Climatisation - Air conditioning

Unités de condenseur de climatisation à l'extérieur d'un bâtiment
Climatiseur monté sur fenêtre pour une utilisation en chambre individuelle

La climatisation , souvent abrégée en A/C ou AC , est le processus d'élimination de la chaleur et de contrôle de l' humidité de l'air dans un espace clos pour obtenir un environnement intérieur plus confortable en utilisant des "climatiseurs" électriques ou une variété d'autres méthodes, y compris le refroidissement passif et le refroidissement par ventilation . La climatisation fait partie d'une famille de systèmes et de techniques qui assurent le chauffage, la ventilation et la climatisation (CVC) .

Les climatiseurs, qui utilisent généralement une réfrigération à compression de vapeur , varient en taille de petites unités utilisées dans des véhicules ou des pièces individuelles à des unités massives qui peuvent refroidir de grands bâtiments. Les pompes à chaleur aérothermiques , qui peuvent être utilisées pour le chauffage ainsi que pour le refroidissement , sont de plus en plus courantes dans les climats plus froids.

Selon l' AIE , en 2018, 1,6 milliard d'unités de climatisation ont été installées, ce qui représente environ 20 % de la consommation d'énergie dans les bâtiments dans le monde, et ce nombre devrait atteindre 5,6 milliards d'ici 2050. Les Nations Unies ont demandé que la technologie être rendus plus durables pour atténuer le changement climatique en utilisant des techniques telles que le refroidissement passif, le refroidissement par évaporation , l'ombrage sélectif, les capteurs de vent et une meilleure isolation thermique . Les réfrigérants CFC et HCFC tels que le R-12 et le R-22, respectivement, utilisés dans les climatiseurs ont causé des dommages à la couche d'ozone , et les réfrigérants HFC tels que le R-410a et le R-404a, qui ont été conçus pour remplacer les CFC et les HCFC, exacerbent plutôt le changement climatique . Les deux problèmes se produisent en raison de l'évacuation du réfrigérant dans l'atmosphère, comme pendant les réparations. Les réfrigérants HFO , utilisés dans certains, voire la plupart des équipements nouveaux, résolvent les deux problèmes avec un potentiel de dommage à l'ozone (ODP) de zéro et un potentiel de réchauffement planétaire (PRP) beaucoup plus faible à un ou deux chiffres par rapport aux trois ou quatre chiffres des HFC .

Histoire

La climatisation remonte à la préhistoire. Les bâtiments égyptiens antiques utilisaient une grande variété de techniques de climatisation passive. Ceux-ci se sont répandus de la péninsule ibérique à l'Afrique du Nord, au Moyen-Orient et au nord de l'Inde. Des techniques similaires ont été développées dans des climats chauds ailleurs.

Les techniques passives sont restées répandues jusqu'au 20e siècle, date à laquelle elles sont tombées en désuétude, remplacées par la climatisation électrique. En utilisant des informations provenant d'études d'ingénierie des bâtiments traditionnels, les techniques passives sont relancées et modifiées pour les conceptions architecturales du 21e siècle.

Une gamme de climatiseurs à l'extérieur d'un immeuble de bureaux commerciaux

Les climatiseurs permettent à l'environnement intérieur du bâtiment de rester relativement constant, en grande partie indépendamment des changements des conditions météorologiques externes et des charges thermiques internes. Ils permettent également de créer des bâtiments à plan profond et ont permis aux gens de vivre confortablement dans les régions les plus chaudes du monde.

Développement

Découvertes précédentes

En 1558, Giambattista della Porta a décrit une méthode de refroidissement de la glace à des températures bien inférieures à son point de congélation en la mélangeant avec du nitrate de potassium (alors appelé "nitre") dans son livre de vulgarisation scientifique Natural Magic . En 1620, Cornelis Drebbel fit une démonstration de « Transformer l'été en hiver » pour Jacques Ier d'Angleterre , refroidissant une partie de la grande salle de l'abbaye de Westminster avec un appareil d'auges et de cuves. Le contemporain de Drebbel, Francis Bacon , comme della Porta, partisan de la communication scientifique , n'était peut-être pas présent à la manifestation, mais dans un livre publié plus tard la même année, il l'a décrite comme une « expérience de congélation artificielle » et a déclaré que « le Nitre (ou plutôt son esprit) est très froid, et donc le nitre ou le sel lorsqu'il est ajouté à la neige ou à la glace intensifie le froid de cette dernière, le nitre en ajoutant à son propre froid, mais le sel en fournissant de l'activité au froid de la neige."

En 1758, Benjamin Franklin et John Hadley , professeur de chimie à l' Université de Cambridge , ont mené une expérience pour explorer le principe de l'évaporation comme moyen de refroidir rapidement un objet. Franklin et Hadley ont confirmé que l'évaporation de liquides hautement volatils (tels que l' alcool et l' éther ) pouvait être utilisée pour faire baisser la température d'un objet au-delà du point de congélation de l'eau. Ils ont mené leur expérience avec le bulbe d'un thermomètre à mercure en verre comme objet et avec un soufflet utilisé pour accélérer l' évaporation . Ils ont abaissé la température du bulbe du thermomètre à -14 °C (7 °F) alors que la température ambiante était de 18 °C (64 °F). Franklin a noté que peu de temps après qu'ils ont passé le point de congélation de l' eau à 0 ° C (32 ° F), un film mince de glace formée sur la surface de l'ampoule de thermomètre et en ce que la masse de glace est d' environ 6 mm ( 1 / 4  po) d' épaisseur lorsqu'ils ont arrêté l'expérience lorsqu'ils ont atteint -14 °C (7 °F). Franklin a conclu: "De cette expérience, on peut voir la possibilité de geler un homme à mort par une chaude journée d'été."

Le 19ème siècle a inclus un certain nombre de développements dans la technologie de compression. En 1820, le scientifique et inventeur anglais Michael Faraday a découvert que la compression et la liquéfaction de l' ammoniac pouvaient refroidir l'air lorsque l'ammoniac liquéfié pouvait s'évaporer. En 1842, le médecin de Floride John Gorrie a utilisé la technologie du compresseur pour créer de la glace, qu'il a utilisée pour refroidir l'air de ses patients dans son hôpital d' Apalachicola, en Floride . Il espérait éventuellement utiliser sa machine à glaçons pour réguler la température des bâtiments et envisageait une climatisation centralisée qui pourrait refroidir des villes entières. Gorrie a obtenu un brevet en 1851, mais après la mort de son principal bailleur de fonds, il n'a pas pu réaliser son invention. En 1851, James Harrison a créé la première machine à glace mécanique à Geelong, en Australie , et a obtenu un brevet pour un système de réfrigération à compression de vapeur d' éther en 1855 qui produisait trois tonnes de glace par jour. En 1860, Harrison a créé une deuxième entreprise de glace et est entré plus tard dans le débat sur la façon de rivaliser avec l'avantage américain des ventes de bœuf réfrigéré à la glace au Royaume-Uni.

Premiers appareils de climatisation

Willis Carrier , qui est crédité de la construction de la première unité de climatisation électrique moderne

L'électricité a rendu possible le développement d'unités efficaces. En 1901, l'inventeur américain Willis H. Carrier a construit ce qui est considéré comme le premier climatiseur électrique moderne. En 1902, il installe son premier système de climatisation, dans la Sackett-Wilhelms Lithographing & Publishing Company à Brooklyn, New York ; son invention contrôlait à la fois la température et l'humidité, ce qui aidait à maintenir des dimensions de papier et un alignement d'encre constants à l'imprimerie. Plus tard, avec six autres employés, Carrier a formé The Carrier Air Conditioning Company of America , une entreprise qui employait 53 000 personnes en 2020 et était évaluée à 18,6 milliards de dollars.

En 1906, Stuart W. Cramer de Charlotte, en Caroline du Nord , explorait des moyens d'ajouter de l' humidité à l'air de son usine de textile. Cramer a inventé le terme "climatisation", en l'utilisant dans une demande de brevet qu'il a déposée cette année-là comme analogue à "conditionnement de l'eau", alors un procédé bien connu pour rendre les textiles plus faciles à traiter. Il a combiné l'humidité avec la ventilation pour "conditionner" et changer l'air dans les usines, contrôlant l'humidité si nécessaire dans les usines textiles. Willis Carrier a adopté le terme et l'a incorporé au nom de sa société.

La climatisation domestique a rapidement décollé. En 1914, la première climatisation domestique est installée à Minneapolis dans la maison de Charles Gilbert Gates . Il est cependant possible que l'énorme appareil (environ 7 x 6 x 20 pi) n'ait jamais été utilisé, car la maison est restée inhabitée (Gates était déjà mort en octobre 1913).

En 1931, HH Schultz et JQ Sherman ont développé ce qui allait devenir le type de climatiseur individuel le plus courant : un appareil conçu pour s'asseoir sur un rebord de fenêtre. Les unités ont été mises en vente en 1932 à un prix considérable (l'équivalent de 120 000 $ à 600 000 $ dans l'argent d'aujourd'hui.) Un an plus tard, les premiers systèmes de climatisation pour voitures ont été mis en vente. Chrysler Motors a introduit la première unité de climatisation semi-portable pratique en 1935, et Packard est devenu le premier constructeur automobile à proposer une unité de climatisation dans ses voitures en 1939.

La poursuite du développement

Les innovations de la seconde moitié du 20e siècle ont permis une utilisation beaucoup plus omniprésente des climatiseurs. En 1945, Robert Sherman de Lynn, dans le Massachusetts, a inventé un climatiseur de fenêtre portable qui refroidissait, chauffait, humidifiait, déshumidifiait et filtrait l'air. À la fin des années 1960, la plupart des maisons résidentielles nouvellement construites aux États-Unis étaient équipées de la climatisation centrale. Pendant cette période, les climatiseurs Box sont également devenus moins chers, ce qui a entraîné une croissance démographique plus importante dans les États de Floride et d'Arizona.

Alors que le développement international a accru la richesse dans tous les pays, l'utilisation mondiale des climatiseurs a augmenté. En 2018, environ 1,6 milliard d'unités de climatisation ont été installées dans le monde, l' Agence internationale de l'énergie s'attendant à ce que ce nombre atteigne 5,6 milliards d'unités d'ici 2050. Entre 1995 et 2004, la proportion de ménages urbains en Chine équipés de climatiseurs est passée de 8 %. à 70%. En 2015, près de 100 millions de foyers, soit environ 87 % des ménages américains, étaient équipés de systèmes de climatisation. En 2019, on estimait que 90 % des nouvelles maisons unifamiliales construites aux États-Unis comportaient la climatisation (allant de 99 % au Sud à 62 % à l' Ouest ).

Types de climatiseur

Systèmes mini-split et multi-split

Évaporateur, unité intérieure ou terminal, côté d'un climatiseur de type split sans conduit

Les systèmes sans conduits (souvent des mini-splits, bien qu'il existe maintenant des mini-splits avec conduits) fournissent généralement de l'air conditionné et chauffé à une ou plusieurs pièces d'un bâtiment, sans conduits et de manière décentralisée. Les systèmes multizones ou multisplit sont une application courante des systèmes sans conduit et permettent de climatiser jusqu'à huit pièces (zones ou emplacements) indépendamment les unes des autres, chacune avec sa propre unité intérieure et simultanément à partir d'une seule unité extérieure. Le principal problème des systèmes multi-split est la longueur des lignes de réfrigérant pour connecter l'unité externe aux unités internes. Bien que le même défi existe pour les AC centrales.

Les premiers systèmes mini-split ont été vendus en 1954-1968 par Mitsubishi Electric et Toshiba au Japon, où son développement a été motivé par la petite taille des maisons. Les systèmes sans conduits multizones ont été inventés par Daikin en 1973, et les systèmes à débit de réfrigérant variable (qui peuvent être considérés comme des systèmes multi-splits plus grands) ont également été inventés par Daikin en 1982. Les deux ont été vendus pour la première fois au Japon. Les systèmes à débit de réfrigérant variable par rapport au refroidissement central de l'usine à partir d'un système de traitement de l' air , éliminent le besoin de grands conduits d'air frais, de systèmes de traitement d'air et de refroidisseurs ; au lieu de cela, le réfrigérant froid est transporté par des tuyaux beaucoup plus petits vers les unités intérieures dans les espaces à conditionner, permettant ainsi moins d'espace au-dessus des plafonds suspendus et un impact structurel plus faible, tout en permettant également un contrôle plus individuel et indépendant de la température des espaces, et de l'extérieur et les unités intérieures peuvent être réparties dans tout le bâtiment. Les unités intérieures à débit de réfrigérant variable peuvent également être éteintes individuellement dans les espaces inutilisés.

Systèmes centraux gainables

Les climatiseurs centraux split-system se composent de deux échangeurs de chaleur , une unité extérieure (le condenseur ) à partir de laquelle la chaleur est rejetée dans l'environnement et un échangeur de chaleur interne (le ventilo-convecteur , la centrale de traitement d'air ou l' évaporateur ) avec le réfrigérant canalisé étant circule entre les deux. Le FCU est alors relié aux locaux à refroidir par des gaines de ventilation .

Refroidissement centralisé de l'installation

Tours de refroidissement utilisées dans une usine centrale d'eau glacée utilisant des refroidisseurs à liquide

Les grandes installations de refroidissement central peuvent utiliser un réfrigérant intermédiaire tel que de l'eau réfrigérée pompée dans des centrales de traitement d' air ou des ventilo-convecteurs à proximité ou dans les espaces à refroidir, qui ensuite canalisent ou fournissent de l'air froid dans les espaces à climatiser, plutôt que de canaliser l'air froid directement vers ceux-ci. des espaces de l'usine, ce qui n'est pas fait en raison de la faible densité et de la faible capacité calorifique de l'air, ce qui nécessiterait des conduits trop grands. L'eau réfrigérée est refroidie par des refroidisseurs dans l'usine, qui utilisent un cycle de réfrigération pour refroidir l'eau, transférant souvent sa chaleur à l'atmosphère même dans les refroidisseurs à liquide grâce à l'utilisation de tours de refroidissement . Les refroidisseurs peuvent être refroidis par air ou par liquide.

Unités portables

Un système portable comprend une unité intérieure sur roues connectée à une unité extérieure via des tuyaux flexibles, semblable à une unité installée en permanence (comme un climatiseur central).

Les systèmes de tuyaux, qui peuvent être monoblocs ou air-air , sont évacués vers l'extérieur via des conduits d'air. Le type monobloc recueille l'eau dans un seau ou un plateau et s'arrête lorsqu'il est plein. Le type air-air ré-évapore l'eau et l'évacue par le tuyau canalisé et peut fonctionner en continu. De telles unités portables aspirent l'air intérieur et l'expulsent à l'extérieur par un seul conduit.

De nombreux climatiseurs portables sont dotés d'une fonction de chauffage et de déshumidification.

Unité de fenêtre et terminal emballé

Le climatiseur terminal monobloc (PTAC), les climatiseurs muraux et les climatiseurs de fenêtre sont similaires. Les systèmes PTAC peuvent être adaptés pour fournir du chauffage par temps froid, soit directement en utilisant une bande électrique, un gaz ou d'autres radiateurs, soit en inversant le flux de réfrigérant pour chauffer l'intérieur et tirer la chaleur de l'air extérieur, convertissant le climatiseur en un pompe à chaleur . Ils peuvent être installés dans une ouverture murale à l'aide d'un manchon spécial sur le mur et une grille personnalisée qui affleure le mur et les climatiseurs de fenêtre peuvent également être installés dans une fenêtre, mais sans grille personnalisée.

Climatiseur emballé

Les climatiseurs monoblocs (également appelés unités autonomes) sont des systèmes centraux qui intègrent dans un seul boîtier tous les composants d'un système central divisé et fournissent de l'air, éventuellement à travers des conduits, aux espaces à refroidir. Selon leur construction, ils peuvent être à l'extérieur ou à l'intérieur, sur les toits ( unités de toit ), puiser l'air à climatiser à l'intérieur ou à l'extérieur d'un bâtiment et être refroidis à l'eau, au fluide frigorigène ou à l'air. Souvent, les unités extérieures sont refroidies par air tandis que les unités intérieures sont refroidies par liquide à l'aide d'une tour de refroidissement.

Opération

Principes de fonctionnement

Un schéma stylisé simple du cycle de réfrigération : 1)  serpentin de condensation , 2)  détendeur , 3)  serpentin évaporateur , 4)  compresseur

Le refroidissement dans les systèmes à courant alternatif traditionnels est effectué à l'aide du cycle de compression de vapeur, qui utilise la circulation forcée et le changement de phase d'un réfrigérant entre le gaz et le liquide pour transférer la chaleur. Le cycle de compression de vapeur peut se produire au sein d'un équipement unitaire ou emballé; ou dans un refroidisseur connecté à un équipement de refroidissement terminal (tel qu'un ventilo-convecteur dans une centrale de traitement d'air) sur son côté évaporateur et à un équipement de rejet de chaleur tel qu'une tour de refroidissement sur son côté condenseur. Une pompe à chaleur aérothermique partage de nombreux composants avec un système de climatisation, mais comprend une vanne d'inversion qui permet à l'unité d'être utilisée pour chauffer et refroidir un espace.

L'équipement de climatisation réduira l'humidité absolue de l'air traité par le système si la surface du serpentin de l'évaporateur est nettement plus froide que le point de rosée de l'air environnant. Un climatiseur conçu pour un espace occupé atteindra généralement une humidité relative de 30 à 60 % dans l'espace occupé.

La plupart des systèmes de climatisation modernes disposent d'un cycle de déshumidification au cours duquel le compresseur fonctionne tandis que le ventilateur est ralenti pour réduire la température de l'évaporateur et donc condenser plus d'eau. Un déshumidificateur utilise le même cycle de réfrigération mais intègre à la fois l'évaporateur et le condenseur dans le même chemin d'air ; l'air passe d'abord sur le serpentin de l'évaporateur où il est refroidi et déshumidifié avant de passer sur le serpentin du condenseur où il est à nouveau réchauffé avant d'être à nouveau libéré dans la pièce.

Le refroidissement gratuit peut parfois être sélectionné lorsque l'air extérieur est plus froid que l'air intérieur et que, par conséquent, le compresseur n'a pas besoin d'être utilisé, ce qui entraîne des rendements de refroidissement élevés pour ces périodes. Ceci peut également être combiné avec le stockage saisonnier d'énergie thermique .

Chauffage

Certains systèmes de climatisation ont la possibilité d'inverser le cycle de réfrigération et d'agir comme une pompe à chaleur aérothermique , produisant ainsi du chauffage au lieu du refroidissement dans l'environnement intérieur. Ils sont aussi communément appelés « climatiseurs à cycle inversé ». La pompe à chaleur est nettement plus économe en énergie que le chauffage à résistance électrique , car elle déplace l'énergie de l'air ou de l'eau souterraine vers l'espace chauffé, ainsi que la chaleur de l'énergie électrique achetée. Lorsque la pompe à chaleur est en mode chauffage, le serpentin de l'évaporateur intérieur change de rôle et devient le serpentin du condenseur, produisant de la chaleur. Le condenseur extérieur change également de rôle pour servir d'évaporateur et évacue l'air froid (plus froid que l'air extérieur ambiant).

Les pompes à chaleur à air sont plus populaires dans les climats hivernaux plus doux où la température se situe fréquemment dans la plage de 4 à 13 °C (40 à 55 °F), car les pompes à chaleur deviennent inefficaces par temps froid extrême. Cela est dû en partie au fait que de la glace se forme sur le serpentin de l'échangeur de chaleur de l'unité extérieure, ce qui bloque le flux d'air sur le serpentin. Pour compenser cela, le système de pompe à chaleur doit revenir temporairement en mode de climatisation normal pour remettre le serpentin de l'évaporateur extérieur en serpentin du condenseur, afin qu'il puisse chauffer et dégivrer. Certains systèmes de pompe à chaleur auront donc une forme de chauffage par résistance électrique dans le chemin d'air intérieur qui est activé uniquement dans ce mode afin de compenser le refroidissement temporaire de l'air intérieur, qui serait autrement inconfortable en hiver.

Le problème de givrage devient beaucoup plus grave avec des températures extérieures basses, de sorte que les pompes à chaleur sont généralement installés en tandem avec une forme plus classique de chauffage, tel qu'un dispositif de chauffage électrique, un gaz naturel , l' huile de chauffage ou de chauffage au bois cheminée ou chauffage central , qui est utilisé à la place de la pompe à chaleur pendant les températures hivernales plus rigoureuses. Dans ce cas, la pompe à chaleur est utilisée efficacement pendant les températures plus douces et le système est commuté sur la source de chaleur conventionnelle lorsque la température extérieure est plus basse.

Performance

Le coefficient de performance (COP) d'un système de climatisation est un rapport de chauffage ou de refroidissement utile fourni au travail requis. Des COP plus élevés signifient des coûts d'exploitation inférieurs. Le COP dépasse généralement 1 ; cependant, la valeur exacte dépend fortement des conditions de fonctionnement, en particulier la température absolue et la température relative entre l'évier et le système, et est souvent représentée graphiquement ou moyennée par rapport aux conditions attendues. La puissance de l'équipement de climatisation aux États-Unis est souvent décrite en termes de « tonnes de réfrigération », chacune étant approximativement égale à la puissance de refroidissement d'une tonne courte (2 000 livres (910 kg) de glace fondant sur une période de 24 heures. est égal à 12 000 BTU IT par heure, ou 3 517 W. Les systèmes de climatisation centraux résidentiels ont généralement une capacité de 1 à 5 tonnes (3,5 à 18 kW).

L'efficacité des climatiseurs est souvent évaluée par le rapport d'efficacité énergétique saisonnier (SEER) qui est défini par l' Air Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute dans sa norme AHRI 210/240 de 2008, Performance Rating of Unitary Air-Conditioning and Air-Source. Équipement de pompe à chaleur . Une norme similaire est le ratio d'efficacité énergétique saisonnier européen (ESEER).

Impacter

Effets sur la santé

Par temps chaud, la climatisation peut prévenir les coups de chaleur , la déshydratation due à la transpiration excessive et d'autres problèmes liés à l' hyperthermie . Les vagues de chaleur sont le type de phénomène météorologique le plus meurtrier dans les pays développés. La climatisation (y compris la filtration, l'humidification, le refroidissement et la désinfection) peut être utilisée pour fournir une atmosphère propre, sûre et hypoallergénique dans les salles d'opération des hôpitaux et d'autres environnements où une atmosphère appropriée est essentielle à la sécurité et au bien-être des patients. Il est parfois recommandé pour un usage domestique par les personnes allergiques , notamment les moisissures .

Des tours de refroidissement à eau mal entretenues peuvent favoriser la croissance et la propagation de micro-organismes tels que Legionella pneumophila , l'agent infectieux responsable de la maladie du légionnaire . Tant que la tour de refroidissement est maintenue propre (généralement au moyen d'un traitement au chlore ), ces risques pour la santé peuvent être évités ou réduits. L'état de New York a codifié des exigences pour l'enregistrement, la maintenance et les tests des tours de refroidissement pour se protéger contre Legionella .

Impacts environnementaux

Les réfrigérants ont causé et continuent de causer de graves problèmes environnementaux, notamment l'appauvrissement de la couche d'ozone et le changement climatique , car plusieurs pays n'ont pas encore ratifié l' amendement de Kigali visant à réduire la consommation et la production d' hydrofluorocarbures .

La climatisation actuelle représente 20 % de la consommation d'énergie dans les bâtiments dans le monde, et la croissance attendue de l'utilisation de la climatisation en raison du changement climatique et de l'adoption de la technologie entraînera une croissance significative de la demande d'énergie. Les alternatives à la climatisation en continu comprennent le refroidissement passif, la ventilation naturelle par refroidissement solaire passif, l'utilisation de stores pour réduire le gain solaire, l'utilisation d'arbres, de stores architecturaux, de fenêtres (et l'utilisation de revêtements de fenêtre) pour réduire le gain solaire .

En 2018, les Nations Unies ont appelé à rendre la technologie plus durable pour atténuer le changement climatique.

Effets économiques

La climatisation a provoqué divers changements dans la démographie, notamment celle des États-Unis à partir des années 1970 :

  • Le taux de natalité était plus faible au printemps qu'au cours des autres saisons jusqu'aux années 1970, mais cette différence a ensuite diminué au cours des 30 années suivantes.
  • Le taux de mortalité estivale , qui avait été plus élevé dans les régions sujettes à une canicule durant l'été, s'est également stabilisé.
  • La Sun Belt contient désormais 30% de la population totale des États-Unis alors qu'elle était habitée par 24% des Américains au début du 20ème siècle.

D'abord conçue pour bénéficier à des industries ciblées telles que la presse ainsi que les grandes usines, l'invention s'est rapidement propagée aux organismes publics et aux administrations avec des études avec des revendications de productivité accrue de près de 24% dans des lieux équipés de climatisation.

Autres techniques

Les bâtiments conçus avec une climatisation passive sont généralement moins chers à construire et à entretenir que les bâtiments dotés de systèmes CVC conventionnels avec des besoins énergétiques inférieurs. Alors que des dizaines de changements d'air par heure et un refroidissement de dizaines de degrés peuvent être obtenus avec des méthodes passives, le microclimat spécifique au site doit être pris en compte, ce qui complique la conception du bâtiment .

De nombreuses techniques peuvent être utilisées pour augmenter le confort et réduire la température dans les bâtiments. Ceux-ci incluent le refroidissement par évaporation, l'ombrage sélectif, le vent, la convection thermique et le stockage de chaleur.

Ventilation passive

Le système de ventilation d'un vaisseau terrestre ordinaire .
Les maisons Dogtrot sont conçues pour maximiser la ventilation naturelle.
La ventilation passive est le processus d'alimentation et d'évacuation d'air d'un espace intérieur sans utiliser de systèmes mécaniques . Il fait référence au flux d'air extérieur vers un espace intérieur en raison des différences de pression résultant de forces naturelles. Il existe deux types de ventilation naturelle dans les bâtiments : la ventilation par le vent et la ventilation par flottabilité . La ventilation entraînée par le vent résulte des différentes pressions créées par le vent autour d'un bâtiment ou d'une structure, et des ouvertures formées sur le périmètre qui permettent ensuite l'écoulement à travers le bâtiment. La ventilation entraînée par la flottabilité se produit en raison de la force de flottabilité directionnelle qui résulte des différences de température entre l'intérieur et l'extérieur. Étant donné que les gains de chaleur internes qui créent des différences de température entre l'intérieur et l'extérieur sont créés par des processus naturels, y compris la chaleur des personnes, et que les effets du vent sont variables, les bâtiments naturellement ventilés sont parfois appelés « bâtiments respirants ».

Refroidissement passif

Une conception iranienne traditionnelle de refroidissement solaire

Le refroidissement passif est une approche de conception de bâtiment qui se concentre sur le contrôle du gain de chaleur et la dissipation de chaleur dans un bâtiment afin d'améliorer le confort thermique intérieur avec une consommation d'énergie faible ou nulle. Cette approche fonctionne soit en empêchant la chaleur de pénétrer à l'intérieur (prévention du gain de chaleur) soit en évacuant la chaleur du bâtiment (refroidissement naturel).

Le refroidissement naturel utilise l'énergie sur place, disponible à partir de l'environnement naturel, combinée à la conception architecturale des composants du bâtiment (par exemple , l'enveloppe du bâtiment ), plutôt que des systèmes mécaniques pour dissiper la chaleur. Par conséquent, le refroidissement naturel dépend non seulement de la conception architecturale du bâtiment mais de la façon dont les ressources naturelles du site sont utilisées comme puits de chaleur (c'est-à-dire tout ce qui absorbe ou dissipe la chaleur). Des exemples de dissipateurs thermiques sur site sont la haute atmosphère (ciel nocturne), l'air extérieur (vent) et la terre/le sol.

Le refroidissement passif est un outil important pour la conception de bâtiments pour l' adaptation au changement climatique  - réduisant la dépendance à l'égard de la climatisation à forte intensité énergétique dans les environnements en réchauffement.
Une paire de coupe - vent courts ou malqaf utilisés dans l'architecture traditionnelle ; le vent est poussé vers le bas du côté au vent et part du côté sous le vent ( ventilation transversale ). En l'absence de vent, la circulation peut être entraînée avec un refroidissement par évaporation à l'entrée (qui est également conçu pour capter les poussières). Au centre, un shuksheika ( évent de lanterne de toit ), utilisé pour ombrager le qa'a en dessous tout en permettant à l'air chaud de s'échapper ( effet de cheminée ).

Ventilateurs

Les éventails à main existent depuis la préhistoire . Les grands ventilateurs à propulsion humaine intégrés dans les bâtiments incluent le punkah .

L'inventeur chinois du IIe siècle Ding Huan de la dynastie Han a inventé un ventilateur rotatif pour la climatisation, avec sept roues de 3 m (10 pi) de diamètre et actionné manuellement par des prisonniers. En 747, l' empereur Xuanzong (r. 712-762) de la dynastie Tang (618-907) fit construire le Cool Hall ( Liang Dian 涼殿) dans le palais impérial, que le Tang Yulin décrit comme ayant des roues de ventilateur à eau pour la climatisation ainsi que les jets d'eau ascendants des fontaines. Au cours de la dynastie Song qui a suivi (960-1279), des sources écrites ont mentionné le ventilateur rotatif de climatisation comme encore plus largement utilisé.

Tampon thermique

Dans les zones froides la nuit ou en hiver, le stockage de chaleur est utilisé. La chaleur peut être emmagasinée dans la terre ou la maçonnerie; l'air est aspiré au-delà de la maçonnerie pour la chauffer ou la refroidir.

Dans les zones qui sont en dessous de zéro la nuit en hiver, la neige et la glace peuvent être collectées et stockées dans des glacières pour une utilisation ultérieure dans le refroidissement. Cette technique a plus de 3 700 ans au Moyen-Orient. La récolte de glace en plein air pendant l'hiver et le transport et le stockage pour une utilisation en été étaient pratiqués par de riches Européens au début des années 1600 et sont devenus populaires en Europe et dans les Amériques vers la fin des années 1600. Cette pratique a été remplacée par des machines à glace à cycle de compression mécaniques (voir ci-dessous).

Le refroidissement par évaporation

Un refroidisseur par évaporation

Dans les climats secs et chauds, l' effet de refroidissement par évaporation peut être utilisé en plaçant de l'eau à la prise d'air, de sorte que le courant d'air attire l'air au-dessus de l'eau puis dans la maison. Pour cette raison, on dit parfois que la fontaine, dans l'architecture des climats chauds et arides, est comme la cheminée dans l'architecture des climats froids. Le refroidissement par évaporation rend également l'air plus humide, ce qui peut être bénéfique dans un climat désertique sec.

Les refroidisseurs par évaporation ont tendance à donner l'impression de ne pas fonctionner pendant les périodes de forte humidité, lorsqu'il n'y a pas beaucoup d'air sec avec lequel les refroidisseurs peuvent fonctionner pour rendre l'air aussi frais que possible pour les occupants du logement. Contrairement à d'autres types de climatiseurs, les refroidisseurs par évaporation dépendent de l'air extérieur pour être canalisé à travers des coussins plus froids qui refroidissent l'air avant qu'il n'atteigne l'intérieur d'une maison par son système de conduits d'air ; cet air extérieur refroidi doit pouvoir expulser l'air plus chaud de la maison par une ouverture d'évacuation telle qu'une porte ou une fenêtre ouverte.

Voir également

Les références

Liens externes