Climatisation : définition et principe

La climatisation regroupe les techniques qui maintiennent dans un local des conditions d'ambiance déterminées, quelles que soient les conditions extérieures. Elle ne se résume pas à produire du froid : elle maîtrise ensemble la température, l'humidité, la qualité et le renouvellement de l'air.

Définition et principes fondamentaux de la climatisation

Au sens strict, climatiser un local consiste à traiter son air pour en contrôler quatre grandeurs : la température sèche, l'hygrométrie, la pureté de l'air, par filtration et dilution des polluants, et le débit d'air neuf. Un appareil qui se contente d'abaisser la température relève plutôt du rafraîchissement, même si le langage courant appelle climatisation tout équipement qui produit du froid.

La climatisation appartient au génie climatique, désigné en France par le sigle CVC (chauffage, ventilation, climatisation) et dans les pays anglophones par HVAC (heating, ventilation and air conditioning). Elle mobilise la thermodynamique, l'aéraulique, l'hydraulique et la psychrométrie, qui décrit l'état de l'air humide.

Climatisation de confort vs climatisation industrielle

La climatisation de confort vise le bien-être des occupants dans les logements, bureaux, commerces ou hôtels. Ses consignes sont modérées, de l'ordre de 24 à 26 °C en été avec une humidité relative comprise entre 40 et 60 %, et une dérive de quelques degrés reste acceptable.

La climatisation de process, ou climatisation industrielle, répond aux exigences d'un produit, d'un équipement ou d'une activité. Les tolérances y sont souvent serrées et la continuité de service est critique :

• salles blanches de l'électronique et de la pharmacie, où température, humidité, surpression et concentration particulaire découlent de la classe ISO 14644 visée ;
• data centers, où la charge des serveurs est permanente et où l'ASHRAE recommande une température d'air en entrée des équipements comprise entre 18 et 27 °C ;
• blocs opératoires, soumis en France à la norme NF S90-351 sur la maîtrise de la contamination aéroportée ;
• process agroalimentaires, textiles, imprimeries ou laboratoires de métrologie, où l'hygrométrie conditionne la qualité du produit ou la justesse de la mesure.

Climatisation, ventilation et rafraîchissement : quelles différences ?

La climatisation active utilise un cycle thermodynamique pour extraire la chaleur du local et la rejeter à l'extérieur. Elle seule permet de descendre sous la température extérieure et de déshumidifier efficacement l'air.

La ventilation mécanique contrôlée (VMC) assure le renouvellement hygiénique de l'air, en simple flux par extraction, ou en double flux avec insufflation d'air neuf et récupération de chaleur sur l'air extrait. Elle ne produit pas de froid.

Le rafraîchissement passif exploite des sources de fraîcheur gratuites : surventilation nocturne, free cooling quand l'air extérieur est plus frais que l'air intérieur, puits canadien ou provençal qui fait transiter l'air neuf dans des conduits enterrés. Ces solutions abaissent la température de quelques degrés sans maîtriser l'humidité. Dans les grands volumes ouverts, la ventilation naturelle repose sur les écarts de pression créés par le vent, dont le calcul des pressions en façade pour la ventilation naturelle permet d'évaluer l'efficacité. Dans une conception CVC globale, ces approches se complètent : la ventilation garantit la qualité d'air, le rafraîchissement passif réduit les besoins et la climatisation active traite la charge résiduelle.

Fonctionnement thermodynamique d'un système de climatisation

La très grande majorité des climatiseurs repose sur le cycle frigorifique à compression de vapeur. Un fluide frigorigène circule en circuit fermé et change d'état : en s'évaporant à basse pression, il absorbe la chaleur du local, en se condensant à haute pression, il la restitue à l'extérieur. Le cycle enchaîne quatre transformations :

• la compression : le compresseur aspire la vapeur basse pression issue de l'évaporateur et la refoule à haute pression et haute température ;
• la condensation : dans le condenseur, la vapeur cède sa chaleur à l'air extérieur ou à l'eau d'une tour de refroidissement, puis se liquéfie ;
• la détente : le détendeur abaisse brutalement la pression du liquide, dont une partie se vaporise et dont la température chute ;
• l'évaporation : dans l'évaporateur, le mélange liquide-vapeur absorbe la chaleur de l'air ou de l'eau à refroidir et se vaporise entièrement, avec une légère surchauffe qui protège le compresseur.

Ce cycle se trace sur le diagramme pression-enthalpie, ou diagramme de Mollier des frigoristes, qui donne directement les puissances échangées à chaque étape.

Le compresseur est le cœur de l'installation. Les compresseurs rotatifs et scroll équipent les petites et moyennes puissances, les compresseurs à vis les groupes de quelques centaines de kilowatts, et les compresseurs centrifuges les plus fortes puissances, couramment au-delà du mégawatt. Le détendeur thermostatique maintient une surchauffe constante en sortie d'évaporateur, le détendeur électronique suit plus finement les variations de charge et accompagne la généralisation des compresseurs à vitesse variable, dits inverter.

Indicateurs de performance : COP, EER, SEER et SCOP

L'efficacité d'un climatiseur s'exprime par le rapport entre l'énergie thermique utile et l'énergie électrique consommée. Comme une machine frigorifique transporte de la chaleur au lieu de la produire, ce rapport dépasse largement 1.

Les indicateurs saisonniers SEER et SCOP intègrent le fonctionnement à charge partielle, qui représente l'essentiel des heures d'utilisation. Ce sont eux qui fondent l'étiquette énergie européenne des climatiseurs, dont les classes vont de A+++ à D. Deux équipements ne se comparent qu'avec des indicateurs de même nature, établis pour la même zone climatique.

Types de systèmes de climatisation

Au-delà de la distinction entre appareil monobloc et split, les installations se classent selon le fluide qui transporte le froid jusqu'aux locaux : le fluide frigorigène lui-même dans les systèmes à détente directe, l'eau dans les systèmes à eau glacée, l'air dans les systèmes dits tout air. Le choix entre ces familles d'appareils de climatisation dépend de la taille du bâtiment, du nombre de zones à traiter, de l'encombrement disponible et des exigences de maintenance.

Systèmes à détente directe : monosplit, multisplit et VRV/VRF

Dans un système à détente directe, l'évaporateur se trouve dans le local ou dans le flux d'air à traiter. Le monosplit associe une unité extérieure, qui contient le compresseur et le condenseur, à une unité intérieure reliée par deux liaisons frigorifiques. Le multisplit raccorde plusieurs unités intérieures à une même unité extérieure, ce qui convient au résidentiel et aux petits locaux tertiaires.

Les systèmes à débit de réfrigérant variable, appelés VRV (marque déposée de Daikin) ou VRF selon les constructeurs, étendent ce principe au tertiaire. Une unité extérieure à compresseur inverter alimente plusieurs dizaines d'unités intérieures, chacune régulée par son propre détendeur électronique. En version 2 tubes, toutes les unités fonctionnent dans le même mode, froid ou chaud. En version 3 tubes, ou 2 tubes avec boîtier de récupération selon les fabricants, certaines zones sont refroidies pendant que d'autres sont chauffées, la chaleur extraite des premières étant transférée aux secondes. La contrepartie est la quantité de fluide frigorigène répartie dans le bâtiment, qui oblige à vérifier, selon la norme NF EN 378, la concentration atteinte dans les plus petits locaux en cas de fuite.

Systèmes à eau glacée et centrales de traitement d'air (CTA)

Dans les grands bâtiments tertiaires, hospitaliers ou industriels, le froid est produit de façon centralisée par un groupe de production d'eau glacée, ou chiller. L'eau, distribuée typiquement en régime 7/12 °C, alimente par un réseau hydraulique les unités terminales : ventilo-convecteurs, poutres froides, plafonds rafraîchissants ou batteries froides des centrales de traitement d'air.

La centrale de traitement d'air prépare l'air neuf ou recyclé avant de le souffler dans les locaux : filtration, récupération de chaleur, refroidissement et déshumidification, réchauffage. Cette architecture concentre la production de froid dans un local technique et limite la quantité de fluide frigorigène dans les zones occupées.

Climatisation gainable et solutions intégrées

La climatisation gainable dissimule l'unité intérieure dans un faux plafond, des combles ou un local technique. L'air traité est distribué par un réseau de gaines jusqu'à des bouches de soufflage, puis repris par des grilles de reprise. Seules ces bouches restent visibles, ce qui explique le succès de cette solution dans le résidentiel haut de gamme, l'hôtellerie et les bureaux.

Le gainable impose un dimensionnement aéraulique soigné : sections de gaines adaptées au débit pour limiter la vitesse de l'air et le bruit, pertes de charge compatibles avec le ventilateur, isolation contre la condensation et équilibrage des débits entre les pièces par des registres.

Fluides frigorigènes : évolution et cadre réglementaire

Les fluides frigorigènes ont évolué au rythme des contraintes environnementales. Les CFC, comme le R12, ont été bannis par le protocole de Montréal de 1987 pour leur action sur la couche d'ozone. Les HCFC qui leur ont succédé, au premier rang desquels le R22, sont à leur tour sortis du marché européen : leur recharge dans les installations existantes est interdite depuis 2015. Les HFC, sans chlore et donc sans effet sur l'ozone, se sont alors généralisés, mais leur pouvoir de réchauffement global (PRG, ou GWP en anglais) est élevé.

Valeurs de PRG issues des annexes du règlement (UE) n° 517/2014.

En Europe, l'usage de ces gaz est encadré par le règlement F-Gas. Le règlement (UE) n° 517/2014 a organisé une réduction progressive des quantités de HFC mises sur le marché et des interdictions par type d'équipement. Il a été remplacé par le règlement (UE) 2024/573, entré en vigueur en mars 2024, qui accélère ce calendrier jusqu'à la sortie complète des HFC en 2050 et étend les interdictions, notamment aux petits climatiseurs et pompes à chaleur monoblocs. À l'échelle mondiale, l'amendement de Kigali au protocole de Montréal, adopté en 2016, engage les pays signataires à réduire progressivement la production et la consommation de HFC. La climatisation automobile relève d'un texte spécifique, la directive 2006/40/CE, qui impose depuis 2017 un fluide de PRG inférieur à 150 dans les véhicules neufs, d'où le passage au R1234yf.

En France, la manipulation des fluides frigorigènes est réservée aux entreprises titulaires d'une attestation de capacité, dont les intervenants doivent détenir une attestation d'aptitude correspondant à la catégorie d'équipement. Les installations font l'objet de contrôles d'étanchéité périodiques dont la fréquence dépend de la charge, exprimée en tonnes équivalent CO2 : annuelle à partir de 5 t, semestrielle à partir de 50 t, trimestrielle à partir de 500 t, avec un allègement lorsqu'un système de détection des fuites est installé.

Dimensionnement et conception d'une installation

Le dimensionnement commence par un bilan thermique d'été, qui chiffre heure par heure les charges à évacuer pour la journée la plus défavorable :

• les apports solaires à travers les vitrages, très dépendants de l'orientation et des protections solaires ;
• les apports par transmission à travers les parois opaques, dont l'inertie décale le pic de chaleur dans la journée ;
• les apports internes : occupants, éclairage, équipements informatiques et process ;
• les apports liés à l'air neuf et aux infiltrations, en chaleur sensible et en chaleur latente.

La distinction entre charge sensible, qui fait varier la température, et charge latente, liée à la vapeur d'eau à condenser, conditionne la température de la batterie froide et le débit d'air. La puissance retenue correspond à la charge maximale simultanée du bâtiment, et non à la somme des maxima de chaque local, ce qui évite le surdimensionnement. Le choix des équipements intègre ensuite l'efficacité à charge partielle, le niveau sonore et le type de fluide.

Les calculs statiques laissent de plus en plus de place à la simulation thermique dynamique (STD), qui modélise le comportement du bâtiment au pas horaire sur une année météorologique type. Pour les bâtiments neufs, la RE2020 a introduit l'indicateur de confort d'été DH, exprimé en degrés-heures d'inconfort sur l'année : dans le cas général, un bâtiment n'est pas conforme au-delà de 1 250 DH, et il est pénalisé au-delà de 350 DH par une consommation de froid forfaitaire ajoutée à son bilan énergétique. Enfin, la conception des circuits frigorifiques respecte la norme NF EN 378, qui fixe les exigences de sécurité et d'environnement, notamment la charge maximale de fluide selon sa classe de sécurité et le volume des locaux desservis.

Enjeux environnementaux et innovations technologiques

Selon l'Agence internationale de l'énergie, dans son rapport The Future of Cooling publié en 2018, les climatiseurs et les ventilateurs électriques représentent environ 10 % de la consommation mondiale d'électricité. Le parc de climatiseurs, estimé à 1,6 milliard d'unités en 2016, pourrait atteindre 5,6 milliards en 2050 sous l'effet de la croissance démographique et économique des pays chauds.

Le paradoxe est connu : la climatisation consomme de l'électricité, émet des gaz à effet de serre en cas de fuite et rejette sa chaleur dehors, ce qui renforce l'îlot de chaleur urbain et donc les besoins de rafraîchissement. Plusieurs technologies cherchent à rompre ce cycle :

• le free cooling, qui refroidit directement ou via un échangeur grâce à l'air extérieur lorsque sa température le permet, très utilisé dans les data centers ;
• le géocooling, qui fait circuler l'eau d'un champ de sondes géothermiques ou d'une nappe pour rafraîchir le bâtiment sans faire tourner de compresseur ;
• la climatisation solaire à absorption, où une machine à absorption, le plus souvent au couple eau et bromure de lithium, est alimentée par la chaleur de capteurs solaires au lieu d'un compresseur électrique ;
• le refroidissement adiabatique, qui abaisse la température de l'air par évaporation d'eau, avec une consommation électrique très faible mais une efficacité réduite en climat humide ;
• les réseaux de froid urbains, qui mutualisent la production à l'échelle d'un quartier et peuvent puiser dans un fleuve, comme le réseau parisien qui utilise l'eau de la Seine.

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