L'humidification

En hiver, l'air neuf entre froid et presque sans eau. Chauffé, il devient très sec. Humidifier, c'est lui rendre quelques grammes d'eau par kilogramme d'air sec. Le calcul de la quantité est simple ; le choix de la façon de l'apporter décide de l'énergie, de l'hygiène et de la place prise dans la centrale. Ce chapitre compare les deux familles, la vapeur et l'eau liquide, sur la centrale de référence.

38.1 Pourquoi humidifier

Le chapitre 14 l'a montré : dans une ambiance tempérée, l'humidité pèse peu sur le confort thermique global, et vingt points d'humidité relative pèsent à peine plus qu'un degré. On n'humidifie donc pas pour avoir chaud. On humidifie parce qu'un air très sec a d'autres effets. Les muqueuses du nez et de la gorge et les yeux se dessèchent ; les plaintes d'irritation augmentent dans les bureaux chauffés en hiver. Les charges électrostatiques s'accumulent sur les personnes, les moquettes et les matériels, et les décharges deviennent gênantes, voire nuisibles pour l'électronique. Certains procédés (imprimerie, textile, bois, archives, salles d'opération) ont en plus leurs propres exigences.

La valeur courante d'humidité minimale en bureau se situe entre 30 et 40 %. L'EN 16798-1 propose, dans une annexe informative, des humidités de conception par catégorie quand un humidificateur est installé ; elles sont un peu plus basses, de l'ordre de 20 à 30 % selon la catégorie. Il ne faut pas viser trop haut non plus : au-delà de 50 à 60 % en hiver, la température de rosée de l'ambiance monte et les surfaces froides risquent de condenser (chapitre 1, § 1.7, et chapitre 5, § 5.7).

Le besoin vient de l'air neuf, et des infiltrations qui entrent aussi sèches que lui (chapitre 18). Le chauffer relève des déperditions et du renouvellement d'air (chapitres 17 et 18) ; l'humidifier est un poste à part. L'air de projet à −7 °C et 90 % ne porte que 1,87 g/kg. Réchauffé à 20 °C sans eau ajoutée, il tombe à 13,0 %. Les occupants rendent de la vapeur (chapitres 19 à 21) : dans la centrale de référence, 200 personnes à 45 W latents ajoutent 2,20 g/kg à l'air soufflé. Sans humidificateur, l'ambiance s'établirait à 4,08 g/kg, soit 28,3 % à 20 °C. La centrale vise 40 % : il manque l'écart, et c'est l'humidificateur qui l'apporte.

38.2 Le besoin d'eau et de puissance

Tout se lit sur les teneurs en eau. Si q_m,a est le débit d'air sec, x₁ la teneur en eau à l'entrée de l'humidificateur et x₂ celle qu'on veut à la sortie, le débit d'eau à évaporer est :

q_m,w = q_m,a · (x₂ − x₁)

La teneur en eau visée au soufflage se déduit de l'ambiance : on prend la teneur en eau de l'état d'ambiance visé et on retire ce que les occupants y ajoutent. Pour la centrale de référence, 20 °C et 40 % correspondent à 5,78 g/kg ; moins les 2,20 g/kg latents, il faut souffler 3,58 g/kg.

La puissance se lit sur l'enthalpie, comme pour toute transformation (chapitre 1) :

Φ = q_m,a · (h₂ − h₁) = q_m,w · h_w

où h_w est l'enthalpie de l'eau apportée. Cette égalité dit l'essentiel : l'air reçoit exactement l'enthalpie de l'eau qu'on lui donne. Si l'eau arrive en vapeur, elle porte déjà sa chaleur de vaporisation, payée par le générateur. Si elle arrive liquide, l'air doit la vaporiser avec sa propre chaleur sensible.

38.3 Le trajet sur le diagramme h-x

Le chapitre 2 (§ 2.7) a établi que la direction d'une humidification sur le diagramme est fixée par l'eau apportée, et par elle seule :

Δh / Δx = h_w

Vapeur. Avec le modèle du cours, la vapeur à 100 °C apporte h_w = 2501 + 1,86 × 100 = 2 687,0 kJ/kg. L'isotherme à 18,98 °C, température d'entrée de l'humidificateur de la centrale, a pour pente 2501 + 1,86 × 18,98 = 2 536,3 kJ/kg. Les deux pentes sont voisines : le trajet suit presque l'isotherme, avec un léger réchauffement. Sur le diagramme du cours, où les isothermes sont presque horizontales, il file vers la droite. Sur le diagramme psychrométrique anglo-saxon, qui porte x en ordonnée, le même trajet est presque vertical.

Eau liquide. L'eau recyclée d'un laveur se met à la température de saturation adiabatique t*. Son enthalpie c_w · t* ne vaut que quelques dizaines de kJ/kg. Le trajet suit presque une isenthalpe et l'air se refroidit d'environ 2,5 K par g/kg d'eau évaporée. Il ne peut pas dépasser la saturation, atteinte à t*.

La figure 38.1 montre les deux trajets côte à côte. Ils partent du même air, sorti du récupérateur, et arrivent au même point. La vapeur garde la batterie chaude de la centrale et file presque à l'horizontale ; l'eau pulvérisée demande un préchauffage plus fort, puis descend le long d'une isenthalpe. Le pointillé prolonge cette isenthalpe jusqu'à la saturation : la part du chemin parcourue est l'efficacité de saturation du § 38.6.

38.4 Les humidificateurs à vapeur

Un humidificateur à vapeur produit de la vapeur à pression atmosphérique, presque à 100 °C, et l'injecte dans la gaine par une rampe percée. Trois façons de la produire sont courantes.

À électrodes

Des électrodes plongent dans l'eau d'un cylindre. Le courant traverse l'eau elle-même, qui chauffe par effet Joule et bout. La puissance dépend de la surface d'électrode mouillée et de la conductivité de l'eau : on la module en jouant sur le niveau d'eau, par remplissage et vidange. L'appareil fonctionne à l'eau de ville, qui doit être assez conductrice. Les sels restent dans le cylindre quand l'eau s'évapore : des purges de déconcentration évacuent régulièrement une partie de l'eau, et le cylindre finit par s'entartrer et se remplacer.

À résistances

Des résistances blindées chauffent l'eau. La puissance se règle finement, indépendamment de la qualité de l'eau, et l'appareil accepte l'eau déminéralisée ou osmosée, qui limite l'entretien. L'investissement est plus élevé.

Vapeur de réseau

Là où une chaufferie produit de la vapeur, une vanne de réglage l'injecte directement, ou bien un échangeur produit une vapeur propre à partir de l'eau traitée. L'injection directe n'est acceptable que si les produits de traitement de la chaudière sont compatibles avec l'air respiré.

L'électricité nécessaire se calcule sur un kilogramme. Il faut porter l'eau d'appoint de 10 °C à 100 °C puis la vaporiser. Le modèle du cours donne 2 687,0 − 4,19 × 10 = 2 645,1 kJ/kg ; les tables de vapeur donnent 4,19 × 90 + 2 256,4 = 2 633,5 kJ/kg, soit 0,4 % d'écart. C'est 0,735 kWh/kg au minimum. Les pertes de l'enveloppe et l'eau chaude des purges s'y ajoutent ; avec un rendement de générateur de 0,95, hypothèse d'exemple, on retient 0,773 kWh/kg. Les fiches des constructeurs donnent le même ordre de grandeur.

La vapeur doit arriver sèche à la rampe. Le flexible monte puis redescend vers la rampe sans faire de poche où le condensat s'accumulerait, et la rampe a sa propre purge de condensat.

38.5 La distance d'absorption

À la sortie de la rampe, la vapeur forme un panache. Tant qu'elle n'est pas mélangée à assez d'air, le mélange local dépasse la saturation et l'on voit un brouillard. La distance d'absorption est la longueur de gaine au bout de laquelle ce brouillard a disparu. Aucun obstacle ne doit s'y trouver : une batterie, un filtre, un coude, un ventilateur ou une sonde placés trop près se mouillent.

Le diagramme dit pourquoi elle varie. Mélanger de la vapeur à de l'air suit la même droite que le trajet de la vapeur, prolongée. Partie de 18,98 °C et 1,87 g/kg, cette droite atteint la saturation à 20,98 °C et 15,59 g/kg, soit après un apport local de 13,72 g/kg. L'humidificateur de la centrale n'apporte que 1,70 g/kg en moyenne : le panache cesse de faire du brouillard dès que sa vapeur est répartie sur 12,4 % du débit d'air. Pour une ambiance visée à 50 %, l'apport monte à 3,16 g/kg et il faut 23,1 % du débit. Le mélange doit aller plus loin, et la distance d'absorption s'allonge. Elle s'allonge aussi quand l'air est plus froid ou déjà humide, puisque la marge jusqu'à la saturation fond.

Ce rapport est un indicateur, pas une distance : celle-ci dépend de la vitesse de l'air, du nombre de rampes et de leur écartement. On la lit sur les abaques des constructeurs, et plusieurs rampes réparties sur la hauteur la raccourcissent.

38.6 Les humidificateurs adiabatiques

Un humidificateur adiabatique met de l'eau liquide au contact de l'air et laisse l'air l'évaporer. Il en existe plusieurs formes :

• le laveur à pulvérisation : des rampes de buses pulvérisent de l'eau recyclée par une pompe depuis un bac ; un séparateur de gouttes à lames en chevrons arrête les gouttes non évaporées ;
• la pulvérisation haute pression : une pompe porte de l'eau osmosée à plusieurs dizaines de bars et des buses fines la divisent en gouttelettes qui s'évaporent presque toutes ; on règle le débit en ouvrant plus ou moins de buses ;
• le média évaporatif : un bloc en nid d'abeille, arrosé par le haut, que l'air traverse ; l'eau qui ruisselle retourne au bac.

Leur performance se mesure par l'efficacité de saturation, la part du chemin parcourue vers la saturation :

η = (x₂ − x₁) / (x* − x₁) ≈ (t₁ − t₂) / (t₁ − t*)

où x* est la teneur en eau saturante à t*. Comme l'eau reste à t*, l'appareil se comporte comme un échangeur dont un fluide ne change pas de température : c'est le cas C_r = 0 du chapitre 8, et η = 1 − exp(−NTU). Le NTU croît avec l'épaisseur de média ou la longueur de pulvérisation et décroît avec la vitesse de l'air. Une efficacité de 0,8, valeur d'exemple pour un laveur ou un média épais, correspond à un NTU de 1,61.

Le point dur est l'énergie d'évaporation, prise sur l'air. L'air extérieur de projet, à −7 °C et 90 %, a une température de saturation adiabatique de −7,39 °C : à saturation sur la glace il porterait 2,01 g/kg, soit 0,14 g/kg de plus au mieux, et l'eau gèlerait. Un humidificateur adiabatique demande donc toujours un préchauffage. Même l'air sorti du récupérateur, à 13,25 °C, ne suffit pas : humidifié jusqu'à 3,58 g/kg, il tomberait à 9,04 °C, refroidi de 4,21 K, et il faudrait le réchauffer ensuite. La solution propre consiste à préchauffer jusqu'à l'isenthalpe du point visé, puis à humidifier le long de cette isenthalpe.

38.7 Exemple : l'humidificateur à vapeur de la centrale

La centrale de référence traite 5 000 m³/h d'air neuf, soit 1,667 kg/s d'air sec (chapitre 36 pour la batterie chaude, chapitre 40 pour le récupérateur). Au point d'hiver de projet, l'air sort du récupérateur à 13,25 °C, réchauffé par 34,07 kW, puis de la batterie chaude à 18,98 °C avec 9,65 kW.

1. Entrée de l'humidificateur : 18,98 °C, x₁ = 1,87 g/kg, h₁ = 23,85 kJ/kg, φ = 13,9 %.
2. Sortie visée : x₂ = 5,78 − 2,20 = 3,58 g/kg, donc Δx = 1,70 g/kg.
3. Vapeur : q_m,w = 1,667 × 0,001703 × 3 600 = 10,22 kg/h.
4. Enthalpie : Δh = 0,001703 × 2 687,0 = 4,576 kJ/kg, h₂ = 28,43 kJ/kg, et l'air reçoit 1,667 × 4,576 = 7,63 kW.
5. Température : l'écart entre la pente de la vapeur et celle de l'isotherme, 2 687,0 − 2 536,3 = 150,7 kJ/kg, multiplié par Δx et divisé par la capacité thermique de l'air humide, donne 0,25 K. L'air passe de 18,98 à 19,24 °C et 26,0 %.
6. Électricité : 10,22 kg/h × 0,773 kWh/kg = 7,90 kW. L'eau d'appoint, entrée à 10 °C, apporte elle-même 0,12 kW.

Le ventilateur ajoute ensuite 1,71 kW et l'air est soufflé à 20,25 °C. En été, la teneur en eau extérieure dépasse le besoin : l'humidificateur reste arrêté et c'est la batterie froide qui retire de l'eau (chapitre 37).

38.8 Exemple : le même besoin en adiabatique

Remplaçons la vapeur par un humidificateur à pulvérisation, placé derrière la même batterie chaude. On impose le même air au ventilateur : 19,24 °C et 3,58 g/kg.

1. Point visé : h = 28,43 kJ/kg. L'eau apportée ne porte que c_w · t* par kilogramme, soit 40,7 kJ/kg ici : l'air doit entrer dans l'humidificateur avec h = 28,36 kJ/kg.
2. Préchauffage à x constant, depuis la sortie du récupérateur : de 13,25 °C jusqu'à 23,45 °C (10,6 %). La batterie fournit 1,667 × (28,357 − 18,062) = 17,16 kW, au lieu de 9,65 kW.
3. Humidification : t* = 9,71 °C et x* = 7,47 g/kg. L'efficacité demandée vaut (3,577 − 1,874) / (7,470 − 1,874) = 0,30, soit un NTU de 0,36.
4. Bilan : 17,16 kW de batterie, plus 0,12 kW d'enthalpie de l'eau, égalent les 17,27 kW de la variante vapeur (9,65 kW de batterie et 7,63 kW de vapeur). L'air reçoit la même énergie.

Un humidificateur d'efficacité 0,8 en ferait trop : il doit être modulé, par étages de buses ou par le débit d'une pompe à haute pression. Un laveur à pompe tout ou rien, lui, travaille près de la saturation : on règle la température d'entrée, puis on réchauffe. Ici, l'air sorti du récupérateur est déjà trop chaud pour lui. Il faudrait brider le récupérateur à une efficacité de 0,48 pour entrer à 6,08 °C ; l'eau du laveur serait à 0,81 °C, l'air sortirait à 1,86 °C et le réchauffage demanderait 29,33 kW au lieu de 17,16 kW. D'où l'intérêt de moduler.

La comparaison d'énergie. Les deux variantes livrent le même air, avec les mêmes 17,27 kW. La différence tient à la façon de payer l'évaporation. La vapeur la paie en électricité directe, 7,90 kW. L'adiabatique la paie par 7,51 kW de plus sur la batterie à eau chaude 45/35, dont le débit d'eau passe de 829 à 1 474 kg/h (chapitre 36). Si cette eau vient d'une pompe à chaleur de COP 2,5 au point de projet, valeur d'exemple, l'électricité totale tombe de 11,76 kW à 6,86 kW, pompe de l'humidificateur non comprise. Avec une chaudière ou un réseau de chaleur, la comparaison porte sur le prix et le contenu en carbone du kilowattheure. L'adiabatique coûte en revanche de la place, une perte de charge de plus pour le ventilateur (chapitre 9), et surtout une hygiène plus exigeante.

38.9 Sensibilité à l'humidité visée

Le débit d'eau est proportionnel à l'écart de teneur en eau, et l'ambiance visée le fixe presque seule. Le tableau garde le point de projet d'hiver et fait varier l'humidité visée à 20 °C.

Valeurs calculées par le modèle du cours ; air neuf à −7 °C et 90 %, 5 000 m³/h, charge latente de 200 personnes.

Passer de 40 à 50 % double presque le débit de vapeur ; à 30 %, l'humidificateur ne fait presque rien, car les occupants portent seuls l'ambiance à 28,3 %. C'est le premier levier d'économie : régler la consigne au minimum utile plutôt qu'au confort maximal.

38.10 Hygiène et légionelles

Un humidificateur met de l'eau dans l'air respiré. L'eau tiède stagnante, les dépôts et les biofilms favorisent la prolifération des bactéries, dont les légionelles, qui se transmettent par inhalation d'aérosols. La vapeur à 100 °C est stérile par nature ; le risque se concentre sur les humidificateurs adiabatiques, qui pulvérisent ou ruissellent de l'eau souvent recyclée, et sur toute zone où de l'eau non évaporée s'accumule.

La VDI 6022 (feuille 1, exigences d'hygiène pour les installations de traitement d'air) en donne la discipline. L'eau d'alimentation est traitée : adoucie ou osmosée, souvent désinfectée par rayonnement UV. L'eau recyclée est surveillée par des contrôles microbiologiques réguliers. Le bac se vide entièrement, avec une pente vers sa vidange, et l'installation se vidange et sèche à l'arrêt ; une purge de déconcentration limite les sels. Les matériaux sont lisses et nettoyables, les composants accessibles, et le séparateur de gouttes empêche l'eau de passer en aval. Les sections humides se placent là où l'air ne sature pas en aval, pour qu'aucun filtre ni isolant ne reste mouillé.

38.11 La régulation

La boucle principale règle l'humidité de l'ambiance. Une sonde d'ambiance, ou une sonde dans la reprise qui en donne une image moyenne, pilote le débit de vapeur ou le débit d'eau. La centrale de référence règle plutôt la teneur en eau soufflée sur la valeur qui tient l'ambiance, ce qui revient au même tant que la charge latente est connue.

Une sécurité s'y ajoute : un hygrostat de limite haute en gaine, placé au-delà de la distance d'absorption, coupe ou limite l'humidificateur si l'air approche la saturation. Il protège la gaine quand l'air est plus froid que prévu, au démarrage ou quand la boucle d'ambiance demande beaucoup. Un contrôle de débit d'air interdit l'humidification ventilateur arrêté. Pour un adiabatique, la régulation agit en plus sur le préchauffage : c'est lui qui place l'isenthalpe. Au point de projet, l'air sort de l'humidificateur à vapeur à 26,0 %, loin de cette limite.

À retenir

• Le besoin d'eau vaut q_m,a · Δx ; la teneur en eau visée au soufflage est celle de l'ambiance moins l'apport des occupants.
• Sur le h-x, la pente du trajet est l'enthalpie de l'eau : la vapeur suit presque une isotherme, l'eau liquide une isenthalpe.
• L'air reçoit l'enthalpie de l'eau apportée : la vapeur paie l'évaporation au générateur, environ 0,77 kWh/kg ; l'adiabatique la prend à l'air, qu'il faut préchauffer.
• Pour la centrale de référence : 10,22 kg/h et 7,63 kW en vapeur, ou 17,16 kW de préchauffage en adiabatique, pour le même air soufflé.
• La distance d'absorption s'allonge quand l'apport augmente ou que l'air approche de la saturation ; une limite haute en gaine protège l'installation.
• Eau traitée, aucune eau stagnante, entretien suivi : la VDI 6022 fixe la discipline d'hygiène.

Sources publiques : OMM, Guide des instruments et des méthodes d'observation (OMM-n° 8), pour la pression de vapeur saturante ; tables de la vapeur d'eau (formulation industrielle IAPWS-IF97) pour l'enthalpie de la vapeur saturée et la chaleur de vaporisation à 100 °C ; W. M. Kays, A. L. London, Compact Heat Exchangers, pour la relation efficacité-NTU à C_r = 0 ; ASHRAE, Handbook, HVAC Systems and Equipment, chapitres sur les humidificateurs et le refroidissement par évaporation ; EN 16798-1, critères d'ambiance intérieure, et EN 16798-3:2025, ventilation des bâtiments non résidentiels, dont l'humidité de l'air soufflé ; VDI 6022 feuille 1, exigences d'hygiène des installations de traitement d'air. Les nombres des exemples, du tableau et de la figure sont calculés par le modèle du cours, communs aux chapitres de traitement de l'air.