Bâtiment

Obtenir des conditions intérieures confortables en été n'est pas toujours possible sans recours à un système de production de froid.
Les bâtiments, ou parties de bâtiments, peuvent être classés en fonction de la demande plus ou moins importante de rafraîchissement :

• ceux qui nécessitent un traitement impératif pour des raisons techniques :
  - forts apports internes : salles d'ordinateurs, centraux téléphoniques,
  - exigences hygrothermiques : salles de musée, bibliothèques ;
• ceux où le rafraîchissement est admis parce que jugé nécessaire : hôpitaux, salles de spectacle, les bureaux…
• ceux où le rafraîchissement apporte un bien-être reconnu, par exemple les locaux commerciaux.
  
  NB : le recours aux systèmes de climatisation – dans des bâtiments neufs ou existants - doit s'accompagner d'une optimisation de l'enveloppe (isolation, inertie,  étanchéité à l'air, protection solaire, …), d'une limitation des apports internes et d'une bonne gestion, afin d'une part de limiter les consommations énergétiques, d'autre part de limiter les puissances installées et de permettre un fonctionnement optimum de ces systèmes.

La production frigorifique
Une installation de rafraîchissement doit permettre de maintenir la température ambiante à une valeur comprise entre 20 et 27 °C et le taux d'humidité entre 30 et 65 %, en fonction des conditions extérieures.

Les climatiseurs sont des matériels capables de déplacer de la chaleur d'une zone où elle occasionne une gêne vers une zone où elle ne gêne pas (extérieur par exemple), ou vers une zone où elle peut être utile (eau chaude sanitaire ou autre local).

C'est grâce aux propriétés des fluides frigorigènes que fonctionne un climatiseur : au cours de son évolution dans le cycle frigorifique, le fluide frigorigène change de phase, son évaporation s'effectue avec absorption de chaleur et sa condensation avec dégagement de chaleur. Du fait de ce changement d'état, la chaleur peut être transportée hors des locaux à climatiser, le vecteur étant l'eau glacée (7-12°C) ou l'air refroidi (14 à 17°C).

Climatiser un bâtiment peut se faire de plusieurs façons. Si les besoins sont ponctuels ou localisés, le maître d’ouvrage peut avoir recours à des appareils de faible puissance pour ainsi rafraîchir indépendamment chaque pièce. Ce type de climatisation est qualifié de décentralisée et fait appel à des climatiseurs individuels (Room Air Conditioning, RAC). Si les besoins sont globaux et réguliers, le maître d’ouvrage préfèrera un ou des appareils de puissance plus importante rafraîchissant tout ou partie du bâtiment avec plus ou moins d’indépendance entre les différentes zones. Ce type de climatisation est qualifié de centralisée (Central Air Conditioning).

Le type de groupe frigorifique

Trois principaux type de groupe existent sur le marché : les groupes monoblocs (« packaged »), les groupes multiblocs (« split », « multisplit » et « variable refrigerant volume ») et les groupes refroidisseurs de liquide (« chiller »). Ces groupes se distinguent grâce au vecteur par lequel le froid et/ou la chaleur sont transportés à l’intérieur des locaux. En effet, le fluide caloporteur peut aussi bien être de l’air ou de l’eau que le fluide frigorigène lui même.

Le groupe frigorifique est dans la majorité des cas basé sur le cycle de compression de vapeur. Toutefois le cycle à absorption peut également être utilisé. Il fonctionne quasiment de la même façon mais au lieu d’utiliser un fluide frigorigène unique, le groupe à absorption utilise un couple solvant/fluide frigorigène (eau/ammoniaque ou bromure de lithium/eau). Le circuit de solvant (avec pompe et apport de chaleur) remplace le compresseur mais le détendeur, l’évaporateur et le condenseur sont toujours présents et gardent la même fonction.

Le rejet de la chaleur

De même qu’il existe plusieurs techniques de production de froid, il est possible en mode froid de refroidir le condenseur soit par air soit par eau. Le refroidissement par air nécessite l’usage d’un aérocondenseur (échangeur réfrigérant/air + ventilateur) intégré ou déporté à l’extérieur si l’équipement se trouve à l’intérieur du bâtiment. La majorité des appareils de climatisation individuels sont refroidis par air. En utilisant un échangeur sur le réseau public d’eau ou en pompant à partir d’une source naturelle (lac, rivière), le refroidissement se fait par « eau perdue ». Cette pratique est naturellement coûteuse lorsque l’eau du réseau est utilisée et devrait en toute logique être interdite compte tenu de son impact environnemental désastreux. Il est également possible de « recycler » tout ou partie de l’eau nécessaire au refroidissement en utilisant une tour de refroidissement. La tour peut prendre différentes formes en fonction des besoins et des contraintes exprimés par le client.

La réversibilité

Si un groupe frigorifique est muni d’une vanne d’inversion sur son circuit frigorifique, il peut aussi bien fonctionner en climatiseur qu’en chauffage. Cette réversibilité nécessite également le bon dimensionnement des échangeurs afin qu’ils puissent fonctionner aussi bien en condenseur qu’en évaporateur.
Si techniquement le cycle thermodynamique est réversible, il n’est pas toujours possible d’utiliser un système de climatisation en mode chauffage. La présence d’une tour de refroidissement sur un échangeur (le condenseur en mode froid) interdit la réversibilité du cycle. En effet, ce même échangeur (l’évaporateur en mode chauffage) doit être maintenu à une température suffisamment élevé pour que le rendement du cycle soit intéressant.

Le type de traitement d’air

Quel que soit le fluide caloporteur utilisé (air, eau, fluide frigorigène), c’est l’air qui devra être traité au final. Il existe alors différentes façons de conditionner l’air : soit localement c’est à dire au niveau de chaque pièce ou zone à rafraîchir soit avant que l’air soit distribué aux différentes pièces ou zones. Le premier cas nécessite l’usage d’unités terminales (ventilo-convecteur, éjecto-convecteur, cassette, surfaces froides…) pour refroidir l’air de la pièce. L’inconvénient de ce type d’appareils est qu’ils ne font que refroidir l’air vicié de la zone sans utiliser d’air neuf. Il est donc primordial d’installer également un système de renouvellement d’air.
Une technique plus complexe consiste à traiter l’air en amont de sa distribution par l’utilisation d’une centrale de traitement d’air (CTA). Cette méthode permet de réguler l’hygrométrie (par condensation ou injection d’eau dans l’air traité) mais également de mélanger l’air neuf à l’air repris des locaux afin de diminuer la dépense énergétique.

Le système de régulation

L’ensemble des équipements est muni de capteurs (température, humidité, débits d’air et d’eau) et d’un système de régulation nécessaires au bon fonctionnement de l’équipement ainsi qu’au réglage des niveaux de confort. En outre, certains appareils peuvent être ajoutés afin de faciliter et d’optimiser l’utilisation des équipements de climatisation. Les minuteries ou détecteurs de présence permettent de couper la climatisation lorsque la pièce n’est pas occupée et l’utilisation de plusieurs sondes de température et d’humidité permet d’affiner les réglages pour l’ensemble des  pièces du bâtiment. L’évolution maximale du système de régulation est la gestion technique centralisée (GTC) qui consiste à centraliser le fonctionnement de la climatisation (mais aussi de l’éclairage, des appareils électriques, du chauffage etc…) afin de pouvoir visualiser et modifier directement celui-ci..

Il existe plusieurs façons de classer les systèmes de climatisation. On distingue généralement 4 familles de produits.

Les systèmes à détente directe

Le fluide frigorigène de la machine circule dans les échangeurs en contact avec l’air intérieur (évaporateur) et l’air extérieur (condenseur à air) ou l’eau (condenseur à eau). Cette famille regroupe plusieurs appareils notamment les unités monobloc et de toiture, les split-systems et les variantes à débit de réfrigérant variable. Dans le cas des 2 derniers produits, le fluide frigorigène est un caloporteur qui circule dans un réseau au sein du bâtiment et rafraîchit l’air localement au niveau de chaque pièce. Ces équipements ne prennent pas en charge le renouvellement de l’air dans le bâtiment et nécessitent l’ajout d’un système de ventilation pour satisfaire les conditions d’hygiène.

Les systèmes « tout-air »

Ces systèmes préparent, transportent et distribuent l’air froid directement dans les pièces via un réseau au sein du bâtiment. Un mélange d’air neuf et d’air repris en provenance des locaux climatisés est traité (filtré, rafraîchi, réchauffé et humidifié en mode hiver) dans une centrale de traitement d’air (CTA). Ces équipements prennent donc en charge le renouvellement de l’air dans le bâtiment en introduisant un mélange d’airs neuf et repris nécessaire à l’obtention des conditions d’hygiène requises.

Les systèmes « tout-eau »

Ces systèmes préparent, transportent via un réseau au sein du bâtiment et distribuent l’eau glacée aux pièces afin de refroidir l’air localement. Le groupe refroidisseur de liquide (GRL) produit de l’eau glacée qui est ensuite transportée vers les pièces afin de climatiser l’air. A la différence de la catégorie précédente, un système de renouvellement d’air est indispensable pour satisfaire les conditions d’hygiène.

Les systèmes de pompes à chaleur sur boucle d’eau

C’est un intermédiaire entre les systèmes tout-eau et à détente directe. Les pompes à chaleur (PAC) réversibles réparties sur la boucle d’eau prélèvent ou rejettent de la chaleur vers cette dernière en fonction des besoins du local qu’elles desservent. La température de l’eau dans la boucle doit être régulée par chauffage ou refroidissement. Un système de renouvellement d’air est également indispensable pour satisfaire les conditions d’hygiène.