge à due proportion de l’efficacité du récupérateur (généralement de 0,5 à 0,85).
La consommation énergétique spécifique dépend de l’écart de température entre l’air extérieur et l’air intérieur. La comparaison avec la déshumidification mécanique permet d’identifier les limites de rentabilité de la méthode par ventilation.
Algorithme de choix technologique selon le critère des émissions minimales de CO₂
La méthodologie de sélection de la technologie de déshumidification optimale comprend les étapes suivantes :
- Déterminer la capacité annuelle d’extraction d’humidité à partir du bilan d’humidité
- Calculer la consommation énergétique spécifique pour chaque technologie
- Prendre en compte l’impact sur le système CVC principal
- Multiplier par le facteur de conversion en énergie primaire et l’intensité carbone
- Ajouter les émissions directes liées au fluide frigorigène (pour les systèmes par condensation)
- Sommer les émissions directes et indirectes
- Comparer l’empreinte carbone totale des différentes technologies
Conditions limites pour le choix de la technologie :
- Si la température de l’air est inférieure à 15°C, la déshumidification par adsorption est avantagée
- Si la teneur en humidité de l’air extérieur est inférieure à celle de l’air intérieur plus de 4000 heures par an, la déshumidification par ventilation est avantagée
- En présence d’un consommateur de chaleur à faible potentiel, la déshumidification par condensation avec récupération est avantagée
Récupération de la chaleur de condensation : calcul du potentiel de réduction des émissions
La chaleur disponible pour la valorisation lors d’une déshumidification par condensation se calcule comme le produit de la capacité d’extraction d’humidité par la chaleur de vaporisation, plus la puissance électrique de l’équipement. Consommateurs potentiels de cette chaleur :
- Eau chaude sanitaire (chauffage à 50–60°C)
- Chauffage de l’eau des piscines (26–28°C)
- Chauffage d’air (35–50°C)
- Processus industriels
Le potentiel de température du caloporteur est défini par la température de condensation, qui est généralement de 40 à 55°C pour une déshumidification d’un air à +20°C. L’efficacité de l’échangeur de chaleur tient compte d’une approche minimale de 3 à 5 K.
La réduction des émissions intervient lors du remplacement d’énergie issue d’une chaudière ou d’une pompe à chaleur, et la limite économique de pertinence conduit à un temps de retour de 2 à 7 ans selon les conditions spécifiques du projet.
Méthodologie de calcul de l’empreinte carbone totale d’un système de déshumidification : méthode TEWI
TEWI (Total Equivalent Warming Impact) – impact total équivalent sur le réchauffement – comprend trois composantes pour les systèmes à condensation :
- Produit du potentiel de réchauffement global par les pertes annuelles de frigorigène sur la durée de vie
- Produit du potentiel de réchauffement global par la charge de frigorigène, multiplié par la différence entre l’unité et le taux de récupération en fin de vie
- Produit de la durée de vie par la consommation d’énergie annuelle, par l’intensité carbone de l’électricité et par le facteur de conversion en énergie primaire
Pour les systèmes à adsorption, le calcul diffère par l’absence des composantes liées au frigorigène, mais peut inclure les émissions de production de la chaleur de régénération.
La comparaison des technologies s’exprime en kilogrammes d’équivalent CO₂ par kilogramme d’humidité extraite par an, ou par mètre carré de surface de local par an.
Intégration des énergies renouvelables : réduction de l’empreinte carbone
L’utilisation de pompes à chaleur pour la régénération de l’adsorbant permet d’atteindre un coefficient de performance de 2,0 à 3,5 pour une température de régénération de 120–140°C. Cela réduit significativement la consommation d’énergie par rapport au chauffage électrique direct.
Les capteurs solaires pour la régénération se dimensionnent selon la formule : surface de capteurs égale à l’énergie thermique de régénération, divisée par le produit de l’ensoleillement moyen, du rendement du capteur et du facteur d’utilisation. Le rendement des capteurs est généralement de 0,4 à 0,7.
Pour les déshumidificateurs à condensation, les systèmes photovoltaïques constituent une solution efficace : le taux de couverture de la charge se calcule comme le produit de la puissance photovoltaïque par le temps de génération, divisé par la consommation d’énergie annuelle.
Impact de l’intensité carbone du réseau énergétique sur le choix technologique
L’intensité carbone de l’électricité varie fortement d’un pays à l’autre : de 50 g CO₂/kWh en Norvège et en Suède à 800 g CO₂/kWh en Pologne. Les données officielles des opérateurs de réseau permettent de déterminer des valeurs précises pour une région donnée.
Des scénarios comparatifs pour un déshumidificateur par condensation avec un COP de 2,5 face à un système à adsorption avec régénération au gaz montrent des résultats différents pour des intensités carbone de 100, 400 et 700 g CO₂/kWh. À faible intensité carbone de l’électricité, les systèmes à condensation sont avantagés ; à forte intensité, les systèmes à adsorption avec régénération gaz le sont.
La baisse prévue de 50 % de l’intensité carbone de l’électricité d’ici 2040 modifiera le choix technologique optimal à long terme.
Exigences réglementaires et systèmes de certification environnementale des bâtiments
La Directive sur la performance énergétique des bâtiments (EPBD) fixe des exigences pour les bâtiments à consommation quasi nulle (nZEB). Le règlement sur les gaz fluorés 517/2014 limite l’utilisation de frigorigènes avec un potentiel de réchauffement global supérieur à 2500 (à partir de 2020) et supérieur à 150 (à partir de 2025).
Les systèmes de certification BREEAM, LEED et DGNB évaluent l’efficacité énergétique et les émissions des systèmes de déshumidification, et la méthode TEWI est utilisée pour une évaluation complète de l’impact climatique.
On observe un renforcement des exigences réglementaires : interdiction des frigorigènes à fort potentiel de réchauffement global, obligations d’utiliser des énergies renouvelables et mise en place d’une tarification du carbone.
Erreurs d’ingénierie typiques et idées reçues
Erreurs les plus courantes lors de l’évaluation de l’empreinte carbone des systèmes de déshumidification :
- Comparer les technologies uniquement sur la consommation d’énergie directe sans tenir compte de l’impact sur le système CVC
- Appliquer une valeur universelle d’intensité carbone sans considérer le mix local de production (erreur jusqu’à 400 %)
- Ignorer les émissions directes liées au frigorigène
- Surestimer le potentiel de récupération sans calculer le consommateur réel et l’adéquation de température
- Évaluer les énergies renouvelables selon la puissance installée sans calculer le facteur d’utilisation
- Comparer l’adsorption avec régénération électrique au lieu de la régénération gaz
- Ne pas prendre en compte la dégradation des performances sur la durée de vie
- Ignorer le carbone incorporé issu de la fabrication des équipements
Limites d’application des méthodologies et conditions d’inefficacité des approches
Il est important de considérer les limites des différentes technologies :
- Limites de la condensation : à une température inférieure à +5°C, le COP chute sous 1,5, rendant la méthode peu efficiente énergétiquement
- Limites de la ventilation : efficace uniquement lorsque la teneur en humidité de l’air extérieur est inférieure à celle de l’air intérieur ; impossible en climat humide
- Échelle d’installation pour la récupération : pour une capacité inférieure à 50 kg/jour, les coûts d’investissement des systèmes de récupération de chaleur deviennent injustifiés
- Contraintes climatiques pour la régénération solaire : en Europe du Nord (latitude supérieure à 55°), une insolation inférieure à 1 kWh/m² par jour assure un taux de couverture inférieur à 20 %
Foire aux questions
Quelle technologie de déshumidification a l’empreinte carbone la plus faible ?
La réponse dépend des conditions climatiques, de l’intensité carbone de l’électricité et de la présence de consommateurs de chaleur. Dans les régions à faible intensité carbone de l’électricité (jusqu’à 300 g CO₂/kWh), la déshumidification par condensation avec récupération de chaleur présente généralement l’empreinte la plus faible. Dans les régions à forte intensité, la déshumidification par adsorption avec régénération gaz ou la déshumidification par ventilation peuvent être plus efficaces.
Comment calculer le potentiel de réduction des émissions lors de l’installation d’un système de récupération de chaleur ?
Le calcul comprend la détermination de la quantité de chaleur valorisée (produit de la capacité d’extraction d’humidité par la chaleur de vaporisation, plus la puissance électrique), l’efficacité de l’échangeur de chaleur et les émissions évitées en substituant d’autres sources de chaleur.
La déshumidification par ventilation est-elle toujours avantagée en climat froid ?
Pas toujours. Bien que la déshumidification par ventilation soit énergétiquement avantageuse en climat froid, elle exige un chauffage d’air supplémentaire pendant la saison de chauffe. Si l’humidité relative intérieure doit être très basse, la déshumidification par condensation ou par adsorption peut s’avérer plus efficace.
Comment l’intégration de panneaux photovoltaïques influence-t-elle l’empreinte carbone d’un déshumidificateur à condensation ?
Les panneaux photovoltaïques peuvent réduire significativement l’empreinte carbone en compensant une partie de la consommation électrique. Le taux de couverture dépend de la puissance du système, du temps de génération et de la consommation énergétique du déshumidificateur. Il est important de prendre en compte le carbone incorporé lié à la fabrication des panneaux, amorti en 2 à 5 ans d’exploitation.
Pourquoi est-il important de prendre en compte l’impact du déshumidificateur sur le système CVC ?
La prise en compte de l’impact sur le système CVC peut modifier l’évaluation des émissions de 40 à 80 %. Les déshumidificateurs par condensation dégagent de la chaleur, ce qui augmente la charge sur le système de refroidissement en été. Les systèmes à adsorption peuvent exiger un refroidissement d’air additionnel après traitement. Les systèmes de ventilation modifient les charges de chauffage et de refroidissement selon les conditions extérieures.
Conclusions
L’évaluation complète de l’empreinte carbone des systèmes de déshumidification de l’air exige une approche systémique intégrant les émissions directes et indirectes ainsi que l’impact sur le système CVC global du bâtiment. Principes clés pour minimiser les émissions de CO₂ :
- Le choix de la technologie de déshumidification doit se fonder sur les conditions climatiques spécifiques, l’intensité carbone du réseau et les exigences techniques du projet
- La récupération de la chaleur de condensation est un moyen efficace de réduire l’empreinte carbone globale des systèmes par condensation
- L’intégration des énergies renouvelables réduit fortement les émissions, notamment pour les processus énergivores de régénération des adsorbants
- La méthode TEWI fournit une évaluation complète de l’impact climatique sur l’ensemble du cycle de vie de l’équipement
- La conception des systèmes doit tenir compte des tendances de décarbonation des réseaux énergétiques et du renforcement des exigences réglementaires
Il est recommandé aux ingénieurs concepteurs d’adopter une approche algorithmique avec une séquence de calculs claire, incluant le bilan d’humidité, le bilan énergétique, l’évaluation des émissions directes et indirectes, ainsi qu’une analyse économique. Cette approche permet d’intégrer l’évaluation de l’empreinte carbone dans la méthodologie globale du cycle de vie des bâtiments et de prendre des décisions éclairées pour réduire l’impact climatique des systèmes de maîtrise de l’humidité.
