Psychrométrie (définition et diagramme de l'air humide !

L'air que nous respirons : un mélange complexe !

L'air atmosphérique que nous respirons n'est jamais un gaz pur. Il s'agit d'un mélange complexe composé de plusieurs gaz — principalement de l'azote (N₂, ≈ 78 %), de l'oxygène (O₂, ≈ 21 %) et de l'argon (Ar, ≈ 1 %) — auxquels s'ajoutent des traces de dioxyde de carbone, de vapeur d'eau, de poussières en suspension et de micro-organismes (bactéries, spores). C'est ce que l'on appelle l'air humide pollué.

Sa particularité fondamentale est qu'il se situe toujours dans un état intermédiaire : jamais totalement sec, jamais totalement saturé en vapeur d'eau. Cette teneur variable en humidité a des conséquences directes et mesurables sur notre bien-être.

L'humidité, paramètre clé du confort thermique

Pour l'être humain, le confort thermique ne dépend pas uniquement de la température de l'air ambiant. Il résulte de la combinaison de deux paramètres essentiels :

La température sèche de l'air, qui traduit le niveau d'agitation moléculaire des gaz et détermine la sensation de chaud ou de froid au contact.

La teneur en vapeur d'eau de l'air, qui conditionne la capacité du corps humain à évacuer sa chaleur par transpiration (évaporation cutanée). Un air trop sec assèche les muqueuses et la peau ; un air trop humide inhibe la sudation et crée une sensation d'étouffement.

L'ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) recommande de maintenir un taux d'humidité relative entre 30 et 60 % pour les locaux occupés. Un taux d'humidité relative inférieur à 20 % peut causer un inconfort notable dû à l'assèchement des muqueuses et de la peau.

Qu'est-ce que la psychrométrie ? 

Le mot psychrométrie est issu du grec ancien : psuchron (ψυχρόν), signifiant « froid », et métron (μέτρον), signifiant « mesure ». Littéralement, il s'agit donc de la « mesure du froid ».

En termes techniques, la psychrométrie désigne les caractéristiques physiques et thermodynamiques d'un mélange gaz-vapeur. L'air humide étant un mélange gaz-vapeur, l'étude de ses caractéristiques est naturellement appelée psychrométrie.

Cette discipline est au cœur du génie climatique (CVC : Chauffage, Ventilation, Climatisation) car elle fournit les outils théoriques et graphiques nécessaires pour concevoir, dimensionner et régler tout système de traitement d'air — qu'il s'agisse d'une centrale de traitement d'air (CTA), d'un groupe de climatisation ou d'une tour aéroréfrigérante.

Comment mesurer les caractéristiques de l'air humide ?

Le psychromètre : l'instrument historique de référence

Un des premiers appareils permettant de mesurer deux grandeurs fondamentales de l'air humide est le psychromètre. Cet instrument, d'une conception relativement simple, est constitué de deux thermomètres placés côte à côte :

Le thermomètre à bulbe sec mesure la température sèche de l'air (notée θ ou T_s). Il s'agit de la température conventionnelle telle que la mesurerait n'importe quel thermomètre placé à l'abri des rayonnements parasites. Elle traduit le niveau d'agitation moléculaire de l'air et constitue la grandeur de base en thermodynamique des fluides.

Le thermomètre à bulbe humide mesure la température humide de l'air (notée T_h). Son bulbe est enveloppé d'un tissu imbibé d'eau, maintenu en permanence ventilé. L'évaporation de l'eau provoque un refroidissement du bulbe par prélèvement de chaleur latente dans l'air environnant. La différence entre la température sèche et la température humide — appelée dépression psychrométrique — est directement liée à la quantité de vapeur d'eau présente dans l'air : plus l'air est sec, plus l'évaporation est intense et plus la dépression est grande.

Ces deux mesures permettent de déterminer avec une précision suffisante l'ensemble des caractéristiques hygrométriques de l'air. Une réglette, livrée avec l'appareil, donne directement la valeur de l'humidité relative de l'air. De nos jours, les appareils de mesure numériques permettent de déterminer toutes les caractéristiques rapidement avec une erreur relative faible.

À noter : Les hygromètres électroniques modernes (sondes capacitives ou résistives) ont largement remplacé le psychromètre traditionnel dans les installations industrielles, offrant une acquisition en temps réel de la température et de l'humidité relative avec des précisions de l'ordre de ±0,3 °C et ±2 % HR.

Les caractéristiques physiques de l'air humide

Avant d'aborder le diagramme psychrométrique, il est indispensable de maîtriser les sept grandeurs qui définissent complètement l'état de l'air humide.

La température sèche (θ ou T_s) — en °C

La température sèche notée θ, mesurée à l'aide d'un simple thermomètre dit « à bulbe sec », est représentée en abscisse sur le diagramme psychrométrique. C'est le paramètre de base, celui que l'on mesure au quotidien avec un thermomètre ordinaire.

La température humide (T_h) — en °C

La température humide est la température d'équilibre atteinte par l'air lorsqu'il est saturé en vapeur d'eau dans des conditions adiabatiques (sans échange de chaleur avec l'extérieur). Elle est toujours inférieure ou égale à la température sèche — elles sont égales uniquement quand l'air est saturé à 100 % d'humidité relative. C'est la grandeur mesurée par le thermomètre à bulbe humide du psychromètre.

La température de rosée (T_r) — en °C

La température de rosée notée θ_R est la température à laquelle un air humide est à la pression de vapeur saturante. Concrètement, c'est la température à laquelle la vapeur d'eau contenue dans l'air commence à se condenser sur les surfaces froides. Les ingénieurs en CVC surveillent les points de rosée pour éviter la condensation sur les surfaces froides telles que les fenêtres, les tuyaux et les murs.

L'humidité absolue (r ou ω) — en g/kg d'air sec

L'humidité absolue est la quantité de vapeur d'eau en grammes par kilogramme d'air sec (ou parfois exprimée en g/m³). C'est une grandeur indépendante de la température : si on chauffe un volume d'air sans ajouter ni retirer de vapeur d'eau, son humidité absolue reste constante, même si son humidité relative change. C'est le paramètre clé pour les calculs de séchage, d'humidification et de déshumidification.

L'humidité relative (HR ou φ) — en %

L'humidité relative (HR ou φ) est le rapport entre la quantité réelle de vapeur d'eau contenue dans l'air et la quantité maximale possible à une température donnée, exprimé en pourcentage. Ce paramètre dépend fortement de la température, même si la quantité absolue de vapeur d'eau reste inchangée.

Ce phénomène est fondamental en pratique : lors du réchauffement de l'air extérieur, son humidité relative chute, même si la quantité absolue d'eau ne change pas. Par exemple, un air à -5 °C et 80 % d'humidité relative, une fois chauffé à +21 °C, n'aura plus qu'environ 20 % d'humidité relative. C'est pourquoi les locaux chauffés en hiver présentent souvent un air très sec nécessitant une humidification complémentaire.

L'enthalpie spécifique (h) — en kJ/kg d'air sec

L'enthalpie de l'air humide est la somme des chaleurs de ses composants : air sec et vapeur d'eau. Dans un cycle de réfrigération ou de climatisation, les transformations ayant lieu à pression constante, l'enthalpie de l'air est égale à la chaleur totale échangée.

C'est la grandeur indispensable pour calculer des puissances thermiques. Pour calculer une puissance, un processus de mélange, des conditions de soufflage, il faut utiliser l'échelle enthalpique — et non la température sèche — car seule l'enthalpie définit parfaitement le niveau d'énergie massique d'un point sur le diagramme de l'air, en prenant en compte la vapeur d'eau.

Le volume massique (v) — en m³/kg d'air sec

Le volume spécifique de l'air est le volume occupé par 1 kg d'air humide, exprimé en m³/kg. Le volume spécifique augmente si la température ou l'humidité absolue augmente. Il est utilisé pour convertir des débits volumiques (m³/h) en débits massiques (kg/h), notamment lors du dimensionnement des ventilateurs et des conduites.

Le diagramme psychrométrique : l'outil du technicien CVC

Qu'est-ce que le diagramme de l'air humide ?

Le diagramme de Carrier, également nommé diagramme de l'air humide (DAH) ou diagramme psychrométrique, représente graphiquement les principales caractéristiques physiques et thermodynamiques de l'air humide pour une pression donnée.

Les calculs des caractéristiques de l'air humide étant fastidieux et très souvent répétitifs, il a été établi un diagramme permettant de déterminer graphiquement, avec une assez bonne précision, toutes les caractéristiques de l'air en connaissant au moins deux d'entre elles. Ce diagramme permet également de reproduire graphiquement les évolutions de l'air au cours d'un traitement : c'est l'outil indispensable de tout technicien en génie climatique.

Pour aller plus loin, consultez notre article sur le diagramme de Carrier et apprenez à tracer les transformations de l'air en climatisation.

Applications pratiques de la psychrométrie

• Dimensionnement des centrales de traitement d'air (CTA). Chauffage, refroidissement, humidification et déshumidification sont des transformations que l'on trace directement sur le diagramme pour quantifier les puissances échangées et les débits nécessaires.
• Prévention de la condensation. Les ingénieurs CVC surveillent les points de rosée pour éviter la condensation sur les surfaces froides — fenêtres, tuyaux, parois — qui peut entraîner des dommages structuraux et favoriser le développement de moisissures.
• Conservation alimentaire et industrie pharmaceutique. Le contrôle précis de la température et de l'humidité relative est une exigence réglementaire pour la conservation des denrées périssables et des médicaments.
• Conception des tours aéroréfrigérantes. La psychrométrie permet de modéliser les échanges thermiques entre l'eau et l'air dans les refroidisseurs évaporatifs.
• Confort thermique dans les bâtiments. Ce type de calcul psychrométrique est utilisé en météorologie, en CVC, dans le bâtiment pour évaluer les risques de condensation et de moisissures, ou encore pour assurer le confort thermique des occupants, avec des plages usuelles recommandées de 20–24 °C et 40–60 % HR pour les locaux intérieurs.

Conclusion : pourquoi maîtriser la psychrométrie ?

La psychrométrie n'est pas une discipline abstraite réservée aux chercheurs : c'est un outil de travail quotidien pour tout technicien ou ingénieur évoluant dans le domaine du traitement de l'air, de la réfrigération ou du bâtiment.

Comprendre les relations entre température sèche, humidité relative, enthalpie et point de rosée permet de diagnostiquer des dysfonctionnements, d'optimiser les réglages d'une installation et de concevoir des systèmes réellement adaptés aux exigences de confort et aux contraintes énergétiques.

Le diagramme psychrométrique est en ce sens un formidable outil de synthèse : en un seul coup d'œil, il traduit graphiquement des équations thermodynamiques complexes et rend accessible à tout professionnel l'analyse complète des conditions de l'air humide.

Lexique rapide des grandeurs psychrométriques