INSTALLATION ET ENTRETIEN DES SYSTÈMES DE CLIMATISATION (partie 3/5)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À l’issue de ce chapitre, l’élève sera capable de : 1. Identifier les différents types de caissons de traitement d’air (CTA), les boîtes VAV et les centrales à eau glacée sur un schéma ou sur le terrain. 2. Dessiner le schéma fonctionnel (aéraulique, hydraulique et frigorifique) de chaque sous‑système. 3. Réaliser les opérations de mise en service, de maintenance préventive et corrective conformément aux règles de sécurité et d’hygiène en vigueur au Cameroun. 4. Interpréter les relevés de mesure (débit, pression, température, consommation d’énergie) et proposer des réglages d’optimisation. **Prérequis** : Maîtrise des bases de la thermodynamique appliquée (cycles frigorifiques, échanges de chaleur), connaissance des symboles schématiques aérauliques et hydrauliques, notions de lecture de plans d’installation, ainsi que les règles de prévention des risques électriques et mécaniques (NF C 15-100, arrêté du travail au Cameroun). ## Introduction Dans les bâtiments tertiaires et industriels du Cameroun, la climatisation centralisée « tout air » ou « tout eau » reste la solution privilégiée pour garantir le confort thermique tout maîtrisant la consommation énergétique. Les caissons de traitement d’air (CTA) assurent le conditionnement (filtration, chauffage, refroidissement, humidification) de l’air neuf ou recyclé. Les systèmes à volume variable (VAV) permettent d’ajuster le débit d’air aux besoins réels de chaque zone, réduisant ainsi les pertes de charge. Enfin, les centrales à eau glacée produisent le fluide frigoporteur qui alimente les batteries d’eau froide des CTA ou des ventilo‑convecteurs. Ce chapitre détaille, leçon par leçon, l’identification, la schématisation et la maintenance de ces trois sous‑systèmes, en s’appuyant sur des situations réelles rencontrées dans les chantiers de Yaoundé, Douala ou Garoua. ## I. TP 5 : Identification, Schémation et Maintenance d'un Système de Climatisation Centralisé Tout Air : Les Caissons de Traitement d'Air ### A. Présentation du caisson de traitement d'air (CTA) Un CTA est un ensemble étanche regroupant, dans un ordre logique, les fonctions suivantes : - **Filtration** (pré‑filtre G4, filtre à particules F7–F9, éventuellement filtre à charbon actif). - **Échange thermique** (batterie de chauffage à eau chaude ou vapeur, batterie de refroidissement à eau glacée ou détente directe). - **Humidification/déshumidification** (buse à ultrasons, plaque évaporative, ou déshumidificateur à condensation). - **Ventilation** (ventilateur centrifuge ou hélicoïdal, avec variateur de fréquence). - **Commande et régulation** (automate programmable, capteurs de température, d’humidité et de pression différentielle). > **>** Un CTA doit être conforme à la norme NF EN 13779 (ventilation et climatisation des bâtiments non résidentiels) et au décret camerounais n° 2018/325 du 12 juillet 2018 relatif à la qualité de l’air intérieur. ### B. Schéma fonctionnel Le schéma aéraulique d’un CTA se lit de gauche à droite : 1. **Entrée d’air neuf** (ou retour) → **Filtre pré‑filtre** → **Filtre fin** → **Batterie de chauffage** → **Batterie de refroidissement** → **Humidificateur** → **Ventilateur** → **Sortie vers les gaines de distribution**. Un schéma typique comporte également les dérivations de **by‑pass** (contournement de la batterie de chauffage en été) et de **recirculation** (mélange air neuf/air retour). ### C. Procédure d’identification sur chantier 1. **Repérage visuel** : localisation du CTA dans la salle technique ou le faux‑plafond, repérage des étiquettes constructeur (marque, modèle, débit nominal, pression statique). 2. **Vérification des raccordements** : - Tuyauterie d’eau chaude/froide (raccords à bride, vannes d’isolement, manomètres). - Gaines d’air (flanges, colliers, joints d’étanchéité). - Câblage d’alimentation (triphasé 380 V, protection par disjoncteur différentiel 30 mA). 3. **Relevé des paramètres** : débit d’air (anémomètre à hélice), pression statique (manomètre à colonne), température d’entrée/sortie de chaque batterie (thermocouple type K), humidité relative (hygromètre à condensation). 4. **Comparaison avec la fiche technique** : écarts admissibles ≤ 5 % pour le débit, ≤ 3 °C pour les températures. ### D. Maintenance préventive et corrective | Fréquence | Action | Outils / Consommables | Points de contrôle | |-----------|--------|-----------------------|--------------------| | Hebdomadaire | Nettoyage des pré‑filtres | Aspirateur industriel, brosse douce | État d’encrassement, perte de charge | | Mensuelle | Vérification de l’étanchéité des gaines | Fumigène, détecteur de fuites | Présence de fuites d’air | | Trimestrielle | Contrôle des batteries de chauffage et d’eau glacée | Manomètre, thermomètre | Température de fuite, pression d’eau | | Semestrielle | Lubrification du ventilateur | Graisse haute température | Jeu axial, vibrations | | Annuel | Test de performance globale | Débitmètre, enregistreur de données | Efficacité énergétique (COP, SEER) | **Maintenance corrective** : en cas de baisse de débit, vérifier d’abord l’état des filtres, puis le ventilateur (courant d’alimentation, condensateur), enfin les vannes d’isolement (blocage, fuite). ### E. Exemple d’atelier Dans le lycée technique de Ngoa‑Ekellé (Yaoundé), un CTA modèle **Carrier 39MN024** (débit nominal 12 000 m³/h, pression statique 250 Pa) présente une perte de charge de 350 Pa après trois mois d’exploitation. L’élève effectue : 1. Nettoyage du pré‑filtre G4 (débit passe de 9 800 à 11 600 m³/h). 2. Vérification du ventilateur : courant mesuré 12,5 A (valeur nominale 13 A) → bon état. 3. Contrôle de la batterie de refroidissement : température d’entrée eau glacée 7 °C, sortie 12 °C → ΔT = 5 °C (conforme). Après remise en service, la perte de charge retombe à 260 Pa, proche de la valeur théorique (250 Pa). > **>** La perte de charge d’un CTA se calcule approximativement par : ΔP = Σ (ζ·ρ·v²/2) où ζ est le coefficient de perte local, ρ la densité de l’air (≈ 1,2 kg/m³) et v la vitesse moyenne dans la section considérée. ## II. TP 6 : Identification, Schémation et Maintenance d'un Système de Climatisation Centralisé Tout Air : Les Systèmes à Volume Variable ### A. Principe du VAV (Variable Air Volume) Dans un système VAV, le débit d’air fourni à chaque zone est modulé en fonction de la charge thermique réelle, tandis que la température de l’air de soufflage reste constante (souvent autour de 13 °C en refroidissement). La régulation se fait par une **boîte VAV** située au niveau du diffuseur ou du plenum, qui ajuste l’ouverture d’un clapet motorisé selon le signal d’un thermostat d’ambiance. ### B. Composants principaux - **Boîte VAV** : corps en tôle galvanisée, clapet à contre‑poids ou servomoteur, capteur de débit (tube de Pitot ou turbine). - **Detendeur de pression** (souvent intégré à la boîte) pour maintenir une pression différentielle constante entre le plenum d’alimentation et le plenum de retour. - **Capteurs d’ambiance** : température, humidité, parfois CO₂ (pour la ventilation hygiénique). - **Automate de régulation** (PLC ou régulateur PID central) qui traite les consignes de chaque zone et envoie le signal de position au servomoteur. - **Ventilateur central** à vitesse variable (variateur de fréquence) permettant d’ajuster le débit global du système en fonction de la somme des ouvertures des boîtes VAV. ### C. Schéma typique Le schéma aéraulique VAV se compose de : 1. **Unité de traitement d’air (UTA)** → **plenum d’alimentation** → **gaines principales** → **boîtes VAV** (une par zone) → **diffuseurs** → **plenum de retour** → **UTA** (boucle fermée). Un schéma de régulation montre le retour du signal de température d’ambiance vers l’automate, qui ajuste la vitesse du ventilateur et la position des clapets. > **>** La consigne de débit d’une boîte VAV s’exprime généralement en pourcentage du débit nominal : Q_actual = Q_nom × (ouverture / 100). ### D. Identification et mise en service 1. **Repérage des boîtes VAV** : étiquettes indiquant le débit nominal (ex. : 300 l/s), la marque (ex. : Trane VAV‑300) et le numéro de zone. 2. **Vérification du câblage** : alimentation 24 V DC du servomoteur, liaison du capteur de débit à l’entrée analogique de l’automate. 3. **Essai de fonctionnement** : - En mode « débordement » (clapet entièrement ouvert) mesurer le débit avec un anémomètre à hélice dans la gaine d’alimentation de la boîte. - En mode « fermeture » (clapet à 0 %) vérifier l’absence de débit (valeur < 5 % du nominal). - Régler le zéro du capteur de débit si nécessaire. 4. **Paramétrage de l’automate** : entrer le débit nominal de chaque boîte, définir les consignes de température (ex. : 22 °C en chauffage, 24 °C en refroidissement) et activer le mode économie d’énergie (réduction du débit ventilateur lorsque toutes les boîtes sont fermées à > 80 %). ### E. Maintenance | Intervention | Périodicité | Procédure clé | |--------------|-------------|---------------| | Nettoyage des filtres de l’UTA | Mensuel | Même procédé que pour le CTA (voir TP 5) | | Vérification du servomoteur | Trimestriel | Mesure de la tension d’alimentation, contrôle du couple de sortie (dynamomètre) | | Étalonnage du capteur de débit | Semestriel | Comparaison avec un débitmètre de référence (tube de Pitot calibré) | | Contrôle de l’étanchéité des gaines | Annuel | Test à la fumée sous pression (50 Pa) | | Mise à jour du logiciel de régulation | Selon constructeur | Téléchargement du firmware, sauvegarde des paramètres | **Cas de dépannage fréquent** : une zone ne atteint pas la consigne de température alors que le débit mesuré est faible. Causes possibles : servomoteur bloqué, capteur de débit déréglé, ou fuite d’air dans le plenum de retour. La démarche consiste à isoler la boîte, vérifier manuellement le déplacement du clapet, puis tester le capteur avec un débitmètre externe. > **>** En régime VAV, la puissance électrique du ventilateur varie approximativement avec le cube du débit d’air (P_vent ∝ Q³) selon les lois d’affinité, tandis que la puissance frigorifique utile varie linéairement avec Q lorsque la température de soufflage est constante. ## III. TP 7 : Identification, Schémation et Maintenance d'un Système de Climatisation Centralisé Tout Eau : Les Centrales à Eau Glacée ### A. Centrale à eau glacée (production d’eau froide) Une centrale à eau glacée produit de l’eau réfrigérée (généralement entre 4 °C et 7 °C) qui sera distribuée aux batteries de refroidissement des CTA ou des ventilo‑convecteurs. Le cycle frigorifique de base est celui d’un **compresseur à vis** ou **scroll**, avec un **évaporateur à échangeur de chaleur à plaques**, un **condenseur à eau ou à air**, et un **détendeur** (souvent un détendeur thermostatique ou électronique). ### B. Composants essentiels - **Compresseur** : aspire le gaz frigorifique basse pression, le comprime à haute pression et température. - **Condenseur** : échangeur où le gaz chaud cède sa chaleur à l’eau de refroidissement (tour aéroréfrigérante) ou à l’air ambiant. - **Détendeur** : réduit la pression du liquide frigorifique, provoquant son évaporation partielle dans l’évaporateur. - **Évaporateur** : échangeur où le liquide frigorifique évapore en absorbant la chaleur de l’eau à refroidir (eau glacée). - **Réservoir d’eau glacée** (ou bassin) : stocke l’eau froide, assure une inertia thermique et permet le dégazage. - **Pompe de circulation** : pousse l’eau glacée vers les utilisateurs et retourne l’eau chaude vers l’évaporateur. - **Tableau de commande** : régule la capacité du compresseur (inversion de cyclage, variateur de vitesse) en fonction de la température de consigne de l’eau glacée (souvent 6 °C ± 0,5 °C). ### C. Schéma hydraulique et frigorifique Le schéma se lit en deux boucles : 1. **Boucle frigorifique** : compresseur → condenseur → détendeur → évaporateur → retour au compresseur. 2. **Boucle hydraulique eau glacée** : réservoir → pompe → utilisateurs (batteries de CTA, ventilo‑convecteurs) → retour au réservoir. Un point critique est l’équilibre des débits : le débit d’eau glacée doit être suffisant pour absorber la charge thermique des utilisateurs sans provoquer une montée en température au-delà du consigne. > **>** La capacité frigorifique d’une centrale se calcule par : Q_fr = m_dot_eau × Cp_eau × (T_retour – T_fourniture) où m_dot_eau est le débit massique d’eau glacée (kg/s), Cp_eau ≈ 4,18 kJ/(kg·K), T en °C. ### D. Identification sur site 1. **Localisation** : généralement dans un local technique dédié, avec isolation phonique et ventilation dédiée. 2. **Étiquetage** : marque (ex. : Carrier 30XA), modèle, capacité nominale (ex. : 350 kW frigorifiques), tension d’alimentation (400 V triphasé), débit d’eau glacée nominal (ex. : 20 l/s). 3. **Vérification des raccordements** : - Tuyauterie d’eau glacée (isolée, avec purge d’air). - Tuyauterie d’eau de refroidissement du condenseur (connectée à la tour aéroréfrigérante ou au réseau d’eau de ville). - Câblage d’alimentation et de commande (signaux 4‑20 mA du capteur de température eau glacée). 4. **Mesure de paramètres** : température d’entrée et de sortie de l’évaporateur (thermocouple type T), pression de condensation et d’évaporation (manomètres à Bourdon), débit d’eau glacée (débitmètre à ultrasons), consommation électrique du compresseur (wattmètre). ### E. Maintenance et contrôle de performance | Action | Périodicité | Détails | |--------|-------------|---------| | Contrôle du niveau d’huile du compresseur | Mensuel | Vérifier niveau, couleur, présence de particules ; appoint si nécessaire. | | Nettoyage du condenseur (eau ou air) | Trimestriel | Pour refroidissement à eau : détartrage, contrôle du débit d’eau de refroidissement. Pour air : dépoussiérage des ailettes, vérification du débit d’air. | | Vérification du détendeur | Semestriel | Contrôle de la température de surchauffe à la sortie du détendeur (doit être 5‑8 °C). | | Analyse de l’eau glacée | Semestriel | pH, conductivité, présence de corrosion ; ajout d’inhibiteur si nécessaire. | | Test de performance globale | Annuel | Mesure Q_fr (voir formule ci‑dessus) et comparaison avec la capacité nominale ; écotolerable ≤ 5 %. | | Contrôle de la sécurité | Selon réglementation | Vérification des soupapes de surpression, des disjoncteurs différentiels, des systèmes de coupure d’urgence. | **Exemple de dépannage** : la température de l’eau glacée remonte à 12 °C alors que le consigne est 6 °C. Après vérification, on constate que le débit d’eau de refroidissement du condenseur est tombé à 40 % du nominal à cause d’une vanne partiellement fermée. En rétablissant le débit d’eau de refroidissement, la température de condensation chute, le compresseur travaille moins et l’eau glacée retrouve sa consigne. > **>** Le coefficient de performance (COP) d’une centrale à eau glacée se définit comme : COP = Q_fr / P_elec où Q_fr est la puissance frigorifique utile (kW) et P_elec la puissance électrique absorbée par le compresseur (kW). Un COP typique pour une installation moderne varie entre 4,5 et 5,5 en conditions nominales. ## Synthèse du chapitre - **CTA (tout air)** : filtration → échange thermique → humidification → ventilation ; schéma aéraulique linéaire ; maintenance centrée sur filtres, ventilateur, batteries. - **Systèmes VAV** : débit d’air variable par boîte VAV, température de soufflage constante ; régulation par clapet motorisé et automate ; entretien focalisé sur servomoteurs, capteurs de débit, étanchéité des gaines. - **Centrales à eau glacée** : production d’eau froide via cycle frigorifique (compresseur‑condenseur‑détendeur‑évaporateur) ; boucle hydraulique eau glacée séparée ; suivi de température, pression, débit d’eau et d’huile. - **Points communs** : lecture d’étiquettes constructeur, relevé de paramètres (température, pression, débit, consommation), respect des normes NF EN 13779, NF EN 378 (installations frigorifiques) et de la réglementation camerounaise sur la qualité de l’air intérieur et la sécurité des installations électriques. - **Formules clés** : perte de charge CTA (ΔP = Σ ζ·ρ·v²/2), débit VAV (Q_actual = Q_nom × ouverture/100), capacité frigorifique (Q_fr = m_dot_eau·Cp_eau·ΔT), COP (Q_fr / P_elec). ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Caisson de traitement d’air (CTA) | Ensemble regroupant filtration, échange thermique, humidification/déshumidification et ventilation pour conditionner l’air neuf ou recyclé. | | Système VAV (Variable Air Volume) | Installation où le débit d’air fourni à chaque zone est modulé selon la charge thermique, la température de soufflage restant constante. | | Boîte VAV | Dispositif contenant un clapet motorisé et un capteur de débit qui régule le débit d’air vers une zone donnée. | | Centrale à eau glacée | Installation produisant de l’eau réfrigérée (4‑7 °C) par un cycle frigorifique pour alimenter des batteries de refroidissement. | | Évaporateur | Échangeur où le fluide frigorigène absorbe la chaleur de l’eau à refroidir, provoquant son évaporation. | | Condenseur | Échangeur où le gaz frigorigène chaud cède sa chaleur à l’eau ou à l’air de refroidissement. | | Détendeur | Organe qui réduit la pression du liquide frigorigène, provoquant son évaporation partielle dans l’évaporateur. | | COP (Coefficient de Performance) | Rapport entre la puissance frigorifique utile et la puissance électrique consommée par le compresseur. | | Pression statique | Pression exercée par l’air dans une conduite, indépendante de la vitesse d’écoulement. | | Débit massique | Masse de fluide passant par une section unité de temps (kg/s). | | Purge d’air | Opération d’élimination des bulles d’air piégées dans un circuit hydraulique. | | Soupape de surpression | Dispositif de sécurité qui s’ouvre automatiquement lorsque la pression dépasse un seuil prédéfini. | ## Exercices d'application corrigés **Exercice 1 – CTA** Un CTA de débit nominal 10 000 m³/h doit fournir de l’air à 20 °C avec une humidité relative de 50 %. La batterie de refroidissement reçoit de l’eau glacée à 6 °C et en ressort à 12 °C. Calculer la puissance frigorifique nécessaire de la batterie. *Données* : Cp_air ≈ 1,005 kJ/(kg·K), ρ_air ≈ 1,2 kg/m³, Cp_eau = 4,18 kJ/(kg·K). **Corrigé** 1. Débit massique d’air : \(\dot m_{air} = \rho_{air} \times Q = 1,2 \times \frac{10 000}{3600} = 3,33\;kg/s\). 2. Variation d’enthalpie de l’air (approximation Cp·ΔT) : \(\Delta h_{air} = Cp_{air} \times (T_{sortie} - T_{entrée})\). L’air entrant est à 35 °C (typique extérieur chaud) et doit être refroidi à 20 °C → ΔT = –15 °C. \(\Delta h_{air} = 1,005 \times (-15) = -15,075\;kJ/kg\). 3. Puissance thermique à retirer de l’air : \(\dot Q_{air} = \dot m_{air} \times |\Delta h_{air}| = 3,33 \times 15,075 = 50,2\;kW\). 4. Cette puissance est transférée à l’eau glacée : \(\dot Q_{eau} = \dot m_{eau} \times Cp_{eau} \times (T_{sortie_eau} - T_{entrée_eau})\). On connaît ΔT_eau = 12 °C – 6 °C = 6 °C. Donc \(\dot m_{eau} = \dot Q_{air} / (Cp_{eau} \times ΔT_{eau}) = 50,2 / (4,18 \times 6) = 2,00\;kg/s\) ≈ 7,2 m³/h. **Réponse** : puissance frigorifique ≈ 50 kW ; débit d’eau glacée requis ≈ 7,2 m³/h. **Exercice 2 – VAV** Une boîte VAV a un débit nominal de 400 l/s. Lors d’une mesure, l’ouverture du clapet est de 45 %. Quel est le débit réel fourni à la zone ? **Corrigé** \(Q_{réel} = Q_{nom} \times (ouverture/100) = 400 \times 0,45 = 180\;l/s\). **Exercice 3 – Centrale à eau glacée** Une centrale fournit de l’eau glacée à 6 °C avec un débit de 15 l/s. La température de retour après passage dans les batteries est de 13 °C. La puissance électrique mesurée au compresseur est de 80 kW. Calculer le COP de l’installation. **Corrigé** 1. Débit massique d’eau : \(\dot m = \rho_{eau} \times Q = 1000 \times 15/1000 = 15\;kg/s\) (puisque 1 l d’eau ≈ 1 kg). 2. Puissance frigorifique : \(\dot Q_{fr} = \dot m \times Cp_{eau} \times \Delta T = 15 \times 4,18 \times (13-6) = 15 \times 4,18 \times 7 = 438,9\;kW\). 3. COP = \(\dot Q_{fr} / P_{elec} = 438,9 / 80 = 5,49\) (≈ 5,5). *Remarque* : ce COP est conforme aux valeurs attendues pour une installation moderne (4,5‑5,5). Une valeur nettement inférieure indiquerait un problème de surchauffe du condenseur ou de débit d’eau de refroidissement insuffisant. ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Oublier de fermer les vannes d’isolement avant d’intervenir sur une batterie d’eau glacée | Risque de projection d’eau sous pression, brûlures, court‑circuit électrique | Toujours verrouiller et étiqueter (LO/TO) les vannes, vérifier l’absence de pression avec un manomètre avant toute ouverture. | | 2 | Nettoyer les filtres d’un CTA avec un solvant inflammable | Risque d’incendie ou d’explosion dans le plenum | Utiliser uniquement de l’air comprimé sec ou un aspirateur muni d’un filtre HEPA ; aucun produit chimique non autorisé. | | 3 | Régler un servomoteur de boîte VAV sans couper l’alimentation 24 V DC | Risque de choc électrique ou de détérioration du servomoteur | Couper l’alimentation, attendre la décharge des condensateurs, puis intervenir ; utiliser un tournevis isolé. | | 4 | Négliger le contrôle du niveau d’huile du compresseur d’une centrale à eau glacée | Surchauffe, usure prématurée, éventuelle saisie du compresseur | Vérifier le niveau hebdomadaire, faire l’appoint avec l’huile spécifiée par le constructeur, filtrer l’huile si des particules sont détectées. | | 5 | Ouvrir une vanne de purge d’air sur un circuit d’eau glacée sans purger l’air préalablement | Cavitation dans la pompe, bruit, perte de débit, usure des joints | Purger l’air lentement à l’aide d’un purgeur automatique ou manuel jusqu’à obtention d’un écoulement sans bulles ; contrôler le débit après purge. | | 6 | Utiliser un câble d’alimentation sous‑dimensionné pour le ventilateur d’un CTA | Surchauffe du câble, déclenchement intempestif du disjoncteur, risque d’incendie | Se référer au tableau de section des conducteurs (NF C 15-100) en fonction du courant de démarrage du moteur (souvent 6–8× le courant nominal). | > **>** Toute intervention sur une installation sous tension doit être précédée d’une analyse des risques (méthode TRA) et de la mise en place d’un périmètre de sécurité clairement délimité. > **>** Le port des EPI (lunettes de protection, gants isolants, chaussures de sécurité) est obligatoire lors de la manipulation des fluides sous pression ou des composants électriques. > **>** Les relevés de mesure doivent être consignés dans un carnet d’intervention signé par le technicien et contre‑signé par le responsable de chantier. > **>** En cas de détection d’une fuite de frigorigène, évacuer immédiatement la zone, ventiler, et appeler le service spécialisé (certifié pour la manipulation des fluides frigorigènes selon la réglementation camerounaise). --- *Fin du cours.*