Brevet FR2376372A1 — publié le 19780728

La présente invention a trait à la climatisation des locaux. On sait que cette climatisation est généralement réalisée en prélevant de l'air extérieur, en le réchauffant ou en le refroidissant suivant que l'atmosphère est froide (hiver) ou chaude (été), puis en le répartissant à l'intérieur des locaux à climatiser. Bien entendu la température de l'air qui sort de l'appareil de climatisation doit être quelque peu supérieure, ou respectivement inférieure, à celle désirée pour les locaux. Pour réduire la puissance consommée, on recycle à l'entrée de l'appareil une fraction plus ou moins importante de l'air des locaux, ce recyclage étant toutefois limité par l'obligation d'assurer le renouvellement de l'atmosphère intérieure. Mais d'autre part il est indispensable de régler à la valeur voulue l'humidité relative de l'air envoyé dans les locaux. Pendant la saison froide cette humidité risque seulement d'être trop faible et il suffit par conséquent d'injecter dans l'air qui traverse l'appareil soit de l'eau pulvérisée, soit de la vapeur d'eau. En été au contraire le refroidissement de l'air dans l'appareil entraine une augmentation de son degré d'humidité relative et il faut donc lui enlever de liteau, ce qui pose un problème plus difficile. La solution adoptée jusqu'à ce jour a consisté à exagérer le refroidissement de manière à atteindre le point de saturation de l'air et à condenser ainsi une certaine proportion de sa teneur absolue en eau. Comme la température de cet air est alors trop basse, on le réchauffe avant de le répartir dans les locaux. Ce mode opératoire donne toute satisfaction au point de vue de la climatisation elle-même, mais il comporte l'inconvénient grave d'entraîner une forte consommation d'énergie. En effet l'on doit tout d'abord refroidir l'air au-dessous de la température désirée à la sortie de l'appareil, puis le réchauffer pour le ramener à cette température. I1 y a donc une mise en oeuvre de frigories, puis de calories qui ne sert qu'à régler l'humidité et qui serait totalement inutile si l'on ne tenait compte que de la seule température. L'invention vise à éviter ou à tout le moins, à limiter dans une très large mesure cette surconsommation d'énergie due à la nécessité de régler le degré d'humidité de l'air pendant la saison chaude. Conformément à l'invention l'on divise le débit de l'air des locaux destiné à être recyclé, en deux fractions qu'on introduit dans l'appareil respectivement en amont et en aval de la batterie de refroidissement de celui-ci et l'on regle le rapport de ces deux fractions de manière que le mélange d'air refroidi et d'air recyclé en aval de ladite batterie présente la température et le degré d'humidité désirés sans qu'on ait à procéder à un réchauffage ou du moins moyennant réduction au minimum de l'importance de ce dernier. On peut aisément démontrer par le calcul que si sur le diagramme de l'air humide on considère une demi-droite partant du point représentatif de l'air ambiant du local à climatiser et comportant la pente d'évolution d'ambiance, il est toujours possible de déterminer le rapport des deux fractions d'air recyclé aussi longtemps que la demi-droite précitée coupe la courbe de saturation ( = 100 8) sur le diagramme précité. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer. Fig. 1 est une représentation très schématisée d'un appareil de climatisation du type habituellement utilise jusqu t iCi . Fig. 2 est un graphique très simplifié faisant ressortir le fonctionnement de l'appareil de fig. 1. Fig. 3 est une vue analogue à celle de fig. 1, mais qui correspond à un appareil comportant application de l'invention. Fig. 4 reproduit l'essentiel d'un diagramme d'air humide en vue de permettre d'exposer le fonctionnement de l'appareil de fig. 3 et le mode de calcul de ses divers paramètres opératoires. L'on a représenté en fig. 1 de façon très schématisée un appareil de climatisation d'air établi suivant la technique connue. I1 comprend un corps 1, de forme plus ou moins tubulaire, dont une extrémité (à gauche en fig. 1) comporte une première entrée réglable 2 destinée au passage de l'air extérieur (désigné par la référence E) et une deuxième entrée 3, également réglable, servant pour l'air A recyclé à partir du local à climatiser. On trouve à l'ex trémité opposée un ventilateur 4 propre à faire circuler l'air à travers le corps 1 pour l'envoyer dans le local par l'intermédiaire de canalisations distributrices appropriées.L'intérieur du corps 1 renferme en succession en partant de la première extrémité, soit donc de gauche à droite, une chambre de mélange 5, une batterie de refroidissement 6, une chambre intermédiaire 7, une batterie de chauffage 8, une deuxième chambre intermédiaire 9, un humidifica teur 10, et une chambre de sortie 11 reliée au ventilateur 4. I1 est en outre généralement prévu un ou plusieurs filtres, non représentés. En saison froide la batterie de refroidissement 6 est hors d'action et l'air qui entre dans la chambre de mélange 5 (air recyclé + appoint d'air extérieur frais) est chauffé dans la batterie 8, puis humidifié dans la mesure nécessaire par l'humidificateur 10 pour être finalement envoyé dans le local par le ventilateur 4. En saison chaude la batterie 6 intervient pour refroidir l'air provenant de la chambre de mélange 5 jusqu'à sa température de saturation et pour condenser une fraction de l'eau qu'il renferme. Comme la température qu'il faut atteindre pour cette opération est très généralement inférieure à celle désirée à la sortie de l'appareil, on fait intervenir la batterie de chauffage 8 pour réchauffer cet air trop froid avant de le ramener au ventilateur 4. Bien entendu l'humidificateur 10 est hors d'action. Le graphique très schématisé de fig. 2 résume ce qu'on vient de dire concernant le fonctionnement en saison chaude. Dans ce graphique les ordonnées correspondent aux températures et les abscisses plus ou moins grossièrement à la longueur axiale de l'appareil de fig. 1. L'air extérieur E entre à une température élevée, soit par exemple 320C. Au contraire l'air recyclé A pénètre à la température du local soit par exemple 250C. Compte tenu du réglage des débits, l'air M qui se trouve dans la chambre de mélange 5 est à une température de 260C. Cet air M est refroidi par la batterie 6 jusqu'à sa température de saturation de par exemple 120C. I1 est maintenu à cette température pendant un certain temps de manière à ce que sa vapeur d'eau en excès se condense. Puis il est réchauffé dans la batterie 8 jusqu'à une température inférieure à celle désirée dans le local, soit par exemple 190C. On comprend que si le local était parfaitement isolé au point de vue thermique, le refroidissement de l'air pourrait s'arrêter au point a du graphique, c'est-à-dire à la température désire de 250C. Mais en fait il n'en est pas ainsi et l'on doit prévoir une certaine différence entre la température S de l'air sortant et celle dé sirée dans le local ce qui correspond au refroidissement supplémentaire ab de 25-19 = 60C. D'autre part si la question d'humidité n'intervenait pas, le refroidissement pourrait finalement s'arrêter en b. Mais pour arriver à réduire dans une mesure suffisante la teneur absolue en eau de l'air ainsi refroidi, on doit le refroidir encore au-dessous de la température de sortie S ce qui correspond au segment bc. La condensation exige le segment cd, et enfin le retour à la température S correspond au réchauffage représenté par le segment de.Donc le réglage de l'humidité de l'air envoyé dans le local impose la consommation de frigories représentées par les deux segments bc et cd, puis celle de calories qui correspond au segment de. I1 est à noter que plus on augmente le débit-masse d'air traversant l'appareil en vue de réduire la différence entre A et S (c'est-à-dire le segment ab), plus cette énergie supplémentaire est élevée, puisque la quantité d'air à traiter par unité de temps est plus importante. Suivant l'invention (fig. 3), on utilise un appareil sensiblement identique à celui de fig. 1 sauf que l'air recyclé A se divise en deux fractions Al et A2, la première entrant dans la chambre de mélange 5 et la deuxième dans la chambre intermédiaire 7, laquelle devient ainsi une seconde chambre de mélange. On comprend aisément que cette façon d'opérer présente deux avantages = 10) Pour un même débit d'air de recyclage A et d'air d'appoint extérieur E, elle diminue de façon importante la charge de la batterie de refroidissement 6. 20) La fraction d'air de recyclage qui pénètre dans la chambre intermédiaire 7 réchauffe l'air sortant de la batterie 6 et par conséquent réduit l'énergie de chauffage demandée à la batterie 8. Le calcul montre d'ailleurs que dans la plupart des cas pratiques l'on peut, moyennant un réglage judicieux des deux fractions Al, et A2 et des autres paramètres de l'installation, arriver à supprimer totalement la nécessité du réchauffage de la masse d'air par la batterie 8 qui reste ainsi au repos en saison chaude. On conçoit aisément que cela correspond à une économie de fonctionnement importante à laquelle vient d'ailleurs s'ajouter le fait que la batterie de refroidissement 6, dont le travail est moindre, peut être prévue moins importante que dans le cas de fig. 1. Si l'on s'en tient au schéma sommaire de fig. 2, on peut dire que l'invention revient à assurer le réchauffage de par le moyen de l'air recyclé A2. Mais bien entendu ce schéma ne fournit aucune indication quant à la façon de calculer le débit d'air passant dans la batterie de refroidissement 6, ni par conséquent la division de l'air recyclé en les deux fractions Al et A2. Pour parvenir à une approche plus fine des phénomènes on peut se référer au diagramme usuel d'air humide, tel que reproduit en fig. 4. Dans ce diagramme les abscisses correspondent aux températures t de l'air et les ordonnées à sa teneur spécifique absolue en humidité L3 . Les trois segments successifs +", 01, 02, - > en combinaison avec le point R, définissent ce qu'on appelle la "pente d' évolution d'ambiance r " pour une demi-droite partant du point R précité, cette pente étant égale au rapport chaleur sensible/chaleur totale pour l'air considéré. Pour simplifier on appellera ciaprès "échelle " l'ensemble des trois segments précités.La droite 7, convenablement inclinée, constitue un troisième axe de coordonnées correspondant à 1'enthalpie spécifique de l'air pour tout point défini par t et X . Dans le système ainsi établi l'on peut tracer les courbes d'égale teneur relative en humidité (s), expri mé en pourcentages de la saturation, et plus spécialement la courbe & = 100 ou courbe de saturation indiquée en fig. 4. On supposera ci-après qu'on désire operer sans faire intervenir la batterie de chauffage 10. Le point E représente l'air extérieur dont on connaît la température, la teneur absolue en humidité et l'enthalpie. Le point A représente de même manière l'air tel qu'on désire qu'il se présente à l'intérieur du local. Ces deux points sont bien déterminés. Une autre donnée dont on dispose est le débit-masse par unité de temps de l'amenée d'air extérieur E, et qui est imposé par les conditions d'hygiène en fonction de l'utilisation du local. On se donne d'autre part le débit-masse de l'air S à la sortie de l'appareil, et qu'on a avantage à choisir aussi élevé que possible pour réduire les différences de température et d'humidité entre l'air soufflé et l'ambiance, mais qu'en sens inverse on doit limiter pour ne pas aboutir à des appareils énormes avec des canalisations de répartition de section inadmissible. On en déduit par différence le débitmasse total d'air recyclé A. Sur ce diagramme de fig. 4 le point S représente l'air sortant de l'appareil. Ce point peut être déterminé par la température et l'humidité désirées pour l'air en question. I1 détermine alors à son tour la demi-droite AS qui va couper en S' la courbe de saturation = 100. La position du point S sur la droite AS' est évidem- ment fonction d'une part du débit-masse de la fraction de l'air A recyclée en A2, et de l'enthalpie de cet air A, d'autre part du débit-masse de l'air provenant de la batterie de refroidissement 6 et de son enthalpie. Si par le point R on trace une demi-droite parallèle à la droi te AS' elle coupe l'échelle r en un point qui représente la pente d'évolution d'ambiance. Par ailleurs sur la droite AE l'on détermine un point M représentatif de l'air résultant du mélange d'air extérieur et de l'air recyclé A1, ainsi que de leurs enthalpies respectives. Le fonctionnement de l'appareil se lit alors aisément sur le diagramme et en se référant d'autre part à fig. 3. L'air extérieur E et l'air A recyclé en Al se mélangent dans la chambre 5 pour donner l'air M. Celui-ci traverse la batterie 6 et se refroidit pour donner l'air S'. Si le refroidissement était parfaitement progressif et régulier, le point représentatif de l'air se déplacerait d'abord vers la gauche sur l'horizontale du point M jusqu'à couper la courbe 8 = 100 en un point N (refroidissement sans condensation). Puis il suivrait cette courbe en descendant pour parvenir au point S' (refroidissement avec condensation). En réalité le refroidissement est toujours plus ou moins irrégulier et brutal de sorte qu'en fait le point figuratif suit une courbe qui se situe entre le trajet MNS' et la droite MS', le point d'arrivée étant toujours ce point S'. L'air S' qui sort de la batterie se mélange dans la chambre 7 avec la fraction de l'air A recyclée en A2, ce qui aboutit au mélange final représenté par le point S. Les caractéristiques et les débits-masses d'air E et A étant connus, le probleme consiste donc finalement à déterminer les débits-masses respectifs Al et A2 de façon que le point S se situe à la position voulue (correspondant à la température et au degré d'humidité désirés pour l'air sortant de l'appareil). Pour calculer ces deux débits, on peut procéder comme suit On désignera ci-après par qE, qM, qA,... les enthalpies de l'air aux points E, M, A,... et par dE, dM, dA,... les débits-masses correspondants. D'après la loi des mélanges on peut écrire : dE x qE + dAl x qA = dM x qM (1 On a d'autre part évidemment dE + dAl = dM (2 Si l'on applique encore une fois la loi des mélanges à la droite AS' il en résulte dS' x qS' + dA2 x qA = dS x qS (3 Par ailleurs il est évident que dS' = dM (4 dAl + dA2 = dA (5 On a donc finalement cinq équations pour cinq inconnues (dAl, dM, qM, dA2, dS'). Le système est donc parfaitement soluble et permet le calcul de dAl et de dA2. La seule condition est que la droite AS coupe la courbe t = 100, ce qui est pratiquement le cas en saison chaude (les seules exceptions pouvant apparaître en-demisaison). Dans ce qui précède- on a supposé qu'on définissait le point S représentatif de l'air sortant de l'appareil. Mais on pourrait tout aussi bien se donner la pente d'évolution d'ambiance, la lire sur l'échelle bu tracer la demi-droite E correspondante, puis la demi- droite AS' parallèle à celle-ci. On aboutirait aux mêmes considérations, savoir que le problème consisterait'à déterminer dAl et dA2 de manière que l'air représenté par le point S comporte les caractéristiques désirées pour celui sortant de l'appareil. Les équations qui précèdent permettent ainsi de déterminer les débits dAl et dA2, c'est-à-dire le réglage des volets de contrôle respectifs prévus dans les canalisations correspondantes et qu'on a indiqués en fig. 3, sans les référencer. D'après les équations données plus haut, ces débits sont des fonctions des paramètres suivants : caractéristiques de l'ambiance (point A),- caractéristiques extérieures (point E) et rapport de recyclage (c'est-à-dire des debits-masses d'air frai et d'air recyclé). On peut donc envisager de commander les volets précités de façon automatique par le moyen d'un dispositif approprié, par exemple électronique, auquel on fournit comme information d'entrée les paramètres énoncés plus haut.Il y a toutefois lieu de remarquer que les différences de caractéristiques, et notamment de températures, entre l'air sortant de l'appareil (air S) et l'air de l'ambiance du local (air A) dépendent évidemment de la puissance de refroidissement exigée par ce local et qui augmente à mesure que la température extérieure augmente elle-même. Par conséquent il convient qu'en plus des équations mentionnées plus haut, le régulateur automatique tienne compte de cette variation de position du point S en fonction de la position du point E. Moyennant cette correction, un régulateur du genre précité peut assurer en saison chaude des conditions d'ambiance rigoureusement indépendantes des conditions extérieures. I1 doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la climatisation des locaux en saison chaude, du genre dans lequel on refroidit un mélange d'air extérieur et d'air recyclé pour lui extraire de l'humidité, puis on le réchauffe avant de le répartir dans le local à climatiser, caractérisé en ce qu'on assure une partie au moins du réchauffage par mélange à l'air refroidi d'une seconde fraction de l'air recyclé à partir du local à climatiser. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on règle le rapport des deux fractions d'air recyclé mélangées respectivement à l'air extérieur à refroidir et à l'air refroidi, de ma- nière à ce que la seconde fraction assure à elle seule la totalité du réchauffage de l'air. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que sur le diagramme d'air humide on fait passer par le point (A) représentatif de l'ambiance désirée dans le local une demi-droite (AS') comportant la pente d'évolution d'ambiance (h ) correspon- dante, en ce que sur ce même diagramme on joint le point précité à celui (E) qui représente l'air extérieur, en ce que sur le segment de droite ainsi déterminé l'on choisit un premier point inter médiaire (M) représentatif du mélange de l'air extérieur avec la première fraction d'air recyclé, en ce que si la demi-droite (AS') mentionnée plus haut coupe la courbe ( & = 100) de saturation de l'air, on choisit sur le segment compris entre le premier point (A) et le point d'intersection (S') de la demi-droite et de la courbe un second point intermédiaire (S) représentatif de l'air envoyé dans le local à climatiser, et en ce qu'on détermine les positions des deux points intermédiaires (M et S) sur les segments correspondants (AE et AS') de façon que le deuxième (S) corresponde aux conditions exigées pour l'air fourni au local. 4. Appareil de climatisation pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications qui précèdent, caracte- risé en ce qu'il comprend en combinaison les -éléments ci-après dont certains sont connus soit à l'état séparé, soit suivant les combinaisons différentes de celles ci-desssous - une première chambre de mélange ;; - une entrée d'air extérieur régla le débouchant dans cette première chambre , - une première entrée réglable de la première fraction d'air recyclé débouchant elle aussi dans ladite première-chambre de mélange - une batterie de refroidissement propre à être traversée par l'air sortant de la première chambre de mélange - une seconde chambre de mélange recevant l'air qui sort de la batterie de refroidissement - une entrée réglable de la seconde fraction d'air recyclé débouchant dans cette seconde chambre - et des moyens pour envoyer dans le local à climatiser l'air provenant de la seconde chambre de mélange. 5. Appareil suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend une batterie de réchauffage interposée entre la deuxième chambre de mélange et les moyens d'envoi de l'air dans le local à climatiser. 6. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif régulateur automatique agencé de façon à commander les entrées d'air recyclé dans la première et dans la deuxième chambre de mélange en fonction des caractéristiques d'ambiance désires dans le local à climatiser, du taùx de recyclage et des caractéristiques de l'air extérieur, de maniere à éviter toute nécessité de réchauffer l'air provenant de la deuxième chambre de mélange, au moins pendant la saison chaude proprement dite.