La climatisation, communément abrégée en A/C ou AC, est une technologie cruciale qui offre un confort thermique en éliminant la chaleur et en contrôlant l'humidité dans un espace clos. Ce processus peut être réalisé par diverses méthodes, y compris les climatiseurs mécaniques, le refroidissement passif et les techniques de refroidissement par ventilation. La climatisation est un composant essentiel des systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC), qui maintiennent collectivement un environnement intérieur confortable. L'utilisation généralisée de la climatisation a eu un impact significatif sur l'architecture moderne et la conception des bâtiments, permettant la création de bâtiments à plan profond et permettant aux gens d'habiter confortablement les régions les plus chaudes. Cependant, la demande croissante de climatisation a soulevé des inquiétudes concernant la consommation d'énergie et l'impact environnemental, incitant au développement de technologies de refroidissement durables et alternatives (Agence internationale de l'énergie, 2018 ; Nations Unies, nd).

Types de systèmes de climatisation

Il existe différents types de systèmes de climatisation disponibles, chacun conçu pour répondre à des besoins et des préférences spécifiques. Les systèmes de climatisation centrale, par exemple, sont idéaux pour refroidir de grands espaces et se composent d'une unité extérieure, d'une unité intérieure et de conduits pour distribuer l'air refroidi dans tout le bâtiment. Les systèmes split, en revanche, conviennent aux pièces individuelles et comprennent un compresseur extérieur et un appareil de traitement de l'air intérieur. Ces systèmes peuvent être classés en systèmes mini-split (sans conduit) et multi-split, qui permettent un contrôle indépendant de la température dans plusieurs pièces.

Un autre type de système de climatisation est l'unité de fenêtre, qui est un système compact et autonome conçu pour le refroidissement d'une seule pièce. Les climatiseurs portables ont une fonction similaire mais peuvent être facilement déplacés d'une pièce à l'autre. Les refroidisseurs par évaporation, également connus sous le nom de refroidisseurs de marais, utilisent le processus naturel d'évaporation pour refroidir l'air et sont particulièrement efficaces dans les climats secs. Enfin, les systèmes géothermiques utilisent la température stable de la terre pour fournir à la fois du chauffage et du refroidissement, ce qui en fait une option économe en énergie et respectueuse de l'environnement.

Composants et fonctionnement des climatiseurs

Les climatiseurs fonctionnent en utilisant un cycle de réfrigération à compression de vapeur pour éliminer la chaleur et l'humidité d'un espace clos, créant ainsi un environnement plus confortable. Les principaux composants d'un système de climatisation comprennent le compresseur, le condenseur, l'évaporateur et le détendeur. Le compresseur pressurise le réfrigérant, une substance à haute capacité d'absorption de chaleur, le convertissant en un gaz à haute pression et haute température. Ce gaz s'écoule ensuite vers le condenseur, où il libère de la chaleur dans l'environnement environnant, provoquant la condensation du réfrigérant en un liquide à haute pression. Le fluide frigorigène liquide passe ensuite par le détendeur, qui réduit sa pression et sa température, avant d'entrer dans l'évaporateur. Dans l'évaporateur, le réfrigérant absorbe la chaleur de l'air intérieur, l'amenant à s'évaporer et à refroidir l'air au cours du processus. L'air refroidi circule ensuite dans tout l'espace, tandis que le gaz réfrigérant à basse pression retourne au compresseur pour répéter le cycle (ASHRAE, 2017 ; US Department of Energy, nd).

Techniques de refroidissement passif et de refroidissement ventilatif

Les techniques de refroidissement passif et de refroidissement par ventilation sont des alternatives durables aux systèmes de climatisation conventionnels, visant à réduire la consommation d'énergie et l'impact environnemental. Le refroidissement passif fait référence à l'utilisation de la conception et des matériaux du bâtiment pour maintenir des températures intérieures confortables sans dépendre de systèmes mécaniques. Ceci peut être réalisé par diverses méthodes, telles que l'orientation appropriée du bâtiment, les dispositifs d'ombrage, la masse thermique et la ventilation naturelle. Le refroidissement par ventilation, quant à lui, se concentre sur l'utilisation stratégique du flux d'air naturel pour éliminer l'excès de chaleur d'un bâtiment. Cela peut être accompli grâce à des techniques telles que la ventilation transversale, l'effet de cheminée et les capteurs de vent. Les approches de refroidissement passif et ventilatif sont utilisées dans l'architecture traditionnelle depuis des siècles et sont maintenant relancées et adaptées aux conceptions de bâtiments modernes afin de promouvoir l'efficacité énergétique et la durabilité (Kleerekoper, van Esch et Salcedo, 2012 ; Santamouris, 2014).

Chauffage, ventilation et air conditionné

Les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) font partie intégrante de la conception des bâtiments modernes, offrant un confort thermique et une qualité de l'air intérieur acceptable pour les occupants. Ces systèmes régulent la température, l'humidité et la circulation de l'air dans un bâtiment, assurant un environnement confortable et sain. Les systèmes CVC consistent généralement en un composant de chauffage, tel qu'une fournaise ou une chaudière, un composant de refroidissement, comme un climatiseur ou une pompe à chaleur, et un composant de ventilation, qui peut être mécanique ou naturel. Les composants de chauffage et de refroidissement fonctionnent ensemble pour maintenir la température intérieure souhaitée, tandis que le composant de ventilation aide à éliminer les polluants, les odeurs et l'excès d'humidité de l'air intérieur. Les systèmes CVC peuvent être conçus pour être économes en énergie et respectueux de l'environnement, en intégrant des technologies durables telles que des panneaux solaires, des pompes à chaleur géothermiques et des ventilateurs à récupération d'énergie. Une conception, une installation et un entretien appropriés des systèmes CVC sont essentiels pour leur performance et leur longévité optimales, ainsi que pour le bien-être des occupants du bâtiment (ASHRAE, 2017 ; US Department of Energy, 2020).

Pompes à chaleur et pompes à chaleur à air

Les pompes à chaleur et les pompes à chaleur à air sont des systèmes écoénergétiques qui fournissent à la fois le chauffage et le refroidissement des espaces clos. Les pompes à chaleur fonctionnent en transférant la chaleur d'un endroit à un autre, en utilisant les principes de la réfrigération à compression de vapeur. En mode chauffage, ils extraient la chaleur de l'air extérieur ou du sol et la transfèrent à l'intérieur, tandis qu'en mode refroidissement, ils prélèvent la chaleur de l'air intérieur et la restituent à l'extérieur. Les pompes à chaleur à air, un type spécifique de pompe à chaleur, dépendent uniquement de l'air extérieur comme source ou puits de chaleur. Ces systèmes ont gagné en popularité ces dernières années, en particulier dans les climats plus froids, en raison de leur capacité à fournir un chauffage et un refroidissement efficaces avec un impact environnemental réduit par rapport aux systèmes CVC traditionnels (Agence internationale de l'énergie, 2018). À mesure que la demande de technologies de refroidissement durables et alternatives augmente, les pompes à chaleur et les pompes à chaleur à air devraient jouer un rôle important dans l'avenir de la climatisation et de la conception des bâtiments (Nations Unies, nd).

Consommation d'énergie et impact environnemental

La consommation d'énergie des systèmes de climatisation est une préoccupation importante, car ils représentent environ 20 % de la consommation mondiale d'électricité dans les bâtiments (Agence internationale de l'énergie, 2018). Cette forte demande énergétique contribue à l'augmentation des émissions de gaz à effet de serre et exacerbe le changement climatique. De plus, il a été constaté que les réfrigérants utilisés dans les systèmes de climatisation, tels que les chlorofluorocarbures (CFC) et les hydrochlorofluorocarbures (HCFC), causent des dommages à la couche d'ozone, tandis que les hydrofluorocarbures (HFC) contribuent au réchauffement climatique (Nations Unies, nd). La libération de ces fluides frigorigènes dans l'atmosphère, souvent lors de réparations, constitue une menace environnementale importante. Pour résoudre ces problèmes, l'utilisation de technologies de refroidissement alternatives, telles que le refroidissement passif, le refroidissement par évaporation et une meilleure isolation thermique, a été encouragée. De plus, l'adoption de réfrigérants hydrofluorooléfines (HFO), qui ont un potentiel de réchauffement global plus faible et un potentiel d'appauvrissement de la couche d'ozone nul, est de plus en plus répandue dans les nouveaux équipements.

Technologies de refroidissement durables et alternatives

Les technologies de refroidissement durables et alternatives ont pris de l'importance ces dernières années en raison des préoccupations croissantes concernant la consommation d'énergie et l'impact environnemental des systèmes de climatisation conventionnels. L'une de ces technologies est le refroidissement passif, qui utilise la conception et les matériaux du bâtiment pour maintenir des températures intérieures confortables sans avoir besoin de systèmes mécaniques. Ceci peut être réalisé grâce à des techniques telles que la ventilation naturelle, l'ombrage et la masse thermique. Une autre alternative est le refroidissement par évaporation, qui repose sur le processus naturel d'évaporation de l'eau pour refroidir l'air, consommant beaucoup moins d'énergie que les systèmes de climatisation traditionnels.

L'ombrage sélectif, une technique qui consiste à placer stratégiquement des stores ou des stores pour bloquer la lumière directe du soleil, peut également aider à réduire les températures intérieures et la consommation d'énergie. Les capteurs de vent, une caractéristique architecturale ancienne, peuvent être intégrés dans les bâtiments modernes pour favoriser la ventilation et le refroidissement naturels. De plus, l'amélioration de l'isolation thermique des bâtiments peut réduire le besoin de climatisation en minimisant le transfert de chaleur entre les environnements intérieur et extérieur. Alors que la demande de solutions de refroidissement économes en énergie et respectueuses de l'environnement continue de croître, on s'attend à ce que des technologies plus innovantes et durables émergent à l'avenir (IEA, 2018 ; Nations Unies, 2019).

Histoire de la climatisation et des techniques passives

L'histoire de la climatisation remonte aux civilisations anciennes, où des techniques de refroidissement passif étaient utilisées pour maintenir des environnements intérieurs confortables. Les anciens Égyptiens, par exemple, utilisaient des méthodes de climatisation passive dans leurs conceptions architecturales, qui se sont ensuite répandues dans la péninsule ibérique, l'Afrique du Nord, le Moyen-Orient et le nord de l'Inde [8][9]. Ces techniques passives sont restées populaires jusqu'au 20e siècle, lorsque les systèmes de climatisation motorisés ont commencé à dominer le marché. Cependant, les récentes études d'ingénierie des bâtiments traditionnels ont conduit à un regain d'intérêt pour les méthodes de refroidissement passif, qui sont maintenant adaptées et intégrées dans les conceptions architecturales modernes [10][9].

Le développement des systèmes de climatisation modernes a commencé au 19ème siècle avec l'invention de la réfrigération mécanique. En 1902, Willis Carrier a inventé le premier climatiseur électrique, qui a jeté les bases de l'industrie contemporaine de la climatisation. Au fil des ans, les progrès technologiques ont conduit à la création de systèmes de climatisation plus efficaces et respectueux de l'environnement, y compris l'utilisation de réfrigérants alternatifs et l'incorporation de fonctions d'économie d'énergie. Alors que la demande de solutions de refroidissement durables continue de croître, l'intégration de techniques de refroidissement passif et de technologies innovantes dans les systèmes de climatisation devrait jouer un rôle important dans la formation de l'avenir de l'industrie [11].

Développement et découvertes précédentes

Le développement des systèmes de climatisation modernes peut être attribué à plusieurs découvertes et innovations clés. 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 dans son livre Natural Magic (Porta, 1558). Plus tard, en 1620, Cornelis Drebbel a démontré "Transformer l'été en hiver" pour Jacques Ier d'Angleterre en refroidissant une partie du Grand Hall de l'abbaye de Westminster à l'aide d'un appareil d'auges et de cuves (Bacon, 1620). En 1758, Benjamin Franklin et John Hadley ont mené une expérience pour explorer le principe de l'évaporation comme moyen de refroidir rapidement un objet, confirmant que l'évaporation de liquides hautement volatils pouvait être utilisée pour faire baisser la température d'un objet au-delà du point de congélation. l'eau (Franklin & Hadley, 1758). Ces premières découvertes ont jeté les bases du développement de systèmes de climatisation modernes, qui ont depuis évolué pour intégrer des technologies et des matériaux avancés, permettant des solutions de refroidissement plus efficaces et durables pour un large éventail d'applications.

Climatisation dans l'architecture moderne et la conception de bâtiments

Les systèmes de climatisation font désormais partie intégrante de l'architecture et de la conception des bâtiments modernes, car ils contribuent de manière significative au confort général et à l'efficacité énergétique d'une structure. Les architectes et les ingénieurs collaborent pour intégrer les systèmes de climatisation dans le processus de conception, en tenant compte de facteurs tels que l'orientation du bâtiment, l'isolation, le placement des fenêtres et les dispositifs d'ombrage pour optimiser la ventilation naturelle et réduire la dépendance aux systèmes de refroidissement mécaniques. De plus, l'utilisation de technologies avancées, telles que la modélisation des informations du bâtiment (BIM), permet la simulation et l'analyse de diverses configurations de climatisation pour obtenir les solutions les plus efficaces et les plus durables.

Ces dernières années, l'accent a été mis de plus en plus sur l'intégration de techniques de refroidissement passif et de refroidissement par ventilation dans la conception des bâtiments afin de minimiser la consommation d'énergie et l'impact environnemental. Ces stratégies comprennent l'utilisation de la masse thermique, de la ventilation naturelle et des dispositifs d'ombrage pour réguler les températures intérieures sans avoir besoin de systèmes de climatisation mécaniques. En outre, l'adoption de systèmes de CVC écoénergétiques, tels que les pompes à chaleur à air, et la mise en œuvre de technologies de refroidissement durables et alternatives, sont de plus en plus répandues dans les conceptions de bâtiments modernes pour répondre aux préoccupations mondiales de consommation d'énergie et de changement climatique (AIE, 2018 ; Nations Unies, sd).

Tendances futures et innovations en matière de climatisation

Les tendances futures et les innovations en matière de climatisation sont principalement axées sur l'amélioration de l'efficacité énergétique et la réduction de l'impact environnemental. L'une de ces innovations est le développement de systèmes de climatisation à énergie solaire, qui exploitent l'énergie solaire pour alimenter le processus de refroidissement, réduisant considérablement la consommation d'électricité et les émissions de gaz à effet de serre (Li et al., 2017). De plus, l'utilisation de matériaux à changement de phase (PCM) dans la conception des bâtiments gagne du terrain, car ces matériaux peuvent stocker et libérer de l'énergie thermique, réduisant ainsi la dépendance aux systèmes de climatisation mécaniques (Kuznik et al., 2011). De plus, les progrès de la technologie des capteurs et l'intégration de l'intelligence artificielle (IA) dans les systèmes CVC devraient optimiser la consommation d'énergie et améliorer la qualité de l'air intérieur (Shaikh et al., 2016). Enfin, l'adoption de réfrigérants alternatifs à faible potentiel de réchauffement global (GWP) et à potentiel d'appauvrissement de la couche d'ozone (ODP) nul devrait atténuer l'impact environnemental des systèmes de climatisation (Zhang et al., 2017).