2.5 Humidité de l'air : une notion importante de la technique de climatisation

Une chaleur étouffante précédant un orage d'été, un ciel d'hiver bleu acier avec une fraîcheur agréable, parce que froide, une pluie en novembre avec toutes les incommodités qu'elle apporte, un air ambiant complètement sec qui irrite les muqueuses des voies respiratoires - voilà des situations qui nous font ressentir dans la vie quotidienne l'action de l'humidité dans l'air.

L'air contient toujours une certaine proportion d'eau, mais cette eau reste souvent invisible. Il s'agit bien d'H₂0 au sens chimique, se présentant sous forme de vapeur. La teneur en eau est directement perceptible dans le nuage ou même dans la pluie et la neige.

La vapeur se condense, tout d'abord en fines gouttelettes d'un ordre de grandeur de millièmes de millimètres, puis en masses plus importantes d'un diamètre de plusieurs millimètres.

L'humidité a une grande influence sur la sensation de confort chez l'homme. Les installations de climatisation prennent ce facteur en compte. De telles installations sont également nécessaires pour certaines industries comme la fabrication d'ordinateurs où des valeurs d'humidité bien déterminées doivent être strictement respectées. La régulation de la teneur en humidité n'est pas seulement nécessaire au confort de l'homme actif, mais également à la fabrication de certains matériaux et aux processus de haute technologie.

2.5.1 Saturation de l'air avec la vapeur d'air

Si l'on enrichit l'air en humidité - à l'aide d'un humidificateur d'air -, il arrive un moment où l'air est saturé d'eau.

En pratique cela veut dire : sur les surfaces plus froides que l'environnement, p.ex. sur les vitres des fenêtres, l'humidité se dépose. Lors de températures extérieures inférieures à zéro, du givre peut se former. Notre souffle devient visible un matin froid d'hiver, parce que la respiration saturée d'humidité, rencontre l'air froid et se condense aussitôt. Cette condensation disparaît au bout de quelques instants parce que l'air ambiant absorbe cette faible quantité d'eau comme de la vapeur.

Les réfrigérateurs doivent être dégivrés de temps à autre, soit manuellement soit automatiquement, parce qu'une couche de givre se forme sur le groupe frigorifique et qu'elle se transforme avec le temps en masse compacte de glace. Les aliments et l'air humide de la cuisine apportent plus d'humidité à l'intérieur du réfrigérateur qu'il peut en absorber.

Une loi physique importante est démontrée ici: le phénomène de condensation est en rapport étroit avec la température. La teneur d'eau que l'air peut absorber au maximum - c'est-à-dire jusqu'à saturation - dépend de sa température. Quelques chiffres : pour une pression atmosphérique de 1,013 bar (pression moyenne au niveau de la mer) 1 kg d'air ( = 1,2 m³) de 0 °C n'absorbe que 3,8 g d'eau. A 15°C il en absorbe 10,7 g et à 25°C, 20,7g.

On obtient la courbe de saturation en portant toutes ces valeurs sur un diagramme dans lequel la température est indiquée sur un axe horizontal, et la teneur maximale d'eau sur un axe vertical. Cette courbe relie tous les points avec l'humidité relative de l'air de 100%. Si l'air n'est pas saturé d'eau, son humidité relative est intérieure à 100%. Un tel point serait situé dans le diagramme au-dessous de la ligne de saturation. Il y a deux types de détermination d'humidité :

- l'humidité absolue indique combien d'eau est contenue dans un kilogramme d'air,

- l'humidité relative indique quel pourcentage de la teneur en eau maximale possible pour une température donnée concernée est atteint.

Afin de pouvoir travailler concrètement sur ce rapport numérique quelque peu compliqué et représenter une vue d'ensemble des processus de climatisation, on utilise le diagramme psychrométrique, appelé aussi diagramme de Carrier. Sur l'axe horizontal est représentée la température sèche de l'air, t_sic sur le vertical la teneur en eau X en g/kg, soit l'humidité absolue. La ligne de saturation apparaît comme ligne de limite, montant comme une parabole. En dessous se trouvent les courbes qui correspondant à une humidité plus basse. Chaque courbe est désignée avec le pourcentage correspondant.

Au point A l'air est de O°C et a une humidité relative de 75%. Pour B il est monté à 20°C. Son humidité absolue (env.3 g/kg) est restée la même, mais son humidité relative est tombée à 20%.

La distance AB correspond donc à un réchauffement. Si ce même air est humidifié, son humidité absolue et relative augmente : à C la température de l'air est encore de 20°C, mais son humidité relative s'élève à 50%, ce qui représente une valeur moyenne agréable pour l'air ambiant. L'humidité absolue est montée à 7,5 g/kg,

2.5.2 L'enthalpie

La lettre h désigne ce que l'on appelle l'enthalpie. C'est la capacité calorifique d'un kilo d'air humide. Cette capacité calorifique est composée de chaleur sensible et de chaleur latente. Qu'est-ce que la chaleur latente ? Lorsque l'eau est chauffée, sa température monte proportionnellement à la chaleur apportée. Quand le point d'ébullition (100°C au niveau de la mer) est atteint, la température reste au même niveau jusqu'à ce que l'eau se soit entièrement évaporée. Il y a donc apport de chaleur sans montée clé la température. La chaleur ainsi apportée est la chaleur latente, appelée aussi chaleur d'évaporation.

Sur le diagramme h, x les valeurs d'enthalpie sont portées sur un axe oblique. Elles sont importantes pour déterminer les quantités d'énergie dans les installations de climatisation et de ventilation.

2.5.3 Refroidissement et déshumidification

L'air doit être déshumidifié aussi bien dans les bâtiments que pour de nombreux processus industriels. Cette opération s'effectue par le refroidissement de l'air jusqu'à ce que la vapeur d'eau se condense (humidité relative = 100% !) et puisse être évacuée comme liquide. Puis on réchauffe l'air à la température voulue.

On peut suivre ce processus dans le diagramme psychrométrique : la représentation choisie ci-dessous montre le processus sous une forme simplifiée. La ligne de refroidissement effective a un parcours quelque peu différent, étant donné qu'elle doit prendre en considération les propriétés spécifiques aux appareils

L'air a une température de 27°C et une humidité relative de 70%. Il doit être refroidi et déshumidifié pour atteindre des valeurs de 22°C et 40%. Ces deux valeurs se retrouvent sur le diagramme, désignées par les points A et D. Le processus de déshumidification s'effectue de la manière suivante :

A ..... B Refroidissement jusqu'à un début de condensation, c'est-à-dire jusqu'à ce que l'humidité relative soit de 100%. B se trouve sur la ligne de saturation. Il est appelé point de rosée.

B ..... C Suite du refroidissement et de la condensation. Ce processus se produit le long de la ligne de saturation.

C .....  D Réchauffage. L'humidité relative passe de  100% à 40%, la température à 22°C.