Climatisation solaire

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Sommaire 1 Le contexte 2 La maîtrise des besoins en froid 2.1 Les apports internes 2.2 L’orientation 2.3 Les espaces extérieurs

[modifier] Le contexte

La recherche de confort et la conception récente des bâtiments (souvent peu performants en terme de confort d’été) conduisent à une augmentation des besoins en climatisation dans les bâtiments tertiaires.

Dans la plupart des pays européens (en particulier dans le sud de l’Europe), le développement de la climatisation pose d’importants problèmes d’approvisionnement électrique et conduit à une augmentation importante des rejets de gaz à effet de serre. Les prévisions de développement de la climatisation sont inquiétantes, puisque le taux d’équipement devrait être multiplié par un facteur 11 entre 1990 et 2010.

Les premières mesures les plus logiques concernent bien sur la conception des bâtiments eux-mêmes, avec la promotion des techniques de maîtrise des températures d’été. Mais les actions possibles dans les bâtiments existants sont souvent limitées lorsque des erreurs de conception existent. D’autre part, le taux de renouvellement du parc immobilier est faible (1% par an). Même des mesures draconiennes sur les bâtiments neufs auraient un impact quantitatif faible.

D’un autre côté, la ressource solaire est totalement en phase avec les besoins de rafraîchissement : besoin de froid durant les périodes ensoleillées et dans les pays du sud à la ressource solaire abondante.

Les technologies de climatisation solaire existent, et pour 3 d’entre elles, ont dépassé le stade de la R&D : absorption, adsorption, dessicant cooling. Une quarantaine d’installations fonctionnent en Europe, dont la moitié en Allemagne. Ce pays bénéficie d’un savoir-faire certain qui n’est pas répandu dans les autres pays, en particulier dans les pays du sud de l’Europe (Italie, Espagne, Portugal, Gréce…) aux besoins importants.

En dehors de l’Allemagne et de l'Espagne, on compte souvent seulement 1 ou 2 installations par pays, chiffre nettement insuffisant pour servir de vitrine à ces technologies.

[modifier] La maîtrise des besoins en froid

Les techniques passives de maîtrise des températures sont aujourd’hui largement sous-utilisées dans les bâtiments tertiaires, et des erreurs de conception des bâtiments conduisent souvent à des surchauffes très inconfortables pour les occupants. L’attitude la plus fréquente consiste à compenser ces erreurs de conception par une climatisation classique.

La climatisation, même solaire, ne devrait être envisagée qu’après avoir optimisé la maîtrise passive des températures. Les outils de diffusion de la climatisation solaire prévus dans "Promotion de la climatisation solaire" devront donc tous intégrer un « rappel » de ces techniques passives ou semi-passives de maîtrise des températures.

Ces techniques concernent :

• la conception du bâtiment
• la gestion du bâtiment

Elles visent à :

• minimiser les apports de chaleur internes et externes
• évacuer les apports de chaleur

[modifier] Les apports internes

Les apports internes dans le tertiaire concernent essentiellement :

• les occupants
• le matériel bureautique
• l’éclairage
• les autres équipements électriques (machines diverses)

Lorsque les températures extérieures sont supérieures aux températures intérieures, l’évacuation des apports internes de chaleur est difficile sans climatisation, et énergétiquement coûteux avec climatisation. Il faut donc chercher à les minimiser par l’utilisation d’équipements performants du point de vue énergétique :

• matériel bureautique à faible consommation
• éclairage basse consommation
• équipements performants.

[modifier] L’orientation

L’orientation du bâtiment et des surfaces vitrées doit tenir compte de différents paramètres : • La course du soleil est très différente en hiver et en été sous nos latitudes • Les rayonnements perpendiculaires aux vitrages pénètrent dans le bâtiment • Les rayonnements presque parallèles au vitrage sont réfléchis. • Les ouvertures nord minimisent les apports solaires en été, mais aussi en hiver. Elles ne captent pratiquement que le rayonnement diffus. • Les ouvertures est et ouest conduisent à des apports solaires d’été très élevés. Les ouvertures ouest sont particulièrement à éviter, car les apports ont lieu dans l’après-midi, lorsque les températures extérieures et intérieures sont les plus fortes. • Les ouvertures sud conduisent à des apports solaires d’été limités, alors que les apports en période de chauffe sont intéressants. Cette configuration peut encore être améliorée par des protections de type casquette.

[modifier] Les espaces extérieurs

Les espaces extérieurs peuvent être traités pour atténuer les contraintes climatiques et créer un microclimat autour des bâtiments.

Les protections solaires des parois vitrées Suivant l’orientation des ouvertures, différentes protections, fixes ou mobiles, de préférences extérieures, peuvent être utilisées

Les protections solaires des parois opaques

L’isolation Une bonne isolation des parois opaques et des surfaces vitrées (double vitrage performant) est fondamentale non seulement en hiver pour éviter les pertes thermiques, mais aussi en été pour éviter les apports externes par conduction.

L’inertie thermique L’inertie thermique d’un bâtiment mesure sa capacité à emmagasiner de la chaleur pour une faible élévation de température. Dans un bâtiment à faible inertie, un apport de chaleur externe ou interne va conduire à une forte élévation de température. Le même apport dans un bâtiment à forte inertie conduira à une élévation de température plus faible (diffusion de la chaleur dans les parois lourdes) Une forte inertie est donc caractérisée par des matériaux lourds à l’intérieur de l’enveloppe isolante.

La ventilation Le brassage d’air (sans renouvellement), par ventilateur au plafond au directionnel, ne permet pas d’évacuer la chaleur emmagasinée dans le bâtiment. Par contre, elle favorise les transferts thermiques par convection et par évaporation sur la peau, ce qui augmente la sensation de confort.

Un renouvellement d’air minimum est imposé pour des considérations hygiéniques. Lorsque l’air extérieur est plus chaud que l’air intérieur, il faut limiter le renouvellement d’air aux valeurs réglementaires. On peut aussi utiliser la fraîcheur du sous-sol pour faire pénétrer un air plus frais (technique du puit provencal) Lorsque l’air extérieur est plus frais que l’air intérieur (ce qui est souvent le cas la nuit), on va évacuer la chaleur emmagasinée en journée dans le bâtiment par une sur-ventilation nocturne. Cette sur-ventilation associée à une forte inertie thermique du bâtiment va « stocker » la fraîcheur pour la journée suivante.

La ventilation peut-être naturelle ou mécanique.

• Une bonne position des ouvertures (facades au vent et sous le vent) permet une ventilation traversante efficace.
• Une VMC classique (renouvellement de 0.5 à 1 volume/heure) est insuffisante pour un rafraîchissement significatif. Celui-ci nécessite de 5 à 10 volumes/heure, soit un sur-dimentionnement des équipements de ventilation (qui conduit cependant à une consommation énergétique bien plus réduite qu’une climatisation classique).

Les techniques de froid solaire

Les systèmes les plus répandus de rafraîchissement utilisant le solaire thermique pour produire du froid, sont présentés dans le tableau 2. Ils peuvent être classés en deux grandes familles :

- Les systèmes fermés : un groupe de production de froid à sorption (absorption et adsorption) produit del’eau glacée, utilisable aussi bien dans une centrale de traitement d’air (refroidissement, déshumidification), que dans un réseau d’eau glacée alimentant des installations décentralisées (ventilo-convecteurs par exemple). Les groupes de froid existants sur le marché et adaptés au solaire sont les machines à absorption (les plus répandues) et les machines à adsorption (quelques centaines de machines dans le monde, mais présentant un fort intérêt pour le rafraîchissement solaire).

- Les systèmes ouverts : où l’air est directement traité (refroidissement, déshumidification) en fonction des conditions de confort souhaitées. Le «réfrigérant » est toujours de l’eau, puisqu’il est en contact direct avec l’air à refroidir. Les systèmes les plus répandus utilisent une roue à dessiccation rotative.

Production d’eau glacée par une machine à absorption ou à adsorption

Les machines à sorption (absorption et adsorption) peuvent être caractérisées par trois températures : -une température haute (TC) correspondant à la chaleur motrice fournie au système (circuit d’eau chaude), -une température basse (TF) correspondant à celle de la « production de froid » (circuit d’eau glacée), -une température intermédiaire (TM) au niveau de laquelle la quantité de chaleur prélevée sur l’eau glacée et la chaleur motrice doivent être évacuées, le plus souvent au moyen d’une tour de refroidissement ouverte (circuit de refroidissement).

Un paramètre clé pour décrire l’efficacité d’une machine à sorption est le COefficient de Performance thermique (COP), défini par le rapport entre la chaleur extraite de l’eau glacée (production de froid) et la chaleur motrice du processus : COP thermique =Qfroid /Qchaud. Ce paramètre est différent du COPconv d’un groupe de froid classique à compression électrique, défini par : COPconv =Qfroid /Eélectrique, où Eélectrique représente la consommation électrique du groupe de froid. La définition du COP thermique n’inclut pas les consommations électriques annexes.Une comparaison plus satisfaisante des différentes technologies nécessite la prise en compte de l’ensemble des consommations énergétiques (chaleur motrice, consommations électriques des pompes et ventilateurs). On peut noter que, plus le COP est faible, plus la quantité de chaleur à fournir au système et celle qui doit être évacuée dans la tour de refroidissement sont élevées. A l’inverse, une valeur élevée du COP est un avantage permettant de réduire à la fois le besoin en chaleur motrice et la consommation électrique des pompes. La température de l’eau glacée dépend du système de distribution installé dans les pièces. Lorsqu’une déshumidification de l’air est nécessaire, la température de l’eau glacée doit être inférieure au point de rosée (6 °-9 °C, en général). Lorsque l’on souhaite uniquement un abaissement de température, sans déshumidification, une température d’eau glacée de 12 °-15 °C est suffisante, conduisant à de meilleures performances de la machine.

Machines à absorption

Ce sont les machines les plus répandues. La compression thermique est obtenue en utilisant un couple réfrigérant/liquide absorbant, et une source de chaleur qui remplace la consommation électrique du compresseur mécanique. Pour de l’eau glacée au dessus de 0°C, comme c’est le cas en climatisation, c’est le couple eau/bromure de lithium (H2 O/LiBr) qui est utilisé, l’eau étant le réfrigérant. La plupart des systèmes utilisent une pompe à solution, très faiblement consommatrice d’électricité. Dans un système H2O/LiBr, la cristallisation de la solution doit être évitée par un contrôle interne de la température du circuit de refroidissement.

La « production de froid » est basée sur l’évaporation du réfrigérant (l’eau) dans l’évaporateur à très basse pression. La vapeur d’eau est alors « aspirée » dans l’absorbeur, contribuant à la dilution de la solution H2O/LiBr. L’efficacité du processus d’absorption nécessite un refroidissement de la solution. Cette dernière est pompée en continu dans le générateur où elle est chauffée (chaleur motrice). La vapeur d’eau ainsi générée est envoyée dans le condenseur, où elle se condense. L’eau liquide, après passage dans une vanne de détente, retourne ensuite à l’évaporateur.

Les puissances frigorifiques des machines à absorption sont généralement de l’ordre de plusieurs centaines de kW froid.

Elles sont généralement alimentées par un réseau de chaleur, de la chaleur résiduelle ou une co-génération. La température de la source chaude est généralement au dessus de 80 °C pour des machines à simple effet, avec un COP entre 0, 6 et 0, 8. Les machines double effet, utilisant la chaleur motrice sur 2 niveaux, nécessitent des températures supérieures à 140 °C, pour des COP pouvant atteindre 1, 2.

Quelques machines à absorption de capacité inférieure à 50 kW sont disponibles. Pour le rafraîchissement solaire à absorption, ce sont souvent ces petites machines qui sont utilisées. Une machine, développée récemment pour des petites capacités, permet un fonctionnement à charge partielle, avec une température de 65 °C et un COP d’environ 0, 7; ce qui la rend particulièrement intéressante pour une alimentation solaire. Ceci montre le fort potentiel d’amélioration qui existe encore pour ce type de machines.

Machines à adsorption

Ici, au lieu d’une solution liquide, un matériau solide (un adsorbant) est utilisé. Les systèmes disponibles sur le marché utilisent l’eau comme réfrigérant et le silica-gel comme adsorbant. La machine comprend deux compartiments remplis d’adsorbant (compartiments 1 et 2 de la figure 13), un évaporateur et un condenseur. L’adsorbant du premier compartiment est régénéré par chauffage (eau chaude solaire), la vapeur d’eau ainsi générée étant envoyée dans le condenseur où elle se condense. L’eau liquide, via une vanne de détente, est envoyée à basse pression dans l’évaporateur où elle s’évapore (phase de « production de froid »). L’adsorbant du compartiment 2 maintient la basse pression en adsorbant cette vapeur d’eau. Ce compartiment doit être refroidi pour entretenir le processus d’adsorption. Lorsque la «production de froid» diminue (saturation de l’adsorbant en vapeur d’eau), les fonctions des deux compartiments sont permutées par ouverture et fermeture de clapets. Actuellement, seuls quelques fabricants asiatiques proposent ce type de machines à adsorption.

Avec une température de source chaude d’environ 80 °C, ces systèmes obtiennent des COP d’environ 0, 6 mais peuvent fonctionner jusqu’à des températures d’environ 50 °C. La capacité des machines va de 50 à 500 kW froid. La robustesse de ces machines à adsorption est un atout. Il n’y a, d’autre part, aucun danger de cristallisation et donc, pas de contrainte sur la température intermédiaire de refroidissement. Il n’y a pas de pompe à solution; les consommations électriques sont donc particulièrement réduites. Seuls leur taille et leur poids élevés sont un inconvénient. Il existe cependant un potentiel important d’amélioration au niveau des échangeurs dans les compartiments d’adsorption, et donc de réduction de poids et de volume pour les futures générations de machines à adsorption. D’autre part, étant donné le faible nombre de machines produites, le coût des machines à adsorption est actuellement élevé.

Systèmes à dessiccation

Les systèmes à dessiccation sont des systèmes ouverts utilisant l’eau, en contact direct avec l’air, comme réfrigérant.Le cycle de rafraîchissement est une combinaison de rafraîchissement évaporatif avec une déshumidification par un matériau hygroscopique, qui peut être aussi bien liquide que solide. Le terme « ouvert » signifie que le réfrigérant est évacué du système après qu’il ait produit son effet refroidissant, et qu’une nouvelle quantité de réfrigérant doit être injectée, le tout dans une boucle ouverte. Seule l’eau peut être utilisée comme réfrigérant puisqu’elle est en contact direct avec l’air ambiant. La technologie la plus courante aujourd’hui utilise des roues à dessiccation rotatives, avec du silica-gel ou du chlorure de lithium comme matériau de sorption.

Les principaux composants du système sont présentés ci-dessous :

A: rafraichissement

Le procédé de base permettant le conditionnement d’air est le suivant: L’air entrant, chaud et humide, traverse une roue à dessiccation en rotation lente, et est donc déshumidifié (1-2). L’air étant réchauffé par le phénomène d’adsorption, un premier refroidissement est obtenu au travers d’un échangeur thermique (roue métallique en nid d’abeilles, en rotation : (2-3). L’air est ensuite humidifié, et donc refroidi, dans un humidificateur (3-4), permettant d’ajuster le niveau d’humidité et de température souhaité pour l’air neuf. L’air repris dans la pièce est humidifié pratiquement jusqu’au point de saturation (6-7), pour bénéficier au maximum du potentiel de refroidissement dans l’échangeur thermique (7-8). Enfin, la roue à dessiccation doit être régénérée (9- 10), en utilisant de la chaleur à un niveau de température relativement faible (50 °à 75 °C), permettant ainsi de poursuivre le processus continu de déshumidification.

B: Chauffage

Pendant les périodes où les besoins de chauffage sont limités, la récupération de chaleur sur l’air sortant et l’échange enthalpique, utilisant une vitesse de rotation plus élevée de la roue à dessiccation, sont suffisants. Lorsque les besoins de chauffage sont plus importants, l’énergie solaire, et le cas échéant, une énergie d’appoint (4-5) sontutilisées. Les capteurs solaires plans à eau, voire à air, sont les plus couramment utilisés dans ce type d’installation.L’eau utilisée comme fluide de transfert énergétique, associée à un ballon de stockage de l’eau chaude, permet de faire face, pour partie,aux périodes sans ensoleillement. Le système nécessite alors un échangeur thermique complémentaire eau/air (4-5 pour le chauffage ou 8-9 pour le rafraîchissement). Une autre solution,conduisant à un coût d’investissement plus faible, utilise directement l’énergie solaire de régénération par le biais de capteurs à air. Une conception particulière du système à dessiccation est nécessaire dans le cas de conditions extérieures extrêmes,par exemple dans les régions côtières méditerranéennes. Etant donné le taux d’humidité élevé, une configuration standard ne permet pas de le réduire suffisamment pour utiliser ensuite le rafraîchissement évaporatif. Des configurations plus complexes de la centrale de traitement d’air, utilisant par exemple une autre roue enthalpique,ou un groupe de froid complémentaire doivent être utilisées.

Système utilisant un matériau déshydratant liquide

Un nouveau développement, proche de l’introduction sur le marché, utilise pour la dessiccation de l’air un sorbant liquide : une solution eau/chlorure de lithium. Par rapport à un système à dessiccation utilisant un sorbant solide, ce type de système présente plusieurs avantages : un plus fort taux de déshumidification pour le même niveau de température et la possibilité d’un haut niveau de stockage énergétique sous la forme de solution concentrée. Cette technologie représente sans doute un futur prometteur pour le rafraîchissement solaire.