CHOIX D'UN HUMIDIFICATEUR
« Humidifier = ajouter de la vapeur d'eau dans l'air »
POURQUOI HUMIDIFIER ?
Le besoin de déshumidification est bien connu du grand public car il est souvent nécessaire de déshumidifier les murs d’une maison. Le besoin d’humidification de l’air est moins évident mais est pourtant essentiel pour assurer le confort au sein du bâtiment.
Dans une habitation, l’humidification de l’air se fait principalement par l’usage de la salle de bain et de la cuisine. Dans un bâtiment de bureaux, le besoin d’humidification complémentaire est plus important car ces pièces d’eau ne sont pas présentes.
On humidifie généralement durant les mêmes périodes que celles où le chauffage fonctionne ; l’air extérieur froid, une fois réchauffé, est un air sec. Pour assurer un bon confort thermique, l’air est humidifié jusqu’à un taux d’humidité relative autours de 40%.
Humidifier est énergétiquement coûteux et il est utile de réguler correctement l’humidificateur au même titre que la batterie de chauffe. Le besoin d’humidification est directement lié au taux de renouvellement d’air et au point de consigne souhaité.
CLASSIFICATION DES HUMIDIFICATEURS
Un humidificateur est un système destiné à augmenter l'humidité dans l'air. On les distingue suivant l’origine de la chaleur de vaporisation. Deux techniques sont possibles et les coûts qui en résultent sont fort différents.
L’humidificateur ajoute de la vapeur d’eau dans l’air :
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soit en permettant l’évaporation d’eau liquide au contact de l’air : humidification adiabatique
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La chaleur de vaporisation de l’eau liquide est prise à l’air qui se refroidit. S’il est nécessaire de compenser le refroidissement adiabatique, l’énergie de vaporisation devra être apportée par le système de chauffage.
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On parle d’humidificateurs adiabatiques, isenthalpique ou à enthalpie constante. L’énergie de vaporisation est donnée par le combustible qui alimente la chaudière (fuel, gaz, etc.).
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soit directement en injectant de la vapeur d’eau dans le flux d’air : humidification isotherme
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La chaleur de vaporisation de l’eau est, fournie par l’humidificateur.
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On parle d’humidificateurs isothermes car l’ajout de vapeur n’impacte quasiment pas la température du flux d’air. L’énergie de vaporisation est donnée par le combustible qui alimente l’humidificateur (électricité, gaz, etc.). L’énergie consommée par l’humidificateur présente un coût plus élevé (€/kWh) que celle fournie par la batterie de chauffe.
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Humidificateur Adiabatique sans recyclage
Humidificateur Adiabatique avec recyclage
Humidificateur vapeur
Classification en 3 catégories:
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Humidificateurs adiabatiques sans recyclage
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Atomiseur rotatif Microniser
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Humidificateurs adiabatiques avec recyclage
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Humidificateurs isothermes à vapeur
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Générateur vapeur à électrodes
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Générateur vapeur à résistances
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Chaudière vapeur à gaz
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HYGIÈNE
Hygiene
Il est important de rappeler que la responsabilité finale est en générale assurée par l’utilisateur (ou son service de maintenance) car aucun système n’est sûr à 100% sans respects des bonnes pratiques d’utilisation et de maintenance.
Un humidificateur vapeur ne requiert en général pas de mesures d’hygiène spécifiques en plus d’une maintenance adéquate. C’est un avantage important car les risques sont alors très limités: la vapeur peut condenser dans la gaine, le bac d’eau tiède (hors utilisation) peut mettre des bactéries en contact avec l’air, etc.
Un humidificateur adiabatique sans recyclage limite fortement les conditions de développement bactérien. La qualité de l’eau utilisée est primordiale pour garantir un niveau de risque hygiénique acceptable. Différentes techniques de traitement de l’eau existent et seront préconisées en fonction du seuil de risque acceptable et de la redondance souhaitée.
Un humidificateur adiabatique avec recyclage présente un risque important de développement bactérien du fait de la stagnation de l’eau dans le bac de rétention. Des dispositifs antibactériens sont dès lors toujours nécessaires avec ce type d’humidificateur. Il s’agit du gros point faible des humidificateurs à recyclage qui les exclut de nombreux projets.
RÉGULATION
L’humidificateur vise à atteindre une consigne d’humidité. C’est la GTC (Gestion Technique Centralisée) qui « libère » l’humidificateur et fixe sa « consigne ». Il est prudent d’asservir le fonctionnement de l’humidificateur à celui du ventilateur, pour éviter tout risque d’humidification en l’absence de flux d’air. Il est plus efficace de réguler l’humidification par rapport à une consigne en pulsion. La GTC est capable de considérer un ensemble de paramètres du bâtiment pour choisir la consigne de pulsion adéquate.
Les humidificateurs vapeur et les humidificateurs adiabatiques sans recyclage sont directement capables d’ajouter la quantité souhaitée d’eau au flux d’air ; ils sont auto-régulés. Les humidificateurs avec recyclage fonctionnent avec une régulation par point de rosée (saturation). Leur régulation nécessite donc l’intervention des batteries de préchauffe, postchauffe et parfois de froid.
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Régulation d’humidificateur vapeur: l’air est chauffé (ou refroidi) jusqu’à la température souhaitée en pulsion avant d’être humidifié par injection de vapeur chaude (isotherme). Une partie importante de l’énergie est fournie par l’humidificateur vapeur.
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Lorsque l’air neuf est chaud et sec, les humidificateurs vapeur risquent de fonctionner en même temps que la batterie de froid avec une double consommation importante d’énergie.
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Régulation d’humidificateur adiabatique sans recyclage: l’air est chauffé (ou refroidi) jusqu’à l’enthalpie souhaitée en pulsion avant d’être humidifié sans apport de chaleur (isenthalpique). Toute l’énergie est fournie par la batterie de chauffe (qui est en général très efficace et économe), l’humidificateur sert uniquement au contrôle d’humidité.
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Les humidificateurs sans recyclage peuvent aisément fonctionner en régime proportionnel car il est très facile de régler précisément le débit d’eau pulvérisée et absorbée par le flux d’air. Avec ces systèmes, on privilégiera donc une humidification continue à une valeur proche l’humidité souhaitée dans l’ambiance.
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Leur régulation est la plus simple car l’apport d’énergie et l’humidification sont séparées, ce qui permet d’ailleurs d’éviter toute concurrence entre les systèmes avec les consommations d’énergie parasites associées. Les humidificateurs sans recyclage sont les plus précis et les plus réactifs mais sont plutôt adaptés à l’humidification centralisée.
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Régulation d’humidificateur adiabatique avec recyclage: l’air est préchauffé (ou refroidi) jusqu’à l’enthalpie du point de rosée de l’humidité souhaitée en pulsion avant d’être humidifié sans apport de chaleur jusqu’au point de rosée (isenthalpique) et enfin d’être postchauffé jusqu’à la température souhaitée en pulsion. Toute l’énergie est fournie par les batteries de pré- et post-chauffe, l’humidificateur sert uniquement au contrôle d’humidité.
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Une particularité des humidificateurs avec recyclage réside dans le fait qu’une batterie de post chauffe est nécessaire pour leur régulation. La régulation des humidificateurs avec recyclage est donc complexe et présentent des risques d’humidification excessive (même en hiver) et de fonctionnement simultané des batteries chaudes et froides.
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Regulation Microniser Humidifier
BATTERIES
DE PRÉ/POST CHAUFFE
Heat battery
Avec un humidificateur vapeur, la batterie de chauffe doit être capable de fournir l’énergie nécessaire pour atteindre la température sèche souhaitée. L’énergie d’humidification étant consommée par l’humidificateur lui-même.
Avec un humidificateur adiabatique, la batterie de chauffe doit être capable de fournir toute l’énergie nécessaire pour atteindre le point de consigne d’humidité et température. L’entièreté de l’énergie est fournie par la batterie de chauffe ; l’humidification est isenthalpique.
Une batterie de postchauffe n’est nécessaire que pour les humidificateurs adiabatiques avec recyclage. Tout comme pour les humidificateurs vapeur, les humidificateurs sans recyclage comme le Microniser peuvent fonctionner sans batterie de post chauffe. Ils peuvent donc être placés soit en fin de caisson d’humidification, soit dans une section étanche de la gaine de pulsion.
ENCOMBREMENT
Microniser humidifier in air handling unit
Les humidificateurs vapeur présentent l’avantage de pouvoir injecter la vapeur directement dans la gaine, sans forcément de caisson d’humidification. Ces humidificateurs seront privilégiés dans les faibles espaces. Les chaudières vapeur gaz doivent être placés dans un local séparé (chaufferie).
Les humidificateurs adiabatiques doivent être placés dans un caisson d’humidification étanche.
Le caisson des humidificateurs adiabatiques sans recyclage peut éventuellement être inséré directement dans la gaine de pulsion même si l’on privilégie toujours de placer ce caisson dans le groupe de traitement d’air.
Pour les humidificateurs adiabatiques avec recyclage, ce caisson doit se trouver entre la batterie de préchauffe et la batterie de postchauffe.
EFFICACITÉ ÉNERGÉTIQUE
Pour l’humidification, on distingue la consommation d’énergie et le coût de cette consommation. L’énergie efficacement fournie au flux d’air est la même dans tous les cas pour atteindre la consigne d’humidité et de température. Les pertes d’énergie peuvent être différentes mais surtout le coût énergétique sera fortement différent en fonction de la source d’énergie utilisée.
Deux sources de consommation sont présentes :
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l’énergie mécanique des pompes (pour la pulvérisation, par exemple)
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l’énergie nécessaire à la vaporisation de l’eau
La première est négligeable, au plus quelques % face à la seconde ! Par contre, l’énergie nécessaire pour faire passer l’eau de l’état liquide à l’état vapeur est élevée. Suivant le type d’humidificateur, le coût de cette énergie sera fort différent :
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l’humidificateur adiabatique travaille à partir d’eau Liquide : c’est l’air qui donnera l’énergie de vaporisation. C’est donc la batterie de chauffe qui, indirectement, fournira la chaleur. Le prix de revient de la chaleur de vaporisation sera fixé par le prix du combustible en chaufferie.
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l’humidificateur vapeur travaille soit avec de la vapeur provenant d’une chaudière vapeur et l’on se retrouve dans une situation similaire au point précédent, soit avec de la vapeur d’origine électrique dont le coût de opération se trouve multiplié par un facteur 3 ou 5.
Pour faire passer 1 kg d’eau à 10° à l’état vapeur, il faut fournir une chaleur de :
4,19 kJ/kg/K x 90 K + 2 257 kJ/kg = 2 634 kJ/kg = 0,73 kWh/kg
En fonction du coût de l’énergie, on peut estimer le coût de vaporisation :
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Électricité : 0,2 €/kWh => 0,145 €/kgeau
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Gaz/fuel : 0,035 €/kWh => 0,025 €/kgeau
Les humidificateurs vapeur consomment une grande quantité d’énergie pour évaporer l’eau. Les pertes d’énergie principales sont liées à la déconcentration d’eau chaude, au maintien de la cuve à haute température et aux auxiliaires de régulation. Le coût énergétique sera 3 à 5 fois plus élevé pour un humidificateur vapeur électrique que pour un humidificateur vapeur gaz du fait de la différence en €/kWh.
Les humidificateurs adiabatiques consomment très peu d’énergie car l’apport d’énergie au flux d’air est fait par la batterie de chauffe (ou les batteries de pré- et post-chauffe pour les humidificateurs adiabatiques avec recyclage). Les pertes d’énergie sont liées à la consommation parasite de l’humidificateur (atomiseur, pompe, etc.) mais ces pertes sont très limitées. Le coût énergétique est toujours très faible car ces humidificateurs permettent de fournir l’énergie via la source la plus performante (batterie de chauffe). L’effet de refroidissement adiabatique pourra en outre permettre de limiter l’utilisation de la batterie de froid en inter-saisons.
Dans certaines circonstances (air chaud et sec), les humidificateurs vapeur et les humidificateurs adiabatiques avec recyclage devront fonctionner en même temps que la batterie de froid pour atteindre le point de consigne. Cela engendre d’importantes consommations d’énergie. Ce n’est jamais le cas avec les humidificateurs adiabatiques sans recyclage pour lesquels l’apport d’énergie est totalement indépendant de la régulation.
CONSOMMATION D’EAU
Water consumption Humidifier
En pratique le coût lié à la consommation d’eau est négligeable dans la comparaison financière entre différents types d’humidificateurs. Par contre les utilisateurs sont de plus en plus sensibilisés à leur consommation d’eau et sont demandeurs de solutions économes en eau.
Cela peut devenir un élément financier lorsqu’il y a lieu de traiter l’eau. En effet, le dimensionnement de l’adoucisseur ou de l’osmoseur est différent pour un systèmes avec ou sans recyclage, avec ou sans déconcentration.
Avec un humidificateur vapeur, les pertes d’eau proviennent essentiellement de la déconcentration nécessaire de la cuve. Lors de l’évaporation, la concentration de sels et minéraux augmentent dans la cuve. Une perte d’énergie est également liée à cette déconcentration car l’eau évacuée est généralement autours de 80°C.
Dans le cas des humidificateurs adiabatiques sans recyclage, la perte d’eau est liée au rendement d’évaporation de l’eau dans le flux d’air. Cette efficacité dépends principalement de la consigne à atteindre et des conditions de fonctionnement (dimensions du caisson d’humidification, vitesse du flux d’air, turbulence, répartition des gouttelettes, etc.), ainsi que du type de séparateur de gouttes.
Dans le cas des humidificateurs avec recyclage, la consommation d’eau dépend essentiellement de la déconcentration du bac de rétention. Cette consommation peut être de 3 à 10 fois supérieure à celle des deux autres types d’humidificateurs.
QUALITÉ D’EAU
“Humidifier = risque d'injecter bactéries et poussières dans l'air”
La qualité de l’eau doit être définie en tenant compte de deux contraintes :
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Assurer un fonctionnement hygiénique car le contact eau-air est favorable à la propagation de bactéries
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Maitriser des coûts de fonctionnement et de maintenance
Les humidificateurs à pulvérisation sans recyclage consomment un débit d’eau limité : le débit d’eau est alors totalement vaporisé. Lors de l’évaporation, les sels et minéraux contenus dans l’eau se retrouvent alors dans le caisson d’humidification et sur le séparateur de gouttes. Une maintenance est alors nécessaire pour éliminer les dépôts. L’eau osmosée est généralement conseillée pour limiter la maintenance du caisson d’humidification et du séparateur de gouttes.
Les humidificateurs adiabatiques avec recyclage consomment un débit d’eau plus important dû au besoin de déconcentration. Ils fonctionnent généralement avec de l’eau adoucie. Une maintenance fréquente est alors nécessaire pour maintenir l’humidificateur et le caisson d’humidification dans un bon état.
Les humidificateurs vapeur assurent la stérilité et l’absence de poussières dans l’air humidifié. Cependant, les sels présents dans l’eau d’alimentation se déposent dans le préparateur de vapeur, causant beaucoup de soucis de maintenance. Le coût d’exploitation est dès lors élevé.
Les humidificateurs vapeur à résistance peuvent fonctionner avec de l’eau osmosée pour limiter les coûts de maintenance. C’est impossible avec les humidificateurs vapeur à électrodes qui ont besoin d’une conductivité de l’eau minimale pour fonctionner.
COÛTS :
INVESTISSEMENT + EXPLOITATION
Costs of humidification
Les utilisateurs se basent en grande majorité sur l’investissement lors de leur choix. Hors ils s’accordent également tous à dire que c’est le coût total (investissement + exploitation) qui les intéressent. Il est important de prendre ces deux coûts en considération, sur une durée pertinente pour l’utilisateur (3, 5, 10 ou 20 ans).
L'humidificateur optimal dépendra des performances attendues mais également des conditions d'utilisation qui seront d'autant plus prépondérantes que l'horizon de décision est important. L'investissement devient en effet rapidement négligeable par rapport aux coûts d'exploitation et de maintenance.
Par ailleurs, l’humidificateur Microniser est proposé en Full Service (0€ d’investissement) avec un paiement par mensualités.
L'illustration présentée n'est valable que dans certains contextes de fonctionnement. N'hésitez pas à nous consulter pour une comparaison spécifique à votre application.
MAINTENANCE
Une maintenance adéquate est essentielle pour le bon fonctionnement de tous les types d’humidificateurs.
La maintenance des humidificateurs vapeur consiste principalement au nettoyage de la cuve vapeur et/ou au remplacement des électrodes et résistances. Les humidificateurs à électrodes sont beaucoup plus sensibles que les humidificateurs à résistance. Cette maintenance est généralement couteuse.
La maintenance des humidificateurs adiabatiques sans recyclage est généralement assez simple (remplacement de roulements, etc.). Une maintenance du caisson d’humidification et du séparateur de gouttes est également nécessaire si l’eau d’alimentation n’est pas osmosée.
La maintenance des humidificateurs adiabatiques avec recyclage doit être effectuée fréquemment pour garantir une bonne hygiène. Une désinfection périodique est nécessaire. Cette maintenance est assez couteuse en temps de travail.
Maintenance kit
PRÉDIMENSIONNEMENT
Design humidifier
Pour les humidificateurs vapeur, la puissance recommandée est de 750W par kg/h de de vapeur. La rampe vapeur sera dimensionnée en fonction des dimensions de la gaines de pulsion.
Un atomiseur Microniser de 280W permet de pulvériser efficacement jusque 70L/h, soit 4W par kg/h de de vapeur. Le nombre d’atomiseurs sera déterminé en fonction du débit de vapeur nécessaire, de la surface du caisson d’humidification, du débit d’air etc. On compte en général 1 atomiseur pour 10.000 m³/h.
SYNTHÈSE DES CRITÈRES DE CHOIX
Les humidificateurs vapeur apportent des garanties au niveau hygiénique, mais leur coût d’exploitation est élevé suite au coût du kWh électrique : s’ils sont choisis, un dimensionnement limité aux besoins minimum s’impose. C’est une solution très souple pour un petit immeuble de bureaux.
Les humidificateurs adiabatiques avec recyclage sont économiques puisque l’apport énergétique est réalisé par la chaudière du bâtiment, mais ils sont sensibles à la prolifération bactérienne : s’ils sont choisis, une maintenance sérieuse et des mesures de contrôle de la qualité de l’air seront nécessaires.
Les humidificateurs adiabatiques sans recyclage (Microniser) réunissent les deux qualités hygiéniques et économiques, mais l’encombrement est parfois incompatible avec l’espace disponible dans un caisson de traitement d’air. Ces techniques s’imposent pour l’humidification en ambiance de grands halls ou pour l’humidification « centralisée » dans de grandes centrales de traitement d’air (>20.000 m³/h).
Pour plus d'information concernant la conception de votre humidificateur, nous vous invitons également à consulter le site energie+.
