Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Rémi CHEILAN 5ème année Génie-Civil Spécialité Ingénierie du bâtiment Promotion 2001-2004 ECOLE NATIONALE D’INGENIEURS DE SAINT-ETIENNE 58 rue Jean Parot-42023 St-Etienne cedex 2 Rapport de Projet de fin d’Etudes Du 2 février 2004 au 18 juin 2004 LA CLIMATISATION SOLAIRE Structure d’accueil 114 boulevard du 11 novembre 69100 Villeurbanne Tél : 04 37 47 80 90 - Fax : 04 37 47 80 99 Mél : [email protected] - Site : www.hespul.org MEMBRES DU JURY : Professeur responsable : M.Viennet Maître de stage structure d’accueil : M.Laurencin 1 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 REMERCIEMENTS Avant tout je tiens à remercier Messieurs Didier Laurencin et Guillaume Thabuis qui m’ont accueilli au sein d’HESPUL pour mon projet de fin d’études. Je tiens à remercier évidemment toute l’équipe d’HESPUL pour son accueil chaleureux et pour le temps que chacun n’a pas hésité à me consacrer. Je remercie enfin, M. Viennet qui m’a suivi tout au long de mon PFE veillant au bon déroulement de celui-ci. 2 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 SOMMAIRE AVANT PROPOS ------------------------------------------------------------ p.1 INTRODUCTION------------------------------------------------------------ p.2 I PRELIMINAIRES I.1 Présentation de l’association HESPUL----------------------------- p.3 I.1.1 I.1.2 I.1.3 I.1.4 Historique Activités Références Déroulement de mon PFE à HESPUL I.2.1 I.2.2 I.2.3 I.2.4 La consommation d’énergie Énergie et pollution Des ressources limitées et épuisables La réponse : Economies d’énergie et énergies renouvelables I.2 Les enjeux énergétiques------------------------------------------- p.7 I.3 La climatisation : Enjeux et Risques------------------------------ p.10 I.3.1 La Climatisation aujourd’hui I.3.2 Les perspectives I.3.3 Les conséquences et les risques d’une « surclimatisation » I.4 La démarche négaWatt appliquée à la demande de froid dans le bâtiment--------------------------------------------------------p.18 I.4.1 Sobriété : Modération des exigences de confort d’été I.4.2 Efficacité : Rafraîchissement passif/architecture bioclimatique I.4.3 Renouvelables : Climatisation Solaire II COMPOSANTS DES SYSTEMES DE CLIMATISATION SOLAIRE II.1 Sous systèmes de distribution - Equipements de ---------------p.31 conditionnement d’air II.1.1 II.1.2 II.1.3 II.1.4 II.1.5 II.1.6 Les Les Les Les Les Les ventilo-convecteurs éjecto-convecteurs plafonds rayonnants froids poutres froides planchers rafraîchissants batteries froides à eau glacée II.2 Systèmes de production de chaleur/Partie solaire de-----------p.36 l’installation II.2.1 Les capteurs solaires -----------------------------------------------p.36 II.2.1.1 Les capteurs solaires thermiques plans à eau II.2.1.2 Les capteurs solaires thermiques plans à air II.2.1.3 Les capteurs solaires thermiques sous-vide II.2.2 Systèmes de production de chaleur d’appoint-------------------p.42 II.2.3 Le ballon de stockage d’eau chaude----------------------------p.42 II.3 Systèmes de production de froid/Partie frigorifique de --------p.43 l’installation II.3.1 Groupes de production frigorifique conventionnels---------------p.43 II.3.2 Groupes de production frigorifiques à Sorption ------------------p.48 II.3.2.1 Groupes de production de froid à absorption II.3.2.2 Groupes de production de froid à adsorption 3 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 II.3.3 Le rafraîchissement évaporatif potentialisé par Dessiccation -------p.61 (DEC, Dessiccant Evaporative Cooling) II.3.4 Les autres composants -----------------------------------------p.66 II.3.3.1 Tour de refroidissement II.3.3.2 Le stockage d’eau glacée II.3.5 Récapitulatif des technologies-----------------------------------p.69 III CONFIGURATIONS GENERALES DES SYSTEMES DECLIMATISATION SOLAIRE THERMIQUE III.1 Climatisations solaires thermiques autonomes et climatisations solaires thermiques avec appoint--------------------------------------p.70 III.1.1 Climatisations solaires thermiques autonomes III.1.2 Climatisations solaires thermiques avec appoint III.2 Le rafraîchissement évaporatif potentialisé par Dessiccation (DEC, Dessiccant Evaporative Cooling)---------------------------------------p.72 III.2.1 DEC autonome utilisant des capteurs thermiques à air------------p.73 III.2.2 DEC stockage et III.2.3 DEC stockage et utilisant des capteurs solaires thermiques à eau avec un ballon de un appoint chaud-----------------------------------------p.75 utilisant des capteurs solaires thermiques à eau avec un ballon de un appoint froid------------------------------------------p.78 II.2.3.1 Le groupe frigorifique est intégré dans l’installation comme pompe à chaleur II.2.3.2 Le groupe frigorifique alimente en eau 2 batteries froides III.2.4 Exemple d’installation (DEC) : L’IHK à Freiburg en Allemagne-----p.81 III.3 Systèmes utilisant des groupes de production d’eau glacée ---p.86 III.3.1 Système autonome de production d’eau glacée utilisant des capteurs solaires thermiques à eau--------------------------------------------p.87 III.3.2 Système de production d’eau glacée utilisant des capteurs solaires thermiques à eau avec un ballon de stockage et un appoint chaud-------p.88 III.3.3 Système de production d’eau glacée utilisant des capteurs solaires thermiques à eau avec un appoint froid--------------------------------p.89 III.3.4 Exemple d’installation (absorption): Le G.I.C.B de Banyuls sur mer en France--------------------------------------------------------------p.90 III.3.5 Exemple d’installation (adsorption) : L’usine de cosmétiques SARANTIS à Inofita Viotias en Grèce----------------------------------------------p.94 III.4 Bilan des installations en Europe---------------------------------p.96 IV ASPECTS ENVIRONNEMENTAUX ET ECONOMIQUES--------p.98 DES DIFFERENTES TECHNOLOGIES DE CLIMATISATION SOLAIRE V PROGRAMMES DE DEVELOPPEMENT ET DE PROMOTION INTERNATIONAUX V.1 Le projet CLIMASOL-----------------------------------------------p.108 V.2 La Tâche 25 du programme SHC (Solar Heating and Cooling) de l’Agence Internationale de l’Energie----------------------------------p.110 V.3 Le programme Européen SACE (Solar AirConditioning in Europe)-----------------------------------------------------------------p.111 CONCLUSION ---------------------------------------------------------------p.112 ANNEXES 4 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 AVANT PROPOS Je vais dans le présent document, rendre compte du Projet de Fin d’Etudes que j’ai réalisé dans l’association HESPUL à Villeurbanne du 2 février au 18 juin 2004 sur l’ « ETUDE DE LA PRODUCTION DE FROID DANS LE BATIMENT A L’AIDE DE PANNEAUX SOLAIRES ». L’objectif de cette étude était de réaliser un état des lieux technologique, mais également environnemental et économique des systèmes permettant de climatiser des locaux à l’aide d’énergie solaire. Il se devait d’être aussi exhaustif que possible dans le temps imparti et avec les moyens à disposition, afin que l’association HESPUL ait les données nécessaires pour anticiper et appréhender sereinement le développement souhaitable et inéluctable de cette filière et ainsi en devenir un acteur potentiel. Il est très important de comprendre que tenter de climatiser des bâtiments avec de l’énergie solaire s’inscrit dans un contexte, dans une démarche cohérente et globale que je me suis efforcer de faire transparaître dans ce document et en particulier dans sa première partie. Il est important de bien saisir les tenants et les aboutissants d’une telle démarche pour ainsi l’appréhender dans sa globalité et ne jamais en perdre l’essence. Même si la notion de « Développement Durable » (satisfaire les besoins des générations présentes sans compromettre la possibilité pour les générations à venir de satisfaire leurs propres besoins) est discutable, on pourrait dire qu’elle définit assez bien dans quel cadre général la problématique de la climatisation solaire intervient et pourrait ainsi en être son fil directeur, son objectif implicite et évident. 5 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 INTRODUCTION Les bâtiments représentent l’un des secteurs les plus consommateurs d’énergie dans les sociétés industrialisées. En Europe environ 40% de l’énergie primaire est consommée par les bâtiments. Qu’ils soient à usage commercial, industriel ou privé ils utilisent de l’énergie pour différentes applications comme le chauffage, la production d’eau chaude sanitaire, la climatisation , l’éclairage et tous les équipements utilisant de l’électricité. Comme nous allons le voir, durant les dernières décennies, la consommation d’énergie due à la climatisation a dramatiquement augmenté dans la plupart des pays industrialisés. En 1996 10 000 GWh d’énergie primaire étaient consommés en Europe par les seules climatisations individuelles d’une puissance frigorifique inférieure à 12 kW. Selon des études prospectives réalisées par l’Union Européenne cette valeur devrait être multipliée par 4 à l’horizon 2020 pour atteindre 44 000 GWh. Ces estimations ne prennent pas en compte les systèmes de climatisation centralisée largement répandues dans le secteur tertiaire et grands consommateurs d’énergie. On peut avancer comme principales raisons à cette explosion de la demande d’énergie due à la climatisation, l’augmentation des exigences de confort des personnes mais aussi la tendance architecturale qui consiste à augmenter la proportion de surfaces vitrées de l’enveloppe des bâtiments ou encore la recherche d’optimisation de productivité des employés par les chefs d’entreprise… Je vais dans une première partie replacer la problématique de la climatisation solaire dans son contexte pour aborder ensuite les aspects techniques, environnementaux et économiques des technologies actuelles. 6 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 I PRELIMINAIRES I.1 Présentation de l’association HESPUL I.1.1 Historique Hespul, qui s’appelait il y a encore 4 ans PHEBUS est une association à but non lucratif. Elle a été à l’origine de l’installation de la première centrale photovoltaïque (PV) connectée au réseau général d’électricité en France (1992). L’installation, initiée et financée par des militants fondateurs de l’association s’était faite à proximité du surgénérateur SUPERPHENIX en symbole d’une alternative vis à vis du programme électronucléaire en France. Pendant qu’en Allemagne, en Suisse et dans les pays nordiques, les solutions alternatives au nucléaire et aux ressources fossiles, notamment le photovoltaïque, l’éolien et le solaire thermique étaient intégrées aux politiques énergétiques, la France restait dans l’ignorance de ces alternatives et continuait de développer son programme électronucléaire. Les initiateurs de cette action sont restés longtemps incompris en France … L’intérêt de l’opération de la première centrale résidait dans la démonstration que cela fonctionne, que la production d’énergie électrique – encore en pleine croissance – pouvait se faire par des moyens que l’on qualifierait aujourd’hui de « durables » (répondre à nos besoins sans compromettre ceux des générations futures) : malgré son intérêt, le nucléaire n’a pas encore démontré sa capacité à répondre aux problèmes qu’il génère (résidus à longue vie radioactive, démantèlement, risques inhérents à la technologie, etc.). Depuis cette première centrale PV connectée au réseau, l’association fondée en 1991 a mis en route des programmes de disséminations, d’informations, aidés par les instances de la Commission Européenne dans un premier temps, projets auxquels se sont peu à peu intéressées les instances régionales puis nationales. C’est ainsi qu’HESPUL a acquis avec le temps une expérience incomparable en France et est peu à peu devenu la principale référence du photovoltaïque connecté au réseau en France, avec un savoir-faire de terrain précis et poussé (les programmes Européens ont permis de tester et de travailler sur une gamme très large de questions qui se posaient au fur et à mesure du développement des actions de la filière photovoltaïque). Par ailleurs, les dirigeants d’HESPUL ont su faire avancer avec leurs actions et celles des réseaux actifs du secteur le débat et l’information au sein des institutions en France, ce qui a récemment abouti entre autres choses au comblement d’une lacune historique majeure en matière à la fois de démocratie et de développement durable : l’ouverture du premier « débat sur l’énergie » en France par le gouvernement. I.1.2 Activités Si le photovoltaïque est le fer de lance d’Hespul, elle élargit aujourd'hui ses compétences dans d'autres domaines des énergies renouvelables. En effet Hespul s’est vu confier par les pouvoirs publics (ADEME et Région Rhône Alpes) des missions de service public en tant qu’ESPACE INFO ENERGIE du Rhône pour le développement du « plan bois » et du « plan Soleil ». 7 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Hespul s'investit aussi dans le développement de l'efficacité énergétique ; du solaire thermique , du biogaz , de la cogénération , de la picohydraulique , du séchage agricole et alimentaire, du bois énergie , de l'éolien et de la valorisation énergétique de la biomasse. La structure est au service des entreprises, des collectivités et de tous les particuliers qui souhaitent répondre à des questions de maîtrise énergétique et électrique, ainsi que de chauffage (en bâtiment, piscine et eau sanitaire). Hespul propose également des animations scolaires et des formations dans le département du Rhône et participe à diverses manifestations et activités, en vue de sensibiliser et de promouvoir les énergies renouvelables et l'efficacité énergétique. En tant que coordinateur de plusieurs projets photovoltaïques dans le cadre des IVième , Vième et VIème Programmes-cadres de Recherche-développement de la Commission européenne, Hespul a été à l'origine de plus de 300 installations de particuliers, d'entreprises, d'écoles ou de collectivités locales, soit près de 95% du parc français en service début 2000, alors que les toits solaires se comptent par milliers en Allemagne ou au Japon. Hespul a ensuite obtenu en décembre 1999 du Ministère de l'industrie la mise en place d'un tarif d'achat de l'électricité photovoltaïque qui règle sous les angles techniques et tarifaires les relations entre les "producteurs" et EDF, gestionnaire du réseau public. D'une manière générale, l’association continue à mettre en place des projets européens et se place, dans certains cas, comme assistant à maître d'ouvrage. Elle s'adresse principalement aux particuliers mais son expérience lui permet désormais d'aider des collectivités locales ou des industriels à monter des projets. C’est l'une des 11 associations du réseau IERA (Info Énergies Rhône Alpes) ayant pour objectif le développement des énergies renouvelables et de l'efficacité énergétique. Elle est spécialisée dans la filière des " micro-centrales photovoltaïques raccordées au réseau " et plus largement dans la production d'électricité " en bout de réseau ", sur les lieux de consommation. Hespul est aussi membre actif de nombreux réseaux professionnels et associatifs en France et en Europe agissant pour l'avènement d'un système énergétique durable : • membre du C.A. du CLER national (Comité de Liaison des Énergie Renouvelables), • membre du C.A. de la FEE (France Énergie Éolienne), branche française de l'EWEA (association européenne de l'énergie éolienne), • membre fondateur du RAC (Réseau Action Climat), branche française de " Climate Action Network ", réseau des ONG œuvrant à la prise de conscience des enjeux des changements climatiques dus à la pollution, • représentant en France d'EUROSOLAR, association européenne de l'énergie solaire, dont le président, Hermann Sheer, a reçu le " Prix Nobel Alternatif " en décembre 1999 pour son action en faveur des énergies renouvelables, • membre fondateur de EREF (European Renewable Energy Federation), qui regroupe les producteurs indépendants d'électricité renouvelables européens. • membre du C.A. du VAD (Ville et Aménagement Durable) • adhérente de EAF (Électricité Autonome de France) • adhérente de l'ITEBE (Institut Technique Européen du Bois Énergie) Toutes ces activités aussi diverses que variées mais touchant toutes à la thématique de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables sont assurées par une équipe de 17 salariés : techniciens, personnel administratif, animateurs scolaires, ingénieurs permettant ainsi à HESPUL d’avoir une approche, une vision et une compétence globale grâce aux différents niveaux et moyens d’intervention qu’elle possède. 8 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 I.1.3 Références 1992 Premier toit solaire photovoltaïque raccordé au réseau de France De 1993 à 1996 Proposant principal du programme Thermie n°SE/00033/93/FR/DE : PHEBUS93 Installation de 21 centrales photovoltaïques raccordées au réseau (28,8 kWc) De 1995 à 1999 Proposant principal du programme Thermie n°SE/00369/95/FR/DE : PHEBUS95 Installation de 41 centrales photovoltaïques raccordées au réseau (45 kWc) De 1997 à 2001 Proposant principal du programme Thermie n°SE/190/97/FR/DE/CH : PHEBUS97 Installation de 126 centrales photovoltaïques raccordées au réseau (200 kWc) Une installation a été réalisée en ardoises photovoltaïques. Installation intégrée en toiture de 11 kWc De 1999 à 2001 Suivi détaillé à distance de la centrale photovoltaïque intégrée en façade de l'OPAC 38 à Echirolles dans le cadre du programme Green Cities BU/01001/96/DK/ES/IT . 1999-2000 sous-traitant du programme PERSEUS Rédaction d'un guide pratique pour les futurs utilisateurs de toits photovoltaïques raccordés au réseau. 1999-2002 Proposant du programme 5PCRD n°NNE5-1999-00744 : PV-SALSA Installation de 70 kWc de photovoltaïque raccordé au réseau 1999-2002 Membre du consortium français du programme HIP-HIP Installation de 500 kWc de photovoltaïque raccordé au réseau en vue d'initier une baisse des coûts de production 2002-2003 Proposant principale du programme ALTENER n°4.1030/2/01-055/2001 : PV-DOMSYS Programme de promotion et de formation au photovoltaïque raccordé au réseau 2002-2003 Sous-traitant du programme 5PCRD n°NNE5-224-2001 : PREDAC 9 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Programme visant à favoriser le développement des énergies renouvelables et de la maîtrise de l'énergie en Europe. Coordination des sous-programmes thématiques WP1 (investissement local) et WP6 (photovoltaïque intégré au bâtiment) 2002-2004 Proposant du programme 5PCRD n°NNE5-2001-302 : PV-STARLET Développement d'une tuile photovoltaïque au niveau européen. Installation de 620kWc intégré en toiture en partenariat avec Imérys-Toiture. 2002-2004 Proposant du programme 5PCRD n°NNE5-2001-293 : UNIVERSOL Installation de systèmes photovoltaïques sur des bâtiments à vocation pédagogique (universités, lycées, centre de démonstration...) en Espagne, France, aux Pays-Bas et en Angleterre pour un total de 700kWc I.1.4 Déroulement de mon PFE à HESPUL Le déroulement prévu du PFE était le suivant : 1. Découverte du monde des énergies renouvelables. 2. Recherche bibliographique et compréhension des différentes techniques, des différents systèmes et du petit monde de climatisation solaire en général. 3. Réalisation de documents techniques de synthèse. 4. Rencontre de différents acteurs de la climatisation solaire. 5. Travail sur un projet concret. La première partie a duré comme prévu 3 semaines. Après ces 3 semaines, a démarré la période préliminaire à toute étude concrète et à tout rapprochement avec les différents acteurs de la climatisation solaire qui correspond donc à la période bibliographique, de recherche et de compréhension des différents systèmes, techniques et réalisations. Cette période avait donc 2 objectifs, d’abord recueillir un maximum d’informations afin de pouvoir réaliser un document utilisable par HESPUL présentant un état de l’art de la climatisation solaire. Ensuite de pouvoir appréhender les différentes technologies, saisir les tenants et les aboutissants de ces dernières, bref, me construire un « bagage technique » me permettant ainsi de travailler avec d’autres acteurs sur un projet par en particulier mais aussi afin d’avoir une activité de conseil au sein d’HESPUL. Cette 2ème partie s’est concrétisée par la réalisation de documents techniques de synthèse. J’ai pendant cette dernière eu l’occasion de donner un cours en 5ème année GCU (Génie Civil et Urbanisme) à l’INSA de Lyon sur le Froid Solaire et également de réaliser une présentation à l’équipe d’HESPUL de la climatisation solaire. J’ai dans l’étape 4 et 5 tenté de me rapprocher des acteurs français du programme européen Climasol (Rhône Alpes Energie Environnement, bureau d’étude Tecsol) que je présenterai plus en avant. Les échanges ont été très intéressants et enrichissants. Il était prévu de travailler avec Tecsol sur l’étude de faisabilité d’une climatisation solaire dans la région Rhône Alpes dans le cadre du programme Climasol. Ce volet de mon PFE n’a hélas pas pu être réalisé pour des raisons de temps, en particulier au niveau de la disponibilité de Tecsol mais aussi et surtout du fait que les études de faisabilité viennent de démarrer. J’ai au cours de ce PFE eu la chance de pouvoir participer à de nombreuses manifestations organisées par HESPUL ou par d’autres. On peut parler en l’occurrence du salon Primevère à Lyon, des journées sur le « Photovoltaïques raccordé au réseau », des 10 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 visites de sites « panneaux solaires thermiques, chaudières granulé de bois », de la visite de Freiburg en Allemagne : La ville Solaire… I.2 Les enjeux énergétiques Il est important de rappeler le contexte énergétique général et sa problématique environnementale pour bien comprendre l’urgence de la mise en place d’une réelle politique d’économies d’énergie et de développement des énergies renouvelables. C’est dans ce cadre et dans cette dynamique que doit s’intégrer la démarche cherchant à rafraîchir les bâtiments. On sent donc poindre le fait que la climatisation solaire n’est pas une fin en soi mais, le cas échéant, l’ultime étape d’une démarche cohérente que nous détailleront plus en avant . Cette succincte partie sur les enjeux énergétiques a vocation à rappeler quelques aspects de ces derniers afin de présenter le contexte et la problématique dans lesquels s’inscrit la démarche de rafraîchissement des bâtiments. Cette partie est loin d’être exhaustive (ce n’est absolument pas son but) mais cherche seulement à fixer quelques idées en guise de préliminaires. I.2.1 La consommation d’énergie En matière d’énergie, toutes les prévisions actuelles sont fondées sur l’hypothèse que la croissance économique des années passées va continuer tout au long du 21e siècle. Comme si ... Comme si cette croissance pouvait perdurer à jamais dans le cadre limité de notre biosphère. Comme si notre consommation d’énergie devait croître indéfiniment, et la production correspondante pouvait indéfiniment suivre ! A l’évidence, ce n’est pas possible.. L’énergie, une richesse inégalement consommée Aujourd'hui, sur notre planète, la surconsommation la plus débridée côtoie des pénuries criantes : un citoyen américain consomme à lui seul 8 tonnes d’équivalent pétrole (tep) par an, alors qu’un habitant du Bangladesh doit vivre avec 40 fois moins. La consommation d'électricité est encore plus inégale : 7070 kWh par an et par personne en France, contre … 22 kWh seulement en Ethiopie ! Et 40 % de la population mondiale reste tout simplement privée d’électricité. L’explosion énergétique La consommation mondiale d’énergie est restée très longtemps stable lorsque l’homme n’utilisait l’énergie que pour sa survie et ses besoins alimentaires. À partir de 1850 la révolution industrielle a provoqué une augmentation brutale des besoins en énergie. Celle-ci n'a cessé ensuite de croître de façon explosive sous l'effet conjoint de l'augmentation du niveau de vie et la croissance simultanée de la population. Actuellement la demande mondiale d'énergie croît de 2 % par an en moyenne. Elle a tendance à ralentir dans les pays industrialisés, mais augmente dans les pays émergents. 11 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Et en France, après une période de prise de conscience lors des deux chocs pétroliers, la consommation d’énergie des ménages est repartie de nouveau fortement à la hausse. Le spectre de la pénurie nous conduit tout droit et tout simplement à la guerre pour le contrôle des ressources, marginalisant encore un peu plus les plus pauvres. I.2.2 Énergie et pollution La consommation d’énergies fossiles est une des principales sources de la dégradation de l'environnement. L’usage massif de ces combustibles a déjà commencé à dérégler l’effet de serre, ce garant si fragile de notre survie. Ce dérèglement menace déjà notre climat : la Terre vient de vivre depuis 1990 neuf de ses années les plus chaudes. L’accroissement de l’effet de serre est une réalité, et ses effets, à la lumière des travaux les plus récents, risquent d’atteindre des seuils aux conséquences irréversibles. Les gaz qui augmentent l'effet de serre (CO2, NOx, SO2) sont principalement issus de la combustion des carburants fossiles et de l'activité industrielle. Les pluies acides sont une forme de pollution atmosphérique causée par les oxydes de soufre et les oxydes d'azote. Ces gaz, principalement issus des usines et des automobiles, acidifient les nuages et retombent sous forme de pluies qui affectent gravement les écosystèmes. Les déchets nucléaires issus de la production d'énergie atomique représentent un risque sans précédent pour les générations à venir, certains restant en activité pendant des milliers d'années. À l'heure actuelle, aucune solution n'a été trouvée pour les retraiter de façon satisfaisante. Ni l'enfouissement ni le stockage ne peuvent être considérés comme durablement fiables. La déforestation à des fins de production d'énergie est une des principales causes de la désertification des sols. En plus des grandes famines qui en résultent déjà, l'accroissement démographique rend extrêmement préoccupante la perte de terres productives au profit du désert. I.2.3 Des ressources limitées et épuisables Au rythme actuel de notre consommation, de quelles ressources énergétiques disposerons-nous demain ? Le pétrole sera la première source d’énergie à s’épuiser vers 2040, dans moins de deux générations … L'uranium et le gaz naturel n'atteindront pas les années 2075. Le charbon est plus abondant, mais ses réserves utiles ne dépassent pas deux ou trois cents ans. Enfin les difficultés de la surgénération et de la fusion nucléaire montrent que la perspective de disposer à court terme d’une énergie abondante et quasi-gratuite reste pour l’instant un mythe. Seule l'utilisation de toutes les formes d'énergies renouvelables (solaire, éolien, hydraulique, bois et biomasse) et une augmentation de l’efficacité énergétique permettront d'éviter de piller définitivement notre planète pour nos seuls besoins immédiats. 12 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 I.2.4 La réponse : Economies d’énergie et énergies renouvelables Inégalités criantes, croissance non contrôlée de la consommation, augmentation des atteintes à l'environnement, gaspillage de ressources fossiles limitées … En matière d'énergie, l'état des lieux est accablant. Or nous continuons à produire et à consommer toujours plus en ayant, comme l'autruche, la tête douillettement enfoncée dans le sable : les générations à venir nous regarderont comme de redoutables gaspilleurs, doublés d'insouciants pollueurs laissant à nos descendants le soin de s'occuper de nos déchets. Est-ce inévitable ? De nombreuses réponses existent, simples, de bon sens, immédiatement applicables par tous. Par exemple, le seul fait de concevoir une habitation en tenant compte correctement de l'orientation (et donc de l'ensoleillement) diminue de 15 à 30 % les besoins de chauffage, et donc la consommation d'énergie. Autre exemple : remplacer une classique ampoule de 100 W par une lampe basse consommation de 20 W revient à utiliser 5 fois moins d'énergie pour assurer un même niveau d'éclairage. La puissance électrique nécessaire est ainsi réduite de 80 W. En d'autres termes, le remplacement de cette lampe génère "80 Watts en moins" : on parle alors de "production de négawatts ". Ce concept de Négawatt a été développé par l’association négaWatt composée d’une vingtaine d'experts et de praticiens, tous impliqués à titre professionnel dans la maîtrise de la demande d'énergie ou le développement des énergies renouvelables. Elle a élaboré un scénario énergétique « négawatt » à 2050 basé sur un concept simple. Elle l’a appliqué à tous les usages de l’énergie dans notre pays afin d’élaborer ce scénario et de pouvoir le comparer a un scénario dit « tendanciel ». Ce concept, déjà présenté de manière plus ou moins explicite dans les pages précédentes est le suivant : 13 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Sobriété La sobriété énergétique consiste à supprimer les gaspillages absurdes et coûteux à tous les niveaux de l’organisation de notre société et dans nos comportements individuels. La sobriété n’est ni l’austérité ni le rationnement : elle répond à l’impératif de fonder notre avenir sur des besoins énergétiques moins boulimiques, mieux maîtrisés, plus équitables. Elle s’appuie sur la responsabilisation de tous les acteurs, du producteur au citoyen. Efficacité L’efficacité énergétique consiste à réduire le plus possible les pertes par rapport à la ressource utilisée. Le potentiel d’amélioration de nos bâtiments, de nos moyens de transport et des appareils que nous utilisons est en effet considérable : il est possible de réduire d’un facteur 2 à 5 nos consommations d’énergie et de matières premières à l’aide de techniques déjà largement éprouvées. Renouvelables Les actions de sobriété et d’efficacité réduisent nos besoins d’énergie à la source. Le solde doit être fourni à partir d’énergies renouvelables issues de notre seule ressource naturelle et inépuisable : le Soleil. Bien réparties, décentralisées, ayant un faible impact sur notre environnement, les énergies renouvelables (solaire, hydraulique, éolien, biomasse) sont les seules qui permettent d’équilibrer durablement nos besoins en énergie avec les ressources de notre planète : pourquoi retarder notre mise en marche vers un équilibre aussi vital ? On trouve en annexe, 3 documents élaborés par l’association négawatt : - « L’APPEL négaWatt pour un avenir énergétique sobre, efficace et renouvelable » « LE MANIFESTE négaWatt pour un avenir énergétique sobre, efficace et renouvelable » « Le scénario négaWatt » Il serai très intéressant de les consulter à ce moment de la lecture du rapport car ils sont fondamentaux pour bien comprendre les enjeux énergétiques mais aussi pour voir dans quelle dynamique et démarche s’inscrivent les multiples actions d’HESPUL. I.3 La climatisation : Enjeux et Risques Il est intéressant, après avoir défini le cadre général de la problématique énergétique, de traiter maintenant le point particulier qu’est la climatisation. C’est à dire son développement, les risques de ce dernier et pourquoi est ce un danger. Tout ceci nous permettant de comprendre encore un peu plus tout l’intérêt d’appliquer la démarche négaWatt au rafraîchissement des bâtiments. Cette déclinaison de la démarche négaWatt incluant, comme nous le verrons, la climatisation solaire comme 3ème et dernière mesure, le cas échéant. 14 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 I.3.1 La Climatisation aujourd’hui PANORAMA DE LA CLIMATISATION DANS LE MONDE Le marché mondial Le marché mondial de la climatisation est toujours en expansion et a été estimé à 39,7 millions d'appareils vendus en 2000. Ce résultat se répartit entre 29,9 millions d'unités RAC (Room Air Conditioners, c'est à dire climatiseurs individuels) et 9,8 millions d'unités CAC (Central Air Conditioners, c'est à dire climatisation centralisée). Le marché Américain reste le premier avec 13,2 millions d'unités vendues en 2000 avec une croissance de 3,1%. Le marché Chinois explose avec 9,2 millions d'unités vendues. Le marché Japonais a connu une croissance de 9% entre 1999 et 2000, passant ainsi à 7,7 millions d'unités vendues en 2000. En 2000, le marché mondial de la climatisation était estimé à 35 milliards de US$. Marché mondial de la climatisation (en volume) en 2000 Le taux d'équipement en climatisation dans le monde Les climatiseurs sont plus répandus dans le secteur tertiaire. Le taux d'équipement en Europe est très en deçà des valeurs des autres pays de l'OCDE (100 % au Japon et 80 % aux Etats-Unis). Ceci en fait donc un terrain à conquérir pour tous les fabricants, en effet le potentiel y est énorme. PAYS TERTIAIRE RESIDENTIEL Japon 100% 85% Etats-Unis 80% 65% Europe 27% 5% Taux d’équipement en climatisation dans le monde en 1997 15 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Dépense annuelle consacrée à la climatisation dans le monde Dépense annuelle consacrée à la climatisation PANORAMA DE LA CLIMATISATION EN EUROPE Le marché européen de la climatisation individuelle et centralisée Le marché de la climatisation centralisée croît fortement en Europe depuis plusieurs années. Dans l'étude EECCAC (Energy Efficiency and Certification of Central Air Conditioners) , la croissance de la surface climatisée par des installations centralisées a été estimée en Europe entre 1980 et 2000. Augmentation de la surface climatisée par des installations centralisées entre 1980 et 2000 en l'Europe 16 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Cette croissance est en partie reliée au développement des immeubles de bureaux, ce qui explique la plus forte croissance dans des pays d'Europe centrale (Allemagne) qu'au Portugal et en France. Augmentation de la surface climatisée centralisée par pays entre 1980 et 2000 Aujourd'hui, l'Italie et l'Espagne représentent à elles seules plus de 50% du marché (en termes de surface climatisée). La répartition de la climatisation centralisée par secteur d'activité dans les pays ayant des statistiques montre la prédominance des immeubles de bureaux. Répartition de la climatisation centralisée par secteur d'activité dans quelques pays d'Europe L'étude EECCAC présente également la répartition des différentes techniques de climatisation, centralisée et individuelle, dans les secteurs tertiaires et résidentiels. 17 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Systèmes de distribution par pays A partir du nombre reconstitué de systèmes de distribution à air (centrale de traitement d'air) et à eau (ventilo-convecteurs), la répartition du marché par pays a été établie. Le pourcentage de systèmes de distribution à eau est égal au nombre d'installations avec une distribution du froid par le vecteur eau divisé par le nombre d'installations total. Pourcentage des systèmes de distribution à eau par rapport au total par pays de l'UE en 1998 I.3.2 Les perspectives Evolution du marché en Europe Les extrapolations sont fondées sur les données de 1998 et les tendances constatées au niveau national dans chaque pays d'Europe. Evolution de la surface climatisée en Europe à l'horizon 2010 et 2020 18 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Evolution du stock par pays à l'horizon 2010 et 2020 L'évolution par secteur d'activité a aussi été extrapolée dans le cadre de l'étude EECCAC. Evolution du stock par secteur d'activité I.3.3 Les conséquences et les risques d’une « Surclimatisation » Comme nous l’avons vu précédemment, l’Europe de part son faible nombre d’installations en comparaison des Etats unis et du Japon est un « marché » très convoité par les industriels car il possède un très fort potentiel de croissance, et ce, comme le montrent les études prospectives. 19 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Ces études prospectives de part le moment où elles ont été réalisées ne prennent pas en compte ce que l’on pourrait appeler l’effet « CANICULE 2003 ». Comme on le voit en ce moment les ventes pour cet été explosent que ce soit pour les climatisations individuelles ou centralisées. De nombreux fabricants sont a la limite de la rupture de stock et les délais de livraison sont de plus en plus importants. Cette augmentation fulgurante du nombre de climatisation en France et en Europe ne va qu’amplifier de manière dramatique les 2 principaux inconvénients qui caractérisent la climatisation conventionnelle. C’est à dire : - Son importante consommation d’énergie L’utilisation de fluides frigorigènes ayant environnemental un fort impact La consommation d’énergie La climatisation dévore beaucoup d’énergie souvent produite à partir de sources d’énergie polluante. Selon un étude réalisée par l’ADEME (Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie), lors d’un été « normal », les climatiseurs accroissent la consommation d’énergie de quelques 2000 kWh pour une période de trois mois pour une petite surface (45 m2). Sur ces courtes périodes d’utilisation, ces appareils mettent et menacent de mettre les systèmes de production d’électricité à rude épreuve. De fait, si la tendance actuelle se poursuit, l’Europe devrai connaître pour l’été 2020 une pointe de puissance électrique en plus des autres utilisations de 35 GW vers 19 h contre 20 GW en milieu d’après midi. Or 35 GW représente grossièrement 35 tranches nucléaires (il y en a en tout et pour tout 135 en Europe). On retrouve déjà de telles proportions en région PACA où en période estivale, au plus chaud de la journée, 40% de l’énergie électrique consommée l’est par les systèmes de climatisation. La température maximale, en Europe, l’été, est à 17–18 h. On a pu observé que la canicule 2003 a eu un impact très significatif sur la consommation d’électricité : à Genève, on a constaté une augmentation d’appel de puissance de 8 MW par degré supplémentaire sur un total de 300 MW. Pour assurer la fourniture en électricité durant ces pointes, il faudrait disposer de la capacité à générer de l’électricité pour les couvrir même si elles ne sont pas nécessaires le reste du temps. En outre, les fortes chaleurs font énormément souffrir la filière électrique: les barrages manquent d’eau et les centrales nucléaires peinent à se refroidir. Reste l’option des centrales thermiques à combustibles fossiles émettrices de gaz à effet de serre. Et quand la capacité de production électrique n’est pas suffisante, surviennent alors les délestages et les coupures de courant par secteur. On se rappelle de la grande canicule qui frappa Chicago en 1995. En effet après quelques jours d’alerte météo durant lesquelles les habitants dévalisèrent les magasins de climatisation, la consommation d’électricité a atteint un niveau qui a vite excédé les capacités de la compagnie d’électricité. Apparues dès le 13 juillet, les pannes se répétèrent les jours suivants. Le vendredi 15, deux grands transformateurs disjonctent en moins d’une heure. Des quartiers entiers se retrouvent sans électricité parfois durant 2 jours. En France, les pannes à répétition sur les lignes des TGV durant l’été 2003 le prouvent : en cas de forte chaleur, les corps humains ne sont pas les seuls à souffrir. Tous les appareils peinent à maintenir leur fonctionnalité normale. Et c’est justement au moment où les intempéries rendent les conditions de gestion du système de production et d’acheminement de l’électricité très difficiles que les climatiseurs sont et seraient utilisés de façon massive. D’une manière générale, les systèmes de production et d’acheminement de l’électricité ne sont pas infaillibles. Les gigantesques pannes à New 20 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 York et en Italie en 2003 sont venues utilement rappeler cette évidence au grand public et aux responsables politiques. Les fluides frigorigènes utilisés Les fluides frigorigènes utilisés dans les cycles thermodynamiques frigorifiques utilisant une compression mécanique sont de redoutables gaz à effet de serre. Ces produits commercialisés sous des noms divers (Fréon, Forane, Iscéon…) sont classés en groupes selon leur composition chimique. On distingue les CFC (R 12, R 11, R 502…), les HCFC (R 22…), les HFC (R 134 A, R 407 C, R 410 A). Les CFC et, dans une moindre mesure, les HCFC ont un rôle important dans la destruction de la couche d'ozone qui, si elle se poursuivait, pourrait menacer la vie sur la terre. Tous ces gaz, y compris les HFC, contribuent par l'accroissement de l'effet de serre au réchauffement global et au changement climatique. Pour remédier à ces problèmes, des accords internationaux ont été conclus et les états signataires doivent prendre les mesures adéquates pour les faire respecter. Deux principaux indicateurs existent pour caractériser l’impact environnemental d’un fluide frigorigène : - Le GWP (Global Warming Potential) : Il caractérise la contribution du fluide à l’effet de serre. Sa valeur correspond à l’équivalent massique en CO2 qui permettrai d’obtenir la même augmentation d’effet de serre qu’avec 1kg du fluide frigorigène considéré. - L’ODP (Ozone Depletion Potential) : Il caractérise les dommages causés à l’atmosphère par le fluide considéré. Sa valeur est relative à l’ODP du R-11 qui est un CFC maintenant interdit et dont la valeur référence d’ODP a été arbitrairement prise égale à 1. Aujourd’hui les principaux fluides utilisés dans les climatisations neuves sont le R134A (GWP=1300, ODP=0) , le R-407C (GWP=1610, ODP=0), le R-410A (GWP=1725, ODP=0) qui sont tous 3 des HFC. Il existe évidemment de nombreuses installations utilisant des HCFC et en l’occurrence du R-22 (GWP=1725, ODP=0,05). A titre de comparaison un CFC comme le R-11 interdit à la production depuis 1995 avait les caractéristiques suivantes : GWP=4000, ODP=1. Depuis le 1er juillet 2002, aucune climatisation contenant des HCFC ne peut être mise sur le marché. Après le 1er janvier 2010 aucun HCFC neuf ne pourra être utilisé en maintenance de système. Après 2015 aucun HCFC recyclé ne pourra être utilisé en maintenance de système. Les fuites de frigorigène sont inhérentes à la marche de l’appareil. Circuits, joints et tuyaux souples laissent échapper ces gaz frigorigènes. De plus les appareils sont encore rarement recyclés et le fluide, qui finit souvent en décharge occasionne de nouvelles fuites dans l’atmosphère. Autrement dit, il n’y a sans doute pas de meilleur moyen de renforcer le changement climatique que d’installer partout la climatisation pour lutter contre l’un de ses symptômes les plus spectaculaires. 21 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 I.4 La démarche négaWatt appliquée à la demande de froid dans le bâtiment Cette démarche négaWatt que l’on a présenté précédemment est applicable comme on l’a vu à la problématique de l’énergie en générale mais on peut également l’appliquer et la décliner aux problématiques énergétiques particulières comme par exemple le rafraîchissement des bâtiments. Modération des exigences de confort d’été Augmentation de l’efficacité énergétique du bâtiment vis à vis des surchauffes estivales : Rafraîchissement passif/architecture bioclimatique Climatisation Solaire I.4.1 Sobriété : Modération des exigences de confort d’été On a l’habitude de définir le « confort thermique » comme L’EQUILIBRE ENTRE L’ÊTRE HUMAIN ET L’AMBIANCE. La température du corps étant d’environ 36,7°C donc généralement supérieure à la température de l’ambiance, un équilibre doit être trouvé afin d'assurer le confort de l'individu. Pour atteindre cet équilibre l’homme possède des mécanismes de régulation qui adaptent ses pertes de chaleur aux conditions thermiques de l’ambiance. Le « confort thermique » dépend de l’équilibre existant entre ces grandeurs. L’homme se sent bien si les échanges de chaleur s’effectuent ni trop vite, ni trop lentement. Un trop grand déséquilibre entre l’être humain et l’ambiance impliquera d’importants échanges thermiques sources d’inconfort. On dit généralement que l’ampleur de ces échanges, donc la sensation de confort ou d’inconfort, dépend de 6 paramètres : Paramètres de l’ambiance thermique Température de l’air ambiant (Ta) : Elle doit être homogène dans L’espace et dans le temps, c’est à dire dans la pièce mais aussi entre le jour et la nuit et entre l’été et l’hiver. Vitesse de l’air (Va) : Elle influence les échanges de chaleur par convection. Température des parois (Tp) : Les parois froides émettent, comme les vitrages, un rayonnement froid source d’inconfort. On souhaite que Ta-Tp < 3°C 22 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Humidité (HR ou ϕ) : Rapport exprimé en pourcentage entre la quantité d'eau contenue dans l'air à la température Ta et la quantité maximale d'eau pouvant être contenue dans l’air à cette même température. On souhaite que 30% < ϕ < 70% Paramètres individuels Métabolisme : C’est la production de chaleur interne au corps humain permettant de maintenir celui-ci autour de 36,7°C. Il est fonction de l’activité du sujet. Exemple : Sommeil = 75 W, Assis au repos = 110 W, Gymnastique = 360 W. Habillement : Il représente une résistance thermique aux échanges de chaleur entre la surface de la peau et l'environnement. C’est l’équivalent de l’isolant pour une maison. Généralement on évalue le confort thermique de 2 manières : Evaluation simplifiée : On calcule la température résultante sèche (TRS) : TRS = (Ta + Tp)/2 Cette dernière défini plus précisément le confort car elle prend en compte en plus de Ta, Tp. On compare ensuite cette température à une fourchette dite de confort. Evaluation approfondie : On détermine des zones de confort thermique (zone où la variation de sensation de confort thermique est faible) en utilisant l'indice de vote moyen prévisible (PMV) et le pourcentage prévisible d'Insatisfaits (PPD) pour une ambiance donnée. Ces 2 indices sont obtenus par sondage d’un groupe d’individus. Le PMV gradue de –3 (très froid) à +3 (très chaud) la sensation thermique. Le but est d’obtenir un PMV = 0 (neutre) pour un PPD le plus faible possible. Il existe une norme développant une méthode utilisant les paramètres précédents pour définir ces zones de confort standards. 23 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Exemple de résultats obtenus du PPD (pourcentage prévisible d’insatisfaits) en fonction de la température de l’air et de l’activité. Le point le plus bas de chaque courbe correspond à la température pour laquelle, en fonction de l’activité , il y a minimum d’insatisfaits. C’est donc la température recherchée. Le diagramme de l’air humide (cicontre) permet de faire figurer les grandeurs caractéristiques de l’air humide à pression atmosphérique dans diverses conditions de température et d’humidité. Il est essentiellement utilisé lors de la conception des climatisations et centrales de traitement d’air. Zone 1 : à éviter vis-à-vis des problèmes de sécheresse. Zone 2 et 3 : à éviter vis-à-vis des développements de bactéries et de microchampignons. Zone 4 : Polygone de confort hygrothermique On peut cependant face à cette analyse cartésienne du confort, émettre des réserves et se poser alors plusieurs questions : En matière d’habitat, les notions de confort sont elles réellement mesurables ? Peut-ont en donner des indicateurs valables ? Ont-ils la même signification pour tous ? En effet, d’autres paramètres entrent en jeu comme : - Les sensibilités personnelles (age, sexe, vécu, état psychologique …) - Les habitudes culturelles (La zone de confort d’un anglais se situe entre 14,5°C et 21°C, celle d’un américain entre 20°C et 26°C et celle des habitants des régions tropicales entre 23°C et 29,5°C …) - Les autres perceptions sensitives (l’espace, la luminosité, la vue d’un feu, d’un étang, un environnement sonore évocateur …) En tentant d’intégrer ces facteurs plus globaux on ne parle alors plus de « confort thermique » mais de BIEN ÊTRE THERMIQUE qui se veut plus globale et plus flexible que la notion de confort. 24 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Finalement, confort et bien-être sont deux concepts qui apparaissent comme très subjectifs. Dans la recherche de ces notions complexes, le couple, habitant(s)/habitat (et non machine thermique/conditions climatiques complètement définies) ne doit en aucun cas être dissocié comme on le voit de nos jours. On pourrait même dire que c’est dans cette uniformisation et standardisation du confort (comme du goût…) que se trouve la source principale d’inconfort et de mal être. On peut citer une enquête nationale réalisée en 1996-1997 par la Société de Médecine du Travail d'Ile-de-France et le LHVP (laboratoire d'hygiène de la ville de Paris) pour étudier l'impact de la climatisation sur 4 500 personnes travaillant dans plus de 80 bâtiments différents. Les résultats sont édifiants ; 63 % des personnes sont insatisfaites de la qualité de l'air dans une ambiance climatisée contre seulement 44 % lorsque la ventilation est manuelle. 1 personne sur 2 se plaint de problèmes de santé (maux de tête, nez, gorge, vue...) avec la clim et deux fois moins lorsqu'elle n'est pas présente. Plus surprenant : la température est jugée insatisfaisante pour 56 % des personnes travaillant dans des bureaux climatisés contre seulement 32 % pour ceux qui ouvrent les fenêtres... De plus une telle standardisation du confort et donc des exigences des usagers (En 30 ans, la chercheuse britannique Elizabeth Shove constate que la température moyenne dans les foyers est passée de 17 à 21 °C sans être certain que le bien-être y ait forcément été amélioré) mène et mènera à des surconsommations et des pics de demande en énergie : En hiver (chauffage) et en été (Climatisation) L’habitat ne devrait pas être appréhendé, comme c’est souvent le cas, tel un bien de consommation standard, uniformisé pour ni ne plaire, ni ne déplaire mais il doit justement intégrer tous les facteurs personnels et culturels des habitants qui rendront propices leur épanouissement et leur bien-être. I.4.2 Efficacité : Rafraîchissement passif/architecture bioclimatique 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. On peut citer d’ailleurs, à titre d’exemple, le cas d’un immeuble situé à Genève. Cet immeuble, composé de 7 niveaux et de 6000 m2 de surface présente une surchauffe en période estivale génératrice d’inconfort. La fédération internationale des syndicats de la métallurgie qui possède ce bâtiment construit dans les années 1960, occupe un étage. Diverses sociétés louent les autres étages. Fortement vitrées, les façades sont constituées de fenêtres basculantes avec un double vitrage et un store à lamelles intégré entre les 2 vitres. Tous les occupants se plaignent de la chaleur durant la saison d’été. Contacté en 1995 pour faire baisser la température en saison chaude, un bureau d’ingénieurs préconise la climatisation intégrale du bâtiment. Il propose 3 variantes, pour des coûts allant de 2,3 à 3 millions d’euros. La puissance frigorifique nécessaire, de l’ordre de 300 kW et l’installation impliqueraient des travaux très lourds et invasifs dans le bâtiment. La FISM juge cette proposition trop chère à l’investissement et au fonctionnement. Et, par crainte des courants d’air, d’avoir à supporter trop d’air frais et de ne pouvoir ouvrir les fenêtres, elle inspire la méfiance à plusieurs occupants. Aussi, avant de déposer 25 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 la demande d’autorisation cantonale obligatoire pour installer la climatisation, la FISM contacte l’Office cantonal de l’énergie qui lui conseille de faire réaliser un étude plus complète, avec un diagnostic et des propositions globales d’amélioration, comme l’indique la législation. La FISM confie alors un mandat au centre universitaire d’études des problèmes d’énergie (CUEPE). Au cours de l’été 1998, le CUEPE effectue des mesures de températures et de flux d’énergie dans plusieurs bureaux aux 3ème et 5ème étages et réalise une série de simulations numériques qui conduisent à plusieurs conclusions. La pire situation règne dans les bureaux orientés sud et ouest. Dès que la température atteint 24°C à l’extérieur, elle dépasse systématiquement la valeur limite de 28°C de la norme SIA (Société des Ingénieurs et des Architectes) à l’intérieur. En raison de la forte chaleur durant l’été 1998, il lui arrive même de flirter avec les 35°C. Bénéficiant pourtant le matin de l’ombre partielle du bâtiment adjacent, les bureaux orientés nord-ouest excèdent eux aussi les 28°C lorsque la température extérieure se situe entre 28°C et 30°C. Enfin les températures des vitrages intérieurs atteignent voire dépassent 45°C plusieurs heures par jour, rendant très inconfortable la place de travail à proximité. Des simulations détaillées montrent que l’apport principal de chaleur se fait par les fenêtres, la protection solaire du store à lamelles entre les 2 vitrages n’empêchant pas l’effet de serre derrière la première vitre. Facteur aggravant, la surface vitrée est importante : 4m2 de vitrage pour un bureau d’une surface de 17m2. En revanche, les gains de chaleur internes sont faibles : en général, une seule personne occupe chaque bureau et elle travaille sans éclairage et avec peu d’appareils électriques en marche, mis à part un ordinateur. La FISM mandate alors le bureau d’architectes Zufferey pour développer un projet de stores extérieurs afin d’occulter 90% du rayonnement solaire. Le CUEPE simule les solutions du bureau Zufferey. Celle qui est retenue consiste à poser des stores à lamelles orientables en extérieur sur un rail de guidage d’aluminium intégrés sur des montants verticaux déjà existants. Avec cette solution très simple, les travaux ont entièrement eu lieu à l’extérieur du bâtiment et chacun peut ouvrir la fenêtre de sa convenance, en particulier le soir pour profiter de la ventilation nocturne. De plus, la fermeture et l’inclinaison des stores sont télécommandés de façon centralisée et individuelle. Au bilan, cette solution épargne de 50 000 à 100 000 kWh d’électricité par an. Son coût à l’investissement est de 2,5 à 3 fois moins cher que celui du système de climatisation prévu initialement, soit 1,06 millions d’euros. Les travaux sont réalisés au cours du printemps 2000. Des mesures relevées durant l’été suivant démontrent que la température des bureaux reste en dessous de 27 °C jusqu’à une température extérieure de 30°C. Lorsque la température extérieure dépasse 34°C, la température monte à 30°C dans certains bureaux. Une baisse de température systématique est comprise entre 3°C et 5°C sur toute la période des mesures. Ces valeurs confirment les simulations du CUEPE. En cas de nécessité, il reste possible d’installer une climatisation. Mais grâce à la forte réduction des apports solaires, elle sera beaucoup plus simple, beaucoup moins cher (environ 350 000 euros) en consommera 5 fois moins d’électricité dans le cas d’une climatisation conventionnelle. Cette exemple illustre parfaitement l’idée de rendre efficace le bâtiment avant de vouloir le climatiser. Et si cela est vraiment nécessaire après les différentes mesures prises pour favoriser le rafraîchissement passif et la protection du bâtiment vis à vis des apports solaires alors on peut envisager la climatisation qui sera largement moins coûteuse aussi bien à l’investissement qu’en fonctionnement. Ceci pour une climatisation dite conventionnelle. Climatiser un bâtiment sans agir sur l’enveloppe équivaut à le chauffer sans l’isoler, bref une ABERATION ! 26 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Toujours pour citer la Suisse, les installations fixes de climatisation dans ce pays sont soumises à autorisation. En effet, la climatisation ne peut être installée que lorsqu’il a été prouvé que les besoins de froid restant n’ont pu être pris en charge ni par des mesures constructives, ni par des mesures d’exploitation. Le projet doit d’autre part présenter certaines garanties quant à ses performances énergétiques. Cette stratégie de maîtrise des besoins de froid est très importante dans le cadre d’un projet de climatisation classique, elle l’est encore plus pour une climatisation solaire, le coût à l’investissement étant beaucoup plus important. De nombreuses techniques passives ou semi-passives de maîtrise des températures existent. Ces techniques concernent : - La conception du bâtiment - La gestion du bâtiment Elles visent à : - Minimiser les apports de chaleur internes et externes - Evacuer les apports de chaleur Pour cela, on va chercher à optimiser : - les apports internes orientation du bâtiment et des ouvertures les protections solaires l’isolation inertie thermique la ventilation Les apports internes Les apports internes dans le tertiaire concernent essentiellement : - les occupants (60 W à 100 W par personne) - 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 L’orientation du bâtiment et des ouvertures 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. 27 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Si on analyse les apports solaires globaux (directs + diffus) transmis à travers un vitrage vertical en fonction de l ’orientation, pour une latitude 45°, pour les différents mois de l’année, on obtient les résultats suivants : - 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’aprèsmidi, 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. Les protections solaires Il existe 3 grandes familles de protections solaires : Les protections fixes, les protections mobiles et les protections végétales. 28 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Les protections fixes Elles sont constituées par des masques architecturaux tels que des casquettes, debords de toit, auvents, brises soleils… Ils permettent, de part la course du soleil plus haute en été qu’en hiver, de limiter ces apports directes en période estivale et ce, sans les occulter en période hivernale. été mi-saison hiver Les protections mobiles Elles sont constituées de stores vénitiens, volets, stores enroulables… Les protections végétales Elles sont constituées par des arbres à feuilles caduques. Elles permettent en plus de l’occultation, le rafraîchissement de l’air par évapo-transpiration. On peut également se protéger des apports solaires, en optimisant les vitrages et ce, avec l’utilisation de verres sélectifs, de verres réfléchissants, de films réfléchissants etc … Lorsque le rayonnement solaire est intercepté par une paroi, une partie de l’énergie incidente est directement réfléchie (RE) vers l’extérieur, une partie est directement transmise vers l’intérieur (TEdirect) et une partie est absorbée (AE) par le matériau. Ce dernier s’échauffant, cette énergie sera réémise d’une part vers l’extérieur et d’autre part vers l’intérieur. Le pourcentage total d’énergie transmis au travers d’une paroi (simple ou composée), à l’intérieur du local est appelé facteur solaire (FS) de la paroi. On définira souvent le facteur solaire d’un ensemble protection solaire + vitrage. Dans l’exemple cidessus, le FS est de 0,86. Lorsque l’on utilise un double vitrage avec une protection solaire fixe, on peut obtenir des FS compris entre 0,05 et 0,2. 29 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 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. Les matériaux lourds de la construction tels que béton, brique, pierre, etc. ont une grande capacité à stocker de la chaleur. Le rayonnement solaire irradiant une paroi de brique ou de béton est, en partie, absorbé par celui-ci, transformé en chaleur et accumulé en son sein. Cette paroi peut aussi prendre de la chaleur à de l'air plus chaud qu'elle. La chaleur sera restituée dès que la température de l'air environnant est plus basse que celle de la surface du matériau (par convection) ou/et dès que la température de surface d’objets avoisinants descend en-dessous de celle de la paroi en question (par rayonnement). Cette capacité des parois à accumuler de la chaleur, puis à la restituer représente comme on l’a dit, l'inertie thermique du bâtiment. L'inertie thermique répartit donc les apports de chaleur dans le temps et permet ainsi d'éviter les surchauffes à l’intérieur du bâtiment en été. 30 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 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). De plus comme on le voit sur le schéma ci-dessus, une forte inertie permet de déphaser l’apport maximum et la restitution de la chaleur emmagasinée. La ventilation Le brassage d’air (sans renouvellement), par ventilateur au plafond ou 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 provençal). Le puit provençal ou canadien : Il consiste à faire passer, avant qu’il ne pénètre dans la maison, une partie de l’air neuf de renouvellement par des tuyaux enterrés dans le sol à une profondeur de 1 à 2 mètres. En été comme en hiver, la température à cette profondeur est constante (environ 14°C) . En hiver, il préchauffera l’air entrant et en été il le rafraîchira. On peut aussi lorsque l’air extérieur est plus frais que l’air intérieur (ce qui est souvent le cas la nuit), 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 et évacuer la chaleur emmagasinée dans les parois qui est restituée durant la nuit (déphasage du à la forte inertie). 31 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 La ventilation peut-être naturelle ou mécanique. - Une bonne position des ouvertures (façades 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 surdimensionnement des équipements de ventilation (qui conduit cependant à une consommation énergétique bien plus réduite qu’une climatisation classique). I.4.3 Renouvelables : Climatisation Solaire En dernier volet de la démarche négaWatt déclinée au rafraîchissement des bâtiments vient donc LA CLIMATISATION SOLAIRE. C’est à dire que lorsque tout a été fait pour réduire les besoins de froid, alors on peut envisager d’assurer le reste par une climatisation solaire. Dans la Climatisation solaire se sont en fait 2 mondes qui se rencontrent et qui ont chacun fait leurs preuves de leur côté. Ces 2 domaines sont explicitement cités dans la dénomination même de « Climatisation Solaire ». En effet , d’un côté on a « le monde du froid » , de la climatisation et de la frigorifie et d’un autre, « le monde du solaire ». Le principal enjeux étant justement de faciliter leur rencontre, leur adéquation, leur interaction en essayant d’adapter les techniques propres de l’un à l’autre et vis versa. L’une des caractéristiques très intéressantes et l’un des avantages principal de la climatisation solaire est l’adéquation d’un point de vue temporel entre le besoin en froid et l’apport solaire. Ceci se vérifie aussi bien annuellement, que quotidiennement lors de la période estivale. Comme on peut le voir sur la courbe suivante, l’adéquation annuelle à Fribourg est presque parfaite. D’un point de vue quotidien, elle est globalement très bonne aussi, moyennant parfois un léger décalage de quelques heures, en fonction de la zone climatique, entre l’ensoleillement maximum et le pic de chaleur, donc de demande de froid. 32 160 10 140 8 120 100 6 80 4 60 2 40 0 20 Ao Se ut pt em br e O ct or N e ov em br e Ju ille t Ju in ai M M Av ril -2 ar s 0 Besoins en froid enkWh/m^2 12 180 Ja nv ie r Fe vr ie r Radiation globale horizontale en kWh/m^2 Ensoleillement global et besoin en froid annuel à Fribourg Ensoleillement Besoins en froid Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Cette idée d’adéquation entre ensoleillement et utilisation de cette énergie solaire est très importante et c’est d’ailleurs l’un des problèmes majeurs des applications classiques et éprouvées de l’énergie solaire qu’elle soit convertie en énergie électrique ou calorifique. En effet, lorsque l’on utilise par exemple, des panneaux solaires thermiques afin d’assurer le chauffage d’une habitation par plancher solaire directe ou emetteur basse température, il est évident que l’adéquation entre l’ensoleillement et le besoin de chauffage au niveau annuel est très mauvais. On peut faire la même remarque au niveau de la production d’eau chaude sanitaire (ECS) et dans ce cas là quant à l’adéquation quotidienne. Il n’est en effet pas évident du tout que l’utilisation maximum d’ECS soit en corrélation avec l’ensoleillement maxi. On retrouve exactement le même type de problématique au niveau de la production d’électricité à l’aide de panneaux photovoltaïques (PV). On va voir par la suite, que des mêmes panneaux solaires thermiques pourront alors être utilisés en hiver pour assurer le chauffage des locaux et en été leur rafraîchissement. On optimisera donc leur utilisation sur l’année par rapport aux cas habituels où ces panneaux ne servent que durant une période, en l’occurrence l’hiver dans le cas du chauffage. D’un point de vue théorique et fondamental , il existe de très nombreuses manières de produire du froid avec l’énergie solaire. Le schéma ci-dessous, non exhaustif réunit tout de même une grande partie de celles ci. On retrouve en gris clair, les technologies aujourd’hui utilisées et disponibles et en gris foncé, les technologies à l’état de développement et de recherche. Le rayonnement solaire peut être exploité directement de 2 manières. Soit en le convertissant en énergie électrique, soit en énergie thermique. On voit d’ailleurs dans l’organigramme précédent que cette remarque correspond au premier niveau de distinction technologique. On peut se demander a priori, pourquoi tenter de « faire du froid avec du chaud » (branche solaire thermique) et devoir utiliser des procédés thermodynamiques et thermomécaniques complexes alors que l’on pourrait 33 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 tout simplement « faire du froid avec de l’électricité » (branche solaire photovoltaïque) comme on sait le faire et comme on le fait depuis que l’on a découvert l’électricité (cycle à compression mécanique). Cependant, dans les pays ayant un réseau électrique étendu, il est beaucoup plus intéressant d’injecter l’électricité produite par des panneaux PV sur le réseau que d’utiliser cette électricité via des batteries exclusivement pour la consommation de sa climatisation conventionnelle (à compression mécanique). De plus, lorsqu’il existe, comme en Allemagne par exemple, une politique incitative à la vente du kWh sur le réseau (prix de vente du kWh produit par le particulier plus élevé que le prix qu’il l’achète à la compagnie électrique) l’intérêt économique est certain. Cependant, on peut tout de même se demander si il vaut mieux utiliser une climatisation solaire s’appuyant sur un procédé thermodynamique nécessitant un apport de chaleur donc des panneaux solaires thermiques ou alors installer une centrale photovoltaïque, vendre l’électricité produite sur le réseau et utiliser une climatisation conventionnelle. Il faudrait pour répondre à cette question réaliser une comparaison économique mais aussi énergétique des 2 solutions. Cependant, même si avec la solution PV, on utilise une énergie d’origine renouvelable, il subsiste toujours le problème de l’utilisation de fluides frigorigènes HCFC. En effet, comme nous le verrons, les climatisations solaires thermiques (par opposition à photovoltaïques) n’utilisent pas de tels fluides. L’intérêt d’utiliser du PV et une climatisation conventionnelle est donc beaucoup moindre. Il n’existe d’ailleurs pas d’application pour des climatisations. Il pourrait tout de même y en avoir en sites isolés (pas de réseau électrique). On peut également avancer comme idée allant dans le sens de la climatisation solaire thermique que l’électricité est une énergie « noble » car difficile à produire et surtout qui est la seule à pouvoir alimenter en énergie certaines applications quotidiennes (éclairage, microinformatique …). Il faut donc la garder et la réserver à ces usages spécifiques et ne pas l’utiliser quand un même procédé est réalisable avec de l’énergie thermique directement. Il faut rappeler que pour produire de l’électricité dans une centrale nucléaire, on produit d’abord de la vapeur d’eau, donc de l’énergie thermique pour ensuite faire tourner de gros alternateurs. On retrouve là la problématique du chauffage électrique et l’une de ses aberrations. L’application actuellement la plus répandu du PV pour produire du froid est la petite réfrigération utilisée par des centres de soins isolés, des ONG tels que le HCR (Haut Commissariat aux Réfugiés), la croix rouge internationale etc … Nous allons donc traiter de la climatisation solaire nécessitant un apport calorifique à son fonctionnement et utilisant donc des capteurs solaires thermiques. C’est elle qui présente l’intérêt environnemental le plus important et dont le développement est le plus notable aujourd’hui. Le schéma ci dessous représente les types de systèmes que nous allons voir maintenant. Ce sont donc des systèmes qui, comme nous l’avons dit, utilisent comme principale source d’énergie, de la chaleur et qui produisent, en fonction de la technologie utilisée de l’eau glacée ou directement de l’air conditionné. Les technologies et les systèmes que nous allons voir n’ont aucune application de faible puissance frigorifique applicable à l’habitat individuel par exemple et aux particuliers. Les applications recensées aujourd’hui sont essentiellement la climatisation de bâtiments tertiaires ou du moins des bâtiments demandant une grande puissance frigorifique. 34 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Nous verrons donc en tout 3 technologies aujourd’hui disponibles sur le marché et dont il existe des exemples en fonctionnement. Deux de ces dernières permettent de produire de l’eau glacée : - Les groupes frigorifiques à Absorption - Les groupes frigorifiques à Adsorption La 3ème technologie permet de produire directement de l’air conditionné : - Le refroidissement évaporatif potentialisé par dessiccation ou Desiccant Evaporative Coolling (DEC) II COMPOSANTS DES SYSTEMES DE CLIMATISATION SOLAIRE Nous allons voir dans cette partie les différents éléments pouvant intervenir dans un système de climatisation solaire. Dans une première partie, nous aurons un bref aperçu des équipements terminaux, de distribution de la puissance frigorifique. Nous traiterons ensuite la partie solaire de l’installation, productrice d’énergie calorifique nécessaire à la production frigorifique que nous aborderons en troisième partie. II.1 Sous systèmes de distribution - Equipements de conditionnement d’air Nous allons dans cette partie, brièvement présenter les principaux terminaux utilisés dans des installations utilisant des groupes de production d’eau glacée. Les DEC (Desiccant Evaporative Cooling), comme nous le verrons, produisent directement de l’air conditionné, tout comme une centrale de traitement d’air conventionnelle. L’air traité sera donc fourni au local via un réseau de gaines et de bouches classiques. Les différents terminaux que l’on va voir maintenant permettent de distribuer la puissance frigorifique produite par les groupes de production d’eau glacée mais 35 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 n’assurent pas le renouvellement d’air. Ce dernier devra être réalisé par d’autres moyens comme une VMC ou par les infiltrations naturelles du bâtiment. Ils sont alimentés par de l’eau glacée (en été pour le refroidissement des locaux) qui est produite par un groupe frigorifique. Ce dernier est traditionnellement à compression mécanique mais nous allons voir par la suite que cette production d’eau glacée peut être assurée par des groupes à absorption ou à adsorption utilisant l’énergie solaire comme source de chaleur nécessaire à leur fonctionnement. II.1.1 Les ventilo-convecteurs Un radiateur traditionnel est alimenté par une eau à 50-70°C dans une ambiance à 21°. L'échange de chaleur s'effectue facilement grâce à un tel écart de température. Mais pour fournir du froid, on fait circuler de l'eau (dite "glacée") à 5-10°C dans une ambiance à 24° : l'écart de température devient trop faible pour fournir une bonne puissance frigorifique. On passe dès lors à un échange forcé : un ventilateur est ajouté et le radiateur est remplacé par une batterie d'échange. En pulsant de l'air sur l'échangeur, la puissance frigorifique est fortement augmentée mais le bruit envahit les locaux. Un ventilo-convecteur permet d’assurer le chauffage en hiver et le rafraîchissement en été grâce à sa batterie chaude et à sa batterie froide . Du fait de la ventilation forcée de l’air au travers de la batterie froide en été, l’échange par convection y est augmenté et permet d’obtenir un rafraîchissement tout à fait convenable au vu du faible écart de température entre l’eau circulant dans cette batterie froide (7-8°C) et l’ambiance à maintenir (24°C). Il existe quatre grandes familles : Les ventilos "à 2 tubes réversibles" : ils ne disposent que d'un seul échangeur, alimenté alternativement en eau chaude en hiver, et en eau glacée en été. Mais un risque de perte d'énergie apparaît par mélange entre eau froide et eau chaude si la zone neutre est trop faible (voir régulation des ventilos). Les ventilos "à 4 tubes" : ils disposent de deux échangeurs, pouvant être connectés en permanence soit au réseau d'eau chaude, soit à celui d'eau glacée.La taille (le nombre de rangs) de l'échangeur de froid est plus élevé que celui de la batterie chaude, suite au delta T° plus faible sous lequel travaille la batterie froide. On dit que "le pincement" est plus faible entre T°eau et T°air dans l'échangeur. Les ventilos "à 2 tubes - 2 fils" : pour diminuer les coûts d'installation, on ne prévoit que le réseau d'alimentation en eau glacée. Pour assurer le chauffage d'hiver, une 36 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 résistance électrique d'appoint est prévue (le ventilateur pulse l'air du local au travers de la résistance, comme dans le cas d'un convecteur électrique direct).Mais le prix du kWh électrique étant nettement plus élevé que le kWh thermique, les coûts d'exploitation seront importants... Les ventilos "2 tubes réversibles + 2 fils" : Ce dernier système peut être utilisé en fonctionnement deux tubes (c’est à dire eau glacée en été, eau chaude en hiver), la résistance électrique sert alors uniquement en résistance d'appoint en mi-saison. Les ventilo-convecteurs assurent la distribution de puissance frigorifique mais pas, le renouvellement d’air neuf hygiénique. Ce dernier peut être assuré par les infiltrations naturelles ou par une VMC. II.1.2 Les éjecto-convecteurs L'éjecto-convecteur est très semblable au ventilo-convecteur. Comme lui, il suppose deux réseaux distincts : - un réseau d'eau pour apporter chaleur et froid au local, - un réseau d'air pour assurer la pulsion minimale d'air neuf hygiénique. Ces deux apports se combinent astucieusement dans l'éjecto : l'air neuf pulsé à haute vitesse va induire le passage d'air secondaire dans les batteries d'eau chaude et d'eau glacée. Et c'est là qu'une différence apparaît : le ventilo prévoit que l'air du local qui traverse les batteries soit pulsé par un ventilateur, alors que dans l'éjecto, c'est l'effet d'induction qui sera le moteur. L'air neuf pulsé entraîne de 2 à 5,5 fois son débit d'air ambiant au travers des batteries de chaud et de froid... Si ce système a eu son heure de gloire dans les années 70 pour la climatisation des grands bureaux, il s'installe rarement aujourd'hui en allège. Par contre, il revient à la mode actuellement sous la forme de poutres froides insérée dans le faux plafond. II.1.3 Les plafonds rayonnants froids L’eau circulant dans ces plafonds est d’environ 16°C, pour ne pas atteindre le point de rosée et ainsi générer de la condensation sur les panneaux. La puissance frigorifique nécessaire à la production de l’eau froide les alimentant est beaucoup plus faible que pour produire une eau à 7°C alimentant une batterie froide de centrale de traitement d’air conventionnelle. Ils sont adaptés aux régions à faible besoin de froid tel que la Belgique ou le Danemark où ils sont très développés. Les occupants recevront une composante de rayonnement froid (en réalité, ils émettront de la chaleur vers ce plafond), et l'air du local sera lui aussi refroidi. 37 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Ces systèmes ont beaucoup de qualités (absence de bruit et de courants d'air, encombrement nul, faible consommation énergétique,... ) mais aussi un gros défaut : une puissance frigorifique limitée (60 à 120 W/m²). II.1.4 Les poutres froides Les poutres froides font partie des équipements de refroidissement des locaux. Il s'agit de tuyauteries parcourues par de l'eau glacée, serties d'ailettes pour favoriser l'échange convectif. Elles sont placées au plafond ou intégrées dans le faux plafond. On distingue les poutres "actives" ou "dynamiques" (effet d'induction créé par l'air neuf) des poutres "passives" (convection naturelle uniquement). Cet échangeur travaille sous un faible écart de température, suite à la condition de non condensation. Sa puissance frigorifique varie selon la largeur de la poutre, la présence d'induction, l'écart de température,... Cette technique s'adapte à la construction nouvelle, mais aussi en rénovation grâce au fait de ne pas devoir percer des parois pour le passage de gainages d'air volumineux. La poutre froide convective se présente sous la forme d'un échangeur de grande longueur. Il est placé nu ou habillé pour être intégré à un faux plafond. Les poutres sont parcourues par de l'eau qui varie entre 15 et 19°C selon les besoins de refroidissement. On ne peut descendre plus bas suite au risque de condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'ambiance. 38 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Exemple de poutre active : L'air neuf hygiénique est injecté par des petites tuyères, créant un appel d'air secondaire venant du local. La convection dans l'échangeur est ainsi renforcée. Exemple de poutre passive : Il s'agit d'un échangeur travaillant par simple convection naturelle : l'air chaud du local monte, arrive au dessus de la poutre, traverse l'échangeur, se refroidit et redescend, puisque plus lourd... II.1.5 Les planchers rafraîchissants Le principe consiste à faire circuler dans la dalle, un serpentin dans lequel transite l'eau froide. C'est un système peu coûteux à l'investissement (car directement inclus lors de la construction de la dalle). La puissance frigorifique est faible (60 W/m²). Avantages : il est possible de réaliser un stockage nocturne de frigories dans la dalle ! Cette technique présente dès lors les avantages du système de stockage frigorifique dans des bâches d'eau glacée (production de frigories au prix du kWh de nuit, diminution de la puissance frigorifique installée, ...) Inconvénients : l'inertie du système rend la régulation très difficile... Y aura-t-il du soleil demain ? Faut il enclencher le refroidissement cette nuit ? De plus, la décharge du froid est indépendante des besoins réels. La température ambiante du local varie dans la journée en fonction des charges du local. II.1.6 Les batteries froides à eau glacée On peut également imaginer que l’eau glacée produite par le groupe frigorifique puisse alimenter la batterie froide d’une centrale de traitement d’air conventionnelle. L’air ainsi traité sera directement soufflé dans le local. 39 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Réfrigération par circuit d'eau glacée II.2 Systèmes de production de chaleur/Partie solaire de l’installation II.2.1 Les capteurs solaires Il existe toute une gamme de capteurs solaires qui permettent de répondre aux différents besoins. Il faut choisir le type de capteurs qui correspond le mieux au niveau de température auquel on désire « travailler ». Bien entendu, plus le niveau de température est élevé, plus les technologies mises en oeuvre sont évoluées et plus les coûts de production sont élevés. II.2.1.1 Les capteurs solaires thermiques plans Ce type de capteur se présente sous forme de caissons de différentes dimensions ou sous forme d’éléments séparés à intégrer directement dans l’architecture des bâtiments. Les surfaces mises en oeuvre vont de quelques mètres carrés pour les chauffe-eau solaires individuels à plusieurs centaines de mètres carrés pour les installations collectives. Le marché du capteur plan vitré en France est de l’ordre de 30000 m²/an (métropole + dom tom), ce qui est relativement peu par rapport à nos voisins allemands (400 000 m²/an). 40 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 L’absorbeur Pour améliorer le rendement des capteurs, les absorbeurs sont recouverts d’un revêtement sélectif. Ces revêtements sont de couleur noire afin d’absorber le rayonnement solaire au maximum (coefficient d’absorption proche de 1) et leur état de surface est tel qu’ils piègent les rayonnements infra-rouges qui sont émis lors de l’échauffement. Le coefficient d’émissivité est alors beaucoup plus faible que pour une peinture noire classique, et le rendement du capteur est nettement meilleur. Le vitrage Le vitrage a pour fonction de laisser passer le maximum du rayonnement solaire et d’éviter les déperditions de chaleur vers l’extérieur lors de la montée en température de l’absorbeur. Le verre reste le matériau de prédilection. Il peut cependant subir des transformations afin d’améliorer ses qualités. Le verre trempé a une très bonne résistance aux chocs (chute de grêle). L’ajout de couches d’oxydes métalliques permet d’obtenir des verres sélectifs qui retiennent d’autant mieux les infra-rouges (effet de serre). Il est possible d’obtenir des verres à haute transmission énergétique (t = 0,92) en éliminant la plupart des oxydes de fer lui donnant sa couleur verte. On utilise aussi des 41 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 verres polis ou prismés qui réfléchissent moins les rayonnements dont les angles d’incidences sont supérieurs à 45°. Principe de fonctionnement Une partie du rayonnement qui arrive sur le vitrage traverse celui-ci pour atteindre l’absorbeur. Ce dernier s’échauffe et transmet la chaleur au fluide caloporteur qui circule dans les tubes. Comme tout corps qui s’échauffe, l’absorbeur émet un rayonnement (en grande partie dans les infra-rouges) qui est d’une part absorbé par le vitrage, d’autre part réfléchi par le film placé sur l’isolant. L’isolant a pour fonction de limiter les déperditions thermiques avec l’extérieur. En effet, le maximum d’énergie doit être transmis au fluide, il faut donc limiter les pertes avec l’environnement proche. Performances La puissance utile Eu que l’on peut récupérer d’un capteur solaire dépend de nombreux paramètres, à savoir : · les paramètres extérieurs ES : l’irradiation solaire incidente sur le plan du capteur (W/m²) Tm : la température moyenne du capteur (approximée à la moyenne entre les températures d’entrée et de sortie du fluide) (en °C). Te : la température extérieure (en °C) · les paramètres définissant le capteur : β : le facteur optique du capteur, qui est le rapport entre l’ensoleillement absorbé par l’absorbeur et l’ensoleillement incident sur le vitrage. K : le coefficient de déperditions thermiques (W/°C) La puissance utile est donc égale à la partie de l’irradiation incidente traversant le vitrage et tombant sur l’absorbeur moins les déperditions thermiques (proportionnelles à l’écart de températures entre le capteur et l’ambiance). Eu = βES - K (Tm - Te) 42 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Le rendement du capteur η à un instant donné, c’est à dire le rapport entre la puissance utile Eu et l’irradiation incidente Es : η = β - K(Tm – Te)/ES On peut donc, s’il on connaît les valeurs b et K du capteur, tracer la courbe de rendement caractéristique d’un capteur en fonction de l’ensoleillement et de la température de fonctionnement. Ces valeurs sont déterminées à la suite de tests effectués sur des échantillons de capteurs. Courbe de rendement Pour un ensoleillement donné, plus le capteur fonctionne à une température faible, meilleur est son rendement. Le rendement global d’une installation sera donc d’autant meilleur que la température « demandée » au capteur sera faible. Si l’ensoleillement diminue, le rendement diminue. Si l’écart de température augmente, le rendement diminue. II.2.1.2 Les capteurs solaires thermiques à air Le principe de fonctionnement est le même mis à part qu’il n’y a pas de pompe de circulation mais des ventilateurs permettant de faire circuler l’air. Ces capteurs représentent 1 à 2% de la vente totale de capteurs thermiques en Europe. Ces capteurs ne peuvent pas être utiliser pour produire de l’eau chaude sanitaire. Ils sont principalement utilisés pour les chauffage des locaux. Ces capteurs peuvent être utilisés également, comme nous allons le voir dans les installations de Desiccant cooling. 43 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Les principaux avantages de ces capteurs sont : - l’absence de risque de gel en hiver - L’absence de surchauffe en été - Leur simplicité. Les principaux inconvénients sont : - la consommation électrique des ventilateurs qui est plus importante que celle des pompes pour des capteurs liquides - L’efficacité d’u tel capteur est moins bonne que celle d’un capteur à eau - Il n’existe pas de stockage adapté II.2.1.3 Les capteurs solaires thermiques sousvide Un capteur solaire "sous vide" est composé d'une série de tubes transparents en verre de 5 à 15 cm. de diamètre. Dans chaque tube il y a un absorbeur pour capter le rayonnement solaire et un échangeur pour permettre le transfert de l'énergie thermique. Les tubes sont mis sous vide pour éviter les déperditions thermiques convectives de l'absorbeur et l'absorbeur reçoit un traitement sélectif pour empêcher le rayonnement. Ainsi, on peut réaliser des capteurs solaires performants sans isolation thermique rapportée ou caisson de protection. Pour être efficace le vide doit être poussé < 10-3 Pa. Un tube devient inutile s'il n'est pas totalement hermétique et il faut le changer pour préserver la performance de l'ensemble du capteur. Afin de visualiser cette éventualité, les tubes sont munis d'un témoin (getter) en baryum, qui dépose une couche métallisée sur l'intérieur du tube pendant la fabrication. Cette couche argentée de baryum devient blanc en contact avec l'air et ainsi sert de témoin à la perte de vide. Le bout du tube est argenté si le vide est effectif, si non il devient blanc La conception de l'absorbeur et les tuyaux de circulation du fluide caloporteur sont comme un capteur plan. L'ensemble est suffisamment étroit pour être glissé à l'intérieur d'un tube en verre. L'air à l'intérieur est évacué pour faire le vide et le tube est fermé hermétiquement. Le principe est simple, mais la fabrication est difficile à cause des liaisons verre/métal nécessaires pour la circulation du fluide caloporteur. 44 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Le capteur "Cortec" fabriqué en France par Giordano et le capteur "Vitosol 200" distribué par Viessmann sont des exemples. A surface d'absorbeur égale, le rendement est généralement meilleur que celui d'un capteur plan, surtout à des températures élevées (>60°C). Le capteur à tube sous vide à circulation directe Comme son nom l’indique, c’est le même fluide qui passe dans le tube sous vide et qu va jusque dans l’échangeur du ballon de stockage. Le capteur à tube sous vide à "Caloduc" La différence avec le capteur à circulation directe est que l'échange de chaleur a lieu suivant un mécanisme naturel d'évaporation et de condensation d'un fluide. Cet instrument d'échange thermique est appelé un caloduc. Le caloduc est en contact avec l'absorbeur, il permet de transmettre la chaleur captée hors du tube pour chauffer un fluide dans le collecteur.. Il y a toujours une liaison verre/métal hermétique entre le tube sous vide et le passage du caloduc, mais la liaison entre le tube et le collecteur est à sec. Ainsi, les tubes peuvent être fixés au collecteur après son installation et dans le pire des cas, un tube cassé peut être remplacé sans déposer le restant du capteur. Par contre, les tubes doivent être inclinés afin de permettre la thermocirculation du fluide dans le caloduc. Schéma de fonctionnement du capteur sous vide à caloduc et sa liaison avec le collecteur d'après la documentation Thermomax 1. Collecteur isolé à l'intérieur de l'enveloppe de protection 2. Condenseur du caloduc 3. Circulation de l'eau dans le collecteur 4. Tube acier étanche 5. Absorbeur 6. Liquide descendant 7. Vapeur montante 8. Tube de verre sous-vide 45 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 II.2.2 Systèmes de production de chaleur d’appoint Dans le cadre de la climatisation solaire, le système de production de chaleur d’appoint a pour but d’assurer l’apport calorifique manquant pour la production de froid lorsque ceci est nécessaire. C’est à dire quand les apports solaires ne sont pas suffisants, par temps couvert mais chaud par exemple. Ces appoints peuvent servir également en hiver pour le chauffage des locaux lorsque les apports solaires ne sont pas suffisants pour assurer cette fonction. Ils existe de nombreuses sources de chaleur pouvant assurer l’appoint de chaleur. On peut recenser : - - Chaudière au fioul, au gaz, au bois Réseau de chaleur urbain Centrale de cogénération Résistance électrique II.2.3 Le ballon de stockage d’eau chaude Un ballon de stockage d’eau chaude a 2 apports calorifiques : - L’apport solaire provenant des capteurs L’apport provenant de l’appoint quand celui-ci est intégré Il existe 2 possibilités pour connecter l’apport solaire au ballon : - Il peut y avoir un échangeur interne au ballon, a ce moment là, l’eau chaude solaire transfert sa chaleur via cet échangeur directement à l’eau du ballon pour les petites surfaces de capteurs (<15 m2). - Il peut y avoir un échangeur externe au ballon, le transfert de chaleur se fait alors à l’extérieur du ballon via cet échangeur. Lorsque l’échangeur solaire est interne au ballon (comme sur le schéma) celui ci est placé en parti basse et l’échangeur de l’appoint est placé en partie haute pour ainsi apporté le complément de chaleur quand celui ci est nécessaire. 46 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 II.3 Systèmes de production de froid/Partie frigorifique de l’installation Tout d’abord dire que l’on produit du froid est un abus de langage, il serait en fait plus rigoureux de dire que l’on soutire de la chaleur à une ambiance, un fluide, un solide ... En effet la « production de froid » repose sur l’idée d’enlever de la chaleur à une source froide et de la restituer à une source chaude tout en apportant un travail. Ce transfert de chaleur se fait par l’intermédiaire d’un fluide dit frigorigène ou encore réfrigérant. Tout le principe de la production frigorifique est basé sur la propriété des fluides frigorigènes de s'évaporer et de se condenser à des températures différentes en fonction de leur pression II.3.1 Groupes de production frigorifique conventionnels Principe Cette catégorie est la plus répandue, c’est d’ailleurs sur ce principe et avec le même cycle thermodynamique que fonctionnent la grande majorité des réfrigérateurs, des congélateurs mais aussi des climatiseurs individuels, des groupes frigorifiques de production d’eau glacée approvisionnant des batteries froide de centrales de traitement d’air, des pompes à chaleurs réversibles … Il est intéressant d’en rappeler le principe de fonctionnement, car ce sont ces mêmes principes de base qui seront utilisés pour la production de froid par sorption que nous verrons plus en avant et qui seront utilisés entre autres pour la climatisation solaire. La machine frigorifique se compose au minimum des 4 éléments suivants : -Détendeur : Il permet de diminuer la pression et la température du fluide frigorigène. -Evaporateur :Le fluide frigorigène refroidi et à basse pression s’y évapore en soutirant de l’énergie au milieu à refroidir (Source froide). -Compresseur :Il permet d’augmenter la frigorigène qui est à l’état gazeux. pression et la température du fluide 47 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 -Condenseur :Le fluide frigorigène surchauffé et à haute pression (gaz) s’y condense en cédant de l’énergie à la source chaude. Pour expliquer le fonctionnement d’une machine frigorifique dite « à compression de vapeur » (les plus courantes en réfrigération et en climatisation) nous prendrons les caractéristiques du R-22, qui est un fluide frigorigène très utilisé même si ce fluide est un HCFC et que son utilisation sera interdite en 2015. A la pression atmosphérique (≈ 1 bar) Le R22 est liquide à - 45°C et se met à "bouillir" aux alentours de -40°C. Si du fluide R 22 à -45°C circule dans un serpentin et que l'air à 20° C passe autour de ce tuyau, l'air se refroidira : il cédera sa chaleur au fluide qui lui s'évaporera. En s’évaporant, il prendra énormément de chaleur. C'est le rôle de l'évaporateur de la machine frigorifique et c’est là qu’il y aura la production de froid. A la pression de 13 bars Cette fois, le R 22 ne va "bouillir" qu'à 33°C. Autrement dit, si de la vapeur de fluide à 13 bars et à 65°C circule dans un serpentin et que de l'air à 20° C passe autour de ce tuyau, le fluide se refroidira et à partir de 33°C, il se liquéfiera, il se condensera. En se condensant, il va libérer énormément de chaleur. C'est le rôle du condenseur de la machine frigorifique. Le condenseur d’un réfrigérateur se situe à l’arrière et évacue la chaleur prise dans l’enceinte du réfrigérateur où se situe l’évaporateur. Description du cycle L’EVAPORATEUR Le fluide frigorigène liquide entre en ébullition et s'évapore en absorbant la chaleur du fluide extérieur. Dans un deuxième temps, le gaz formé est encore légèrement réchauffé par le fluide extérieur, c'est ce qu'on appelle la phase de surchauffe (entre 7 et 1). 48 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 LE COMPRESSEUR Le compresseur va tout d'abord aspirer le gaz frigorigène à basse pression et à basse température (1).L'énergie mécanique apportée par le compresseur va permettre d'élever la pression et la température du gaz frigorigène. Une augmentation d'enthalpie en résultera. LE CONDENSEUR Le gaz chaud provenant du compresseur va céder sa chaleur au fluide extérieur. Les vapeurs de fluide frigorigène se refroidissent ("désurchauffe"), avant l'apparition de la première goutte de liquide (point 3). Puis la condensation s'effectue jusqu'à la disparition de la dernière bulle de vapeur (point 4). Le fluide liquide peut alors se refroidir de quelques degrés (sous-refroidissement) avant de quitter le condenseur. LE DETENDEUR 49 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 La différence de pression entre le condenseur et l'évaporateur nécessite d'insérer un dispositif "abaisseur de pression" dans le circuit. C'est le rôle du détendeur. Le fluide frigorigène se vaporise partiellement dans le détendeur pour abaisser sa température. CYCLE FRIGORIFIQUE COMPLET Liquide Vapeur Liquide + Vapeur Le diagramme enthalpique du R 22 (ci-contre) permet de définir son état en fonction de sa pression, sa température, son enthalpie (énergie) ... Il est utilisé pour la conception de machines frigo et PAC 50 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 L’efficacité énergétique ou COPfroid COPfroid = Puissance frigo/Puissance = Qévaporateur/Wcompresseur absorbée Les COPfroid pour des machines frigorifiques à compression mécanique dépendent de nombreux paramètres dont le type de compresseur employé et la technologie qu’il utilise. Le COPfroid d’une machine frigorifique est également grandement influencé outre par la technologie des composants qu’elle utilise, par la température de la source froide (c’est à dire la température de l’air ou de l’eau refroidie à l’évaporateur) et la température de la source chaude (c’est à dire la température de l’air ou de l’eau refroidissant le condenseur). Plus l’écart entre ces températures sera grand, plus le COPfroid chutera. En effet, plus on cherchera à avoir un température basse à l’intérieur de locaux alors qu’ à l’extérieur la température sera élevée, plus l’écart de pression entre l’évaporateur et le condenseur sera grand et plus le COP diminuera. Voici quelques fourchettes de COPfroid en fonction du type de compresseur. On parle de fourchette car comme on vient de le dire le COP varie énormément en fonction des conditions dans les quelles la machine frigorifique fonctionne. On parle parfois de COP moyen sur une année pour ainsi intégrer cette variation du COP en fonction des conditions d’utilisation donc en fonction de la saison et de la période de l’année à laquelle on l’utilise. Compresseur à piston : COPfroid : 2,0 – 4,7 Puissance frigorifique : 10 – 500 kW Compresseur à vis : COPfroid : 2,0 – 7,0 Puissance frigorifique : 300 – 2000 kW Compresseur centrifuge : COPfroid : 4,0 – 8,0 Puissance frigorifique : 300 – 30000 kW Utilisation des machines frigorifiques à climatisation conventionnelle compression mécanique dans la Pour ce qui nous concerne, c’est à dire la climatisation et plus particulièrement la climatisation de grands volumes par exemple dans le tertiaire, cette technique est la plus répandue et est utilisée dans les centrales de traitement d’air suivant 2 configurations principales : - Soit le fluide frigorigène refroidit l'air en passant directement dans la batterie de refroidissement : on parle de "système à détente directe" parce que l'évaporateur de la machine frigorifique prend la place de la batterie de froid dans le caisson de climatisation. 51 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Réfrigération "à détente directe" - Soit l'installation frigorifique prépare de l'eau froide à ...6°C... (généralement appelée "eau glacée"), eau qui alimentera la batterie de refroidissement du caisson de traitement d'air. Réfrigération par circuit d'eau glacée Dans le cas où la machine frigorifique produit de l’eau glacée celle ci peut être utilisée dans d’autres systèmes que des centrales de traitement d’air. On pense en l’occurrence aux ventilo-convecteurs, plafonds rayonnants froids … II.3.3 Groupes de production frigorifiques à Sorption Le principe consiste à pulvériser de l'eau en fines gouttelettes dans un récipient sous vide. Du fait de la basse pression, l'eau s'évapore. Pour cela elle a besoin d'une certaine quantité de chaleur qui est extraite de l'eau à rafraîchir, circulant dans un circuit à travers le récipient. Mais ce système ne peut fonctionner très longtemps : rapidement, le récipient à basse pression (en fait « basse » par rapport à la pression du condenseur et en fonction du 52 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 fluide utilisé) sera saturé de vapeur de fluide frigorigène, et le fluide frigorigène dispersé ne s'évaporera plus. Il faut donc un moyen pour maintenir ou recréer le vide dans le récipient. C'est là qu'intervient le sorbant. C'est soit un liquide, on parle alors d'absorbant, ou un solide poreux, on parle alors d'adsorbant. Il "boit" la vapeur d'eau contenue dans l'ambiance, et la retient. Au fur et à mesure qu'il ab/adsorbe de la vapeur, sa capacité d'ab/adsorption diminue jusqu'à être nulle, à saturation. Le sorbant est alors chauffé à une certaine température et "rend" la vapeur d'eau, c’est la désorption (réaction endothermique). Il récupère alors toute ses propriété d'ab/adsorption. De ce principe de sorption découle 2 type de groupe de production de froid, en l’occurrence d’eau glacée : - les groupes de production de froid à absorption - les groupes de production de froid à adsorption II.3.3.1 Groupes de production de froid à absorption Le principe de base du fonctionnement d’une machine frigorifique à absorption reste le même que celui d’une machine à « compression mécanique » : - Circulation d’un fluide frigorigène Evaporation du fluide avec production de froid Compression du fluide demandant un apport d’énergie Condensation du fluide avec production de chaleur La différence réside dans : le moyen de comprimer le fluide : - Mécanique dans le cas d’une machine traditionnelle -Thermochimique dans le cas d’une machine à absorption l’énergie utilisée pour cette compression : - Electrique dans le cas d'une machine traditionnelle - Calorifique dans le cas de la machine à absorption 53 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Description du cycle à Absorption pour le couple Eau/Bromure de Lithium (LiBr) Dans l'évaporateur, le réfrigérant (ici de l'eau) est pulvérisé dans une ambiance à très faible pression (vide poussé ≈ 7 mb). L'évaporateur est parcouru par un circuit à eau. En s'évaporant, le réfrigérant soustrait sa chaleur à cette eau qui est ainsi refroidie et peut ensuite alimenter des ventilo-convecteurs, une batterie froide de centrale de traitement d’air ou un plafond rayonnant ... La vapeur d'eau crée dans l'évaporateur est amenée à l'absorbeur. Il contient la solution absorbante (LiBr) qui est continuellement pompée dans le fond du récipient pour y être pulvérisée. Le LiBr absorbe la vapeur d'eau hors de l'évaporateur et y maintient ainsi la basse pression nécessaire à la vaporisation du réfrigérant. La solution est donc régénérée dans le concentrateur ou désorbeur. Elle est réchauffée, par une batterie à eau chaude ou un brûleur à gaz (environ 85°C) et une partie de l'eau s'évapore. La solution régénérée retourne à l'absorbeur. Enfin, la vapeur d'eau extraite du concentrateur est amenée dans le condenseur, où elle est refroidie par une circulation d'eau froide. L'eau condensée retourne à l'évaporateur et le cycle frigorifique peut recommencer. Le fluide chaud sortant du désorbeur qui retourne à l'absorbeur préchauffe le fluide qui va vers le concentrateur grâce à l’échangeur de chaleur, économisant ainsi une partie de l'énergie nécessaire pour chauffer le fluide à régénérer. 54 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Le phénomène d'absorption génère de la chaleur. La circulation d'eau froide dans le fluide absorbant évite sa montée en température, ce qui diminuerait son efficacité. L'eau de refroidissement de l'absorbeur peut ensuite passer dans la batterie de refroidissement du condenseur pour ensuite retourner vers la tour de refroidissement. Principaux couples fluide frigorigène/absorbant utilisés - Eau+Bromure de Lithium (H20/LiBr) Température de l’eau refroidie à l’évaporateur > 5°C. Ce sera donc le couple utilisé dans les groupe frigorifiques à absorption destinés à la climatisation et au rafraîchissement des locaux. En effet les températures de l’eau nécessaire pour alimenter une batterie froide de CTA sont comprises entre 5°C et 10/12°C. Pour un plafond rayonnant par exemple, elles sont encore supérieurs. - Ammoniac+Eau (NH3/H20) Température de l’eau refroidie à l’évaporateur < 5°C et négative. Principe de l’utilisation de l’énergie solaire dans une machine frigorifique à Absorption Comme nous venons de le voir, les machines frigorifiques à absorption nécessitent une source de chaleur permettant de régénérer l’absorbant dans le concentrateur (ou désorbeur). Cette chaleur est fournie produite par une chaudière au fioul, au gaz, un réseau de chaleur ou une centrale de cogénération... Cependant, l’eau chaude solaire provenant de capteurs sous-vide peut tout à fait fournir cette énergie calorifique au désorbeur. La température de l’eau fournissant la chaleur au désorbeur est généralement comprise entre 70°C et 100°C, c’est pourquoi l’utilisation de capteurs sous vide est indispensable pour cette technologie de production de froid. Schéma de principe d’une installation de refroidissement solaire à absorption 55 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Les puissances frigorifiques des machines à absorption disponibles et adaptées à une utilisation avec des capteurs solaires se situent entre 10 kWf et 500 kWf. C’est à dire qu’elles sont destinées à des installations de grandes ampleurs et n’ont actuellement aucune application individuelle. Cependant, certaines études et simulations de planchers rafraîchissants de faible envergure (Surface =330 m2, puissance du groupe à absorption= 10kWf) ont été réalisées au niveau Européen et ont obtenu des résultats tout à fait intéressants. ATOUTS DE L’ABSORPTION (par rapport aux machines à compression mécanique) - Consommation d’électricité divisée par 20 par rapport aux machines à compression mécanique - Le fluide frigorigène est inoffensif (mis à part pour le couple Ammoniac+Eau cependant peu utilisé en climatisation) - Nuisance sonore du compresseur supprimée - Absence de pièce mécanique en rotation donc d’usure prématurée INCONVENIENTS DE L’ABSORPTION (par rapport aux machines à compression mécanique) - Le principal inconvénient de ces groupes à absorption est leur coût à l’investissement beaucoup plus élevé que pour un groupe à compression mécanique traditionnel équivalent. L’efficacité énergétique ou COPfroid COPfroid = Puissance frigo/Puissance apportée = Qévaporateur/ (Qdésorbeur + Wcirculateurs) COPfroid d’une machine à absorption généralement rencontrés 0,5 < COPfroid < 0,7 On note tout de suite que la valeur du COPfroid d’une machine à absorption est très inférieure à celui d’une machine à compression mécanique traditionnelle. Cependant, la valeur du COPfroid est essentiellement fonction de l’énergie apportée au désorbeur, l’énergie nécessaire au fonctionnement des circulateurs étant très faible (≈5 % de la puissance frigorifique du groupe) par rapport à Qdésorbeur . Ces valeurs de COPfroid données ci-dessus sont à prendre entre guillemets car ils correspondent à des machines à absorption fonctionnant avec des énergies non renouvelables et non gratuites. Or dans le cas d’une machine frigorifique solaire à absorption cette énergie apportée au désorbeur est en majeure partie gratuite car venant de l’eau chaude solaire. Le cycle ainsi que ses performances présentées ci dessus se réfèrent aux des machines à absorption simple effet, il existe cependant des machines à absorption double effet dont le COPfroid est amélioré et peut atteindre 1,3 mais ces dernières nécessitent des températures d’eau au désorbeur entre 140°C et 160°C. Il y a des recherches en cours sur des machines à 3 voir 4 effets présentant des COP atteignant un valeur comprise entre 1,7 et 2,2. Ils nécessitent des températures encore plus élevées et n’ont pour l’instant aucune application solaire. Ce sont d’ailleurs, les machines simple effet qui sont très majoritairement employées pour les applications solaires, les autres nécessitant des températures au désorbeur trop élevées. 56 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 On voit ci-contre la puissance frigorifique délivrée en fonction de la température en sortie d’évaporateur de l’eau refroidie et ce, pour différentes températures d’eau chaude fournissant l’énergie calorifique nécessaire au désorbeur. Ce graphique montre que plus la température de l’eau au désorbeur est élevée pour une même température d’eau froide en sortie d’évaporateur, plus la puissance frigorifique sera grande. Cette puissance frigorifique pouvant être multipliée par 8 pour une différence de température de 20 °C au désorbeur. De même on observe que plus la température souhaitée de l’eau refroidie est basse, plus la puissance frigorifique nominale de l’installation chute. Ce graphique est donné pour une température donnée (ici 32°C) de l’eau de refroidissement du condenseur. Plus la température de l’eau refroidissant le condenseur est élevée, plus la puissance frigorifique du groupe à absorption s’en trouve diminué. On voit ci-contre l’évolution du COPfroid en fonction de la température en sortie d’évaporateur de l’eau refroidie et ce, pour différentes températures d’eau chaude fournissant l’énergie calorifique nécessaire au désorbeur. On voit que le COP se détériore au fur et à mesure que l’on demande une eau plus froide en sortie d’évaporateur. On remarque aussi que ce n’est pas forcément avec l’eau la plus chaude que l’on obtient le COP le plus élevé malgré que ce soit le cas en ce qui concerne la puissance frigorifique comme on l’a vu précédemment. 57 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Ce graphique est donné pour une température donnée (ici 32°C) de l’eau de refroidissement du condenseur. Plus la température de l’eau refroidissant le condenseur est élevée, plus le COP s’en trouve diminué. Le tableau ci dessous donne quelques exemples de groupes à absorptions disponibles commercialement et adapté à une utilisation solaire. Ce tableau donne les principales caractéristiques de chaque groupe : Driving T (°C ): C’est la température de la source chaude fournissant l’énergie calorifique au désorbeur. TCOOLING TCHILLED WATER WATER : Température de l’eau de refroidissement au condenseur : Température de l’eau refroidie en sortie d’évaporateur Il donne également les débits d’eau de refroidissement au condenseur et les débits d’eau refroidit en fonctionnement nominal. Liste non exhaustive des groupes à absorption utilisables pour une application solaire Ci dessous quelques groupes absorption utilisant des panneaux solaires thermique comme source de chaleur au désorbeur. Groupe à Absorption de 125 kW d’un hôtel à Benidorm (Espagne) 58 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 2 groupe à absorption YAZAKI 7.5 R.T de la cave viticole de Banyuls/Mer. Puissance frigorifique totale :52 kW II.3.3.2 Groupes de production de froid à adsorption Le principe de base du fonctionnement d’une machine frigorifique à adsorption reste le même que celui d’une machine à « compression mécanique » ou que celui d’une machine à absorption, c’est à dire : - Circulation d’un fluide frigorigène Evaporation du fluide avec production de froid Compression du fluide demandant un apport d’énergie Condensation du fluide avec production de chaleur Cependant au niveau de la compression elle ne sera pas mécanique utilisant de l’électricité comme pour une machine à compression conventionnelle, mais elle sera thermochimique utilisant un apport calorifique ainsi qu’un sorbant comme pour les machines à absorption à la différence près, qu’ici le sorbant n’est pas un liquide mais un solide. Ceci nécessite quelques modifications au niveau du groupe de production de froid, en effet contrairement au liquide absorbant vu dans le paragraphe précédent, le solide adsorbant ne pourra évidemment pas se déplacer de l’évaporateur à l’absorbeur. Le fonctionnement du groupe sera donc adapté à cette contrainte physique. En l’occurrence, il sera composé, comme nous allons le voir, de 2 chambres d’adsorption. Description du cycle à Adsorption Schéma du groupe frigorifique à adsorption Comme dans toute machine frigorifique, on soutire de la chaleur au niveau de l’évaporateur à la source froide (ici, l’eau à refroidir) et on la restitue au niveau du condenseur à la source chaude (ici l’eau de refroidissement). A la différence des machines frigorifiques traditionnelles, la compression ainsi que la détente sont thermiques. 59 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Diagramme de Oldham C’est le diagramme le plus utilisé et le plus pratique pour une étude du cycle de l’adsorbant. Il donne la teneur de l’adsorbant en fluide frigorigène (isostères) en fonction de la température et de la pression. ETAPE : Chauffage et compression thermique La chambre d’adsorption droite (dont l’adsorbant est saturé de vapeur de fluide frigorigène) est isolée et reçoit de la chaleur. La température de l’adsorbant augmente ainsi que sa pression. ETAPE : Chauffage et désorption + Condensation La chambre d’adsorption droite continue de recevoir de la chaleur tout en étant connecté au condenseur. La température de l’adsorbant continue d’augmenter ce qui induit la désorption de la vapeur. Cette vapeur désorbée à Haute Pression est liquéfiée dans le condenseur grâce à la circulation d’ une eau de refroidissement (≈ 30°C) qui correspond à la Source Chaude. ETAPE : Refroidissement et baisse de pression La chambre d’adsorption gauche (sans vapeur de fluide frigorigène) est isolée et refroidie par l’eau de refroidissement. La température de l’adsorbant diminue ce qui induit une baisse de pression. Équivalent de la détente pour les machines frigorifiques traditionnelles. ETAPE : Refroidissement et adsorption + Evaporation La chambre d’adsorption gauche continue de libérer de la chaleur tout en étant connectée à l’évaporateur ce qui y impose sa basse pression. La température de l’adsorbant continue de diminuer, ce qui induit l’adsorption de la vapeur (qui est exothermique). Cette vapeur adsorbée provient de la vaporisation effectuée dans l’évaporateur. La chaleur de vaporisation est prélevée à la Source Froide (ici, l’eau à refroidir). Ce découpage en 4 étapes se veut pédagogique pour ainsi expliquer les changements d’état que subit une chambre d’adsorption. D’un point de vue chronologique et dans la pratique, cela ne se passe pas exactement comme ça. En effet, l’étape 2 et l’étape 4 se font en même temps, c’est à dire que l’évaporation et la condensation se réalisent simultanément et ce grâce au fait qu’il y ait 2 chambres d’adsorption indépendantes. Une fois que le cycle a été réalisé, la chambre d’adsorption gauche est alors saturée en vapeur de fluide frigorigène et la droite n’en a plus. Les 2 chambres ont donc échangé de 60 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 rôle pour le cycle suivant. La chambre gauche sera alors alimentée en eau chaude et la chambre droite en eau de refroidissement. Ce fonctionnement avec 2 chambres d’adsorption permet d’obtenir un cycle de production de froid quasi CONTINU. Le cycle réel (d’un point de vue chronologique et fonctionnel) d’un groupe à adsorption est le suivant : Phase 1 : Durant cette phase, l’étape 2 et 4 vues précédemment se réalisent simultanément. C’est durant cette étape qu’il y a la production de froid. Elle dure environ 370 sec. Phase 2 : Durant cette phase, les 2 chambres d’adsorption sont connectées entre elles. Il s’opère ainsi un équilibrage des pressions et un préchauffage de la chambre d’adsorption gauche (saturée en eau). Cette phase dure environ 30 sec. Phase 3 : Cette phase est la même que la phase 1, si ce n’est que les chambres d’adsorption ont échangées leur rôle. Elle dure également 370 sec et il y a production de froid. Phase 4 : Cette phase est la même que la phase 2. Elle dure environ 30 sec. Dans un groupe de production frigorifique à adsorption, la production de froid se réalise donc de manière quasi continue. En effet comme on l’a vu, on refroidi à l’évaporateur de l’eau pendant 370 sec avant de devoir échanger le rôle de chaque chambre d’adsorption, ceci dure 30 sec avant qu’un cycle de production de froid redémarre pour 370 sec. Un cycle dure donc entre 6 et 7 minutes. Ceci est visible sur le graphique ci-dessous qui donne la température des différents circuits d’eau présent dans le groupe à adsorption en fonction du temps. 61 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Hot water, in : Cette courbe correspond à la température d’entrée de l’eau chaude solaire (apport calorifique) nécessaire à la régénération de la chambre d’adsorption saturée en eau. Hot water, out : Cette courbe correspond à la température de sortie de l’eau chaude solaire de cette même chambre d’adsorption. Cooling water, in : Cette courbe correspond à la température d’entrée dans le condenseur puis dans la chambre d’adsorption à refroidir, de l’eau de refroidissement. Cooling water, out : Cette courbe correspond à la température de sortie de l’eau de refroidissement de cette chambre d’adsorption. Chilled water, in : Cette courbe correspond à la température d’entrée dans l’évaporateur de l’eau que l’on cherche à refroidir. Cette eau est la source froide et c’est elle que l’on acheminera vers des ventilo-convecteurs, plafonds rayonnants froids, batteries froides de CTA … Chilled water, out : Cette courbe correspond à la température de sortie de l’évaporateur de l’eau que l’on cherche à refroidir. On observe bien l’aspect cyclique de la production de froid de ces groupes à adsorption. Au niveau de l’eau chaude solaire alimentant la chambre d’adsorption à régénérer. On observe que la température en entrée est à peu près constante. Cependant la température de cette même eau en sortie, elle, varie de manière cyclique. Si on prend le début d’un cycle par exemple à t = 2 min 30 sec sur le graphique, on observe que la température d’entrée de l’eau chaude dans la chambre d’adsorption à régénérer est à 85 °C et la température de sortie est à 60 °C. Ceci est du au fait que le sorbant de cette chambre d’adsorption est froid. En effet, on a, comme on vient de le voir, échangé le rôle de chaque chambre d’adsorption à la fin du cycle précédent. Cette chambre d’adsorption que l’on alimente maintenant en eau chaude afin de régénérer son sorbant en faisant désorber la vapeur d’eau, était lors du cycle précédent alimentée en eau de refroidissement. Au cours des 370 sec faisant suite à ce début de cycle, on observe plusieurs choses : d’abord, l’eau chaude de sortie est de moins en moins froide pour, en fin de cycle avoir un température environ égale ou plutôt dont l’évolution est parallèle à celle de l’eau 62 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 chaude en entrée. On arrive donc à un « équilibre » thermique. Au cours de ce cycle de 370 sec (correspondant à la phase 1 ou à la phase 3 vues précédemment), on a donc réchauffé le sorbant et fait désorber la vapeur d’eau. Au niveau de l’eau que l’on souhaite refroidir (chilled water), on observe qu’en début de cycle sa température est égale en entrée et en sortie d’évaporateur. En effet, il n’ y a pas de production frigorifique. Cette partie du graphique correspond aux 30 sec durant lesquelles, les 2 chambres d’adsorption sont connectées entre elles avant d’échanger de rôle. Puis au cours du cycle, parallèlement au réchauffage de la chambre d’adsorption saturée en eau et à la désorption de cette dernière, la température de l’eau à refroidir en sortie d’évaporateur diminue. Ceci correspond à l’augmentation de la puissance frigorifique délivrée au cours du cycle. Suite à cette phase 1 de production de froid vient la phase 2 d’environ 30 sec où les 2 chambres d’adsorption sont connectées entre elles. Il s’opère ainsi un équilibrage des pressions et un préchauffage de la chambre d’adsorption devant être régénérée. Le cycle de production de froid peut ensuite recommencer après avoir échangé le rôle de chaque chambre d’adsorption. Couples fluide frigorigène/adsorbant Les exemples des principaux couples fluide frigorigène/adsorbant sont Eau-Gel de silice (silica gel), Eau-charbon actif, eau-Zéolites, Ammoniac-chlorure de calcium, Ammoniac-zéolites, Alcool méthylique (méthanol)-charbon actif, Alcool méthyliquezéolites, etc. Eau-Silica gel Cependant seulement les groupes à adsorption utilisant le couple sont couramment disponibles sur le marché. L’utilisation de l’énergie solaire dans une machine frigorifique à Adsorption Comme nous venons de le voir, les machines frigorifiques à adsorption nécessitent une source de chaleur permettant de régénérer l’adsorbant dans les chambres d’adsorption. Cette chaleur est généralement fournie par une chaudière au fioul, au gaz, un réseau de chaleur, une centrale de cogénération et elle peut donc l’être également par des capteurs solaires thermiques. La température de l’eau fournissant la chaleur de régénération est généralement comprise entre 55°C et 80°C. Les puissances frigorifiques des machines à adsorption disponibles et adaptées à une utilisation avec des capteurs solaires se situent entre 50 kWf et 430 kWf. C’est à dire qu’elles sont destinées à des installations de grandes ampleurs et n’ont actuellement aucune application individuelle. AVANTAGES DE L’ADSORPTION - Les températures de l’eau chaude requises pour le fonctionnement du groupe à adsorption autorisent l’utilisation dans certains cas de capteurs plans. - Le fluide frigorigène est inoffensif dans la quasi totalité des installations. INCONVENIENTS DE L’ADSORPTION - Les groupes à adsorption sont plus chers, plus lourds et plus volumineux que les groupe à absorption et leur choix moins grand. 63 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 L’efficacité énergétique ou COPfroid COPfroid = Puissance frigo/Puissance apportée = Qévaporateur/ (Qchambre adsorption + Wcirculateurs) COPfroid d’une machine à adsorption généralement rencontrés 0,4 < COPfroid < 0,6 On note tout de suite que la valeur du COPfroid d’une machine à adsorption est très inférieure à celui d’une machine à compression mécanique traditionnelle. Cependant, la valeur du COPfroid est essentiellement fonction de l’énergie calorifique apportée aux chambres d’adsorption pour la régénération de l’adsorbant (l’énergie nécessaire au fonctionnement des circulateurs étant faible par rapport à Qchambre adsorption). Ces valeurs de COPfroid données ci-dessus sont à prendre entre guillemets car ils correspondent à des machines à adsorption fonctionnant avec des énergies non renouvelables et non gratuites. Or dans le cas d’une machine frigorifique solaire à adsorption cette énergie calorifique est en majeure partie gratuite car venant de l’eau chaude solaire. Le graphique ci dessous permet de visualiser l’évolution du COP pour une machine à adsorption et une machine à absorption en fonction de la température de l’eau chaude solaire assurant l’apport calorifique nécessaire au fonctionnement d’un groupe à absorption comme d’un groupe à adsorption. Il y a 2 courbes tracées pour chaque type de groupe de production frigorifique. Elles correspondent chacune à une température donnée de l’eau de refroidissement du condenseur. On voit dans les 2 cas que le COP est amélioré si l’on a une température d’eau de refroidissement plus basse au condenseur. En effet, la condensation se réalisera de manière plus complète. La deuxième observation que l’on peut faire sur ce graphique est que le COP d’une machine à adsorption est comparable à celui d’une machine à absorption pour une température d’eau chaude élevée. Cependant, on remarque également qu’il est possible d’utiliser un groupe à adsorption dès 55°C avec un COP relativement correcte alors que pour obtenir un COP comparable avec une même température d’eau de refroidissement au condenseur pour un groupe à absorption, il faut pouvoir fournir une eau au moins égale à 70 °C. Il est donc possible d’utiliser de capteurs solaires thermiques plans pour le fonctionnement d’un groupe à adsorption. Ceci est le principal avantage de cette technologie vis à vis de l’absorption. 64 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Il existe également des réfrigérateurs de petite capacité, expérimentaux fonctionnant sur le principe de l’adsorption et pouvant utiliser parfois d’autres couples que Eau-Silicagel. Ci dessous quelques groupes à adsorption utilisant des panneaux solaires thermique comme source de chaleur au désorbeur. Groupe à adsorption de 70 kW de laboratoires hospitalier à Freiburg (Allemagne). II.3.3 Le rafraîchissement évaporatif potentialisé par Dessiccation (DEC, Dessiccant Evaporative Cooling) Les installations de rafraîchissement évaporatif potentialisé par dessiccation produisent directement de l’air frais, contrairement aux groupes frigorifiques à compression mécanique, à absorption ou à adsorption qui eux refroidissent un fluide intermédiaire (en l’occurrence l’eau alimentant par exemple des ventilo-convecteurs, des plafonds rayonnants ou un batterie froide à eau glacée de CTA). Une des particularités de ce système est qu’il est composé de deux gaines d’air ( air entrant, air sortant ) placées côte à côte. On trouve également, en plus par rapport à une centrale de traitement d’air classique une roue dessicatrice ou déshumidificatrice placée en tandem avec une roue thermique (échangeur de chaleur). Nous verrons leur utilité et leur fonctionnement plus loin. 65 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Ces installations n’utilisent pas non plus de batterie froide conventionnelle (à détente directe ou à eau glacée) mais s’appuient sur l’idée de refroidir de l’air non saturé en vapeur d’eau par humidification de celui-ci. En effet en pulvérisant de fines gouttelettes d’eau dans un flux d’air, celles ci s’évaporent en soutirant de l’énergie à l’air les traversant et refroidissent ce dernier. Globalement, dans le système "eau + air", rien ne se perd, rien ne se crée. L’énergie totale est conservée : l’énergie de l’air "sec et chaud" est égale à l’énergie de l’air "froid et humide". On dit que la transformation est "isenthalpique" ou encore "adiabatique". Sur le diagramme de l’air humide, l’évolution de l’air suit une isenthalpe. Au maximum, l’air peut atteindre la saturation. Dans l’exemple ci dessus de l’air à 20°C 30 % HR sort de l’humidificateur à 12°C et 85 % HR. L ‘énergie (que l’on appelle enthalpie) de l’air en 1 est égale que celle de l’air en 2 après sa transformation. A partir de ce principe, deux systèmes existent : 66 où l’air qui est humidifié est - Les systèmes à évaporation directe directement soufflé dans le local. - Les systèmes à évaporation indirecte où l’air neuf que l’on veut souffler dans le local est refroidi par l’air repris (préalablement humidifié donc refroidi également) dans un échangeur thermique air/air. Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Quand ces 2 systèmes sont utilisés, on parle de système de refroidissement par évaporation combinée. Cependant avec ce système on ne peut pas diminuer l’humidité de l’air entrant, au contraire, on ne fait que l’augmenter. Or on a vu que pour pouvoir refroidir l’air par évaporation directe ou indirecte, ce dernier ne doit pas être saturé en eau ; ceci impliquant que plus l’air entrant est sec plus son potentiel de refroidissement par évaporation d’eau sera grand. C’est là que l’on comprend toute l’utilité de la roue dessicatrice se trouvant en amont de l’humidificateur dans le flux d’air entrant. Elle permet d’assécher celui ci avant son passage dans l’humidificateur pour optimiser son refroidissement et éviter d’obtenir un taux d’humidité de l’air soufflé proche de la saturation et donc fort inconfortable. La roue dessicatrice La roue dessicatrice a pour fonction de diminuer l’humidité de l’air entrant en la transférant vers l’air sortant grâce au phénomène d’adsorption, c’est à dire le mécanisme par lequel certains solides ont la capacité de piéger un gaz ou une vapeur. C’est en l’occurrence le cas du Gel de Silice qui va pouvoir adsorber et stocker dans sa structure moléculaire la vapeur d’eau contenue dans l’air entrant tout en voyant sa capacité d'adsorption au fur et à mesure diminuer jusqu'à être nulle, à saturation. On doit alors régénérer le gel de Silice en le chauffant à une certaine température pour qu’il puisse "rendre" la vapeur d’eau comme dans le cas d’une machine frigorifique à adsorption: c’est la désorption, il récupère alors toutes ses propriétés d’adsorption. Cet apport calorifique de régénération va être fourni par l’air sortant (gaine supérieure) que l’on aura préalablement réchauffé dans une batterie chaude à une température pouvant osciller entre 45 °C et 100 °C en fonction du degré de déshumidification désiré. Cette chaleur nécessaire au chauffage de l’air provient, dans les installations de rafraîchissement par roue à dessiccation habituelles de brûleurs à gaz, de réseaux de chaleur urbains, de centrales de cogénérations… mais donc également de l’ENERGIE SOLAIRE via l’eau chaude produite par des capteurs solaires thermiques. Exemple de roue dessicatrice Elles ont généralement un diamètre compris entre 0,1 m et 6 m en fonction des installations. Elles tournent de 6 à 12 fois par heure La roue thermique 67 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Un matériau accumulateur cylindrique en rotation lente (de 5 à 20 tours/min) est traversé dans une direction par l'air rejeté et dans l'autre par l'air neuf. Il se compose d'un média de transfert en aluminium, acier inoxydable ou matériau synthétique, imprégné ou non d'un produit hygroscopique et formant de très nombreux petits canaux. Le matériau accumulateur est alternativement traversé par l'air chaud rejeté où il se charge d'énergie, et l'air neuf froid où il se décharge. En vue d'éviter le mélange d'air neuf et d'air rejeté, il est prévu un secteur de nettoyage dans lequel l'air rejeté est chassé par l'air neuf. Une faible consommation d'énergie électrique est nécessaire pour entraîner la rotation de la roue. Les pertes de charge sont assez faibles. Evolution des caractéristiques de l’air entrant et de l’air sortant en fonctionnement estival Flux d’air neuf (entrant) 1 2 : L’air est déshumidifié au travers de la roue à dessiccation. Il en résulte une diminution de son taux d’humidité et une augmentation de sa température (l’adsorption est exothermique). 2 3 : L’air passe dans l’échangeur thermique et est refroidi par l’air passant dans la gaine supérieur défini par le point 7. Il en résulte une diminution de température. 3 4 : L’air passe dans l’humidificateur, son taux d’humidité augmente et sa température diminue du fait de l’évaporation de l’eau. 4 5 : L’air se réchauffe légèrement du fait du passage dans le ventilateur. Flux d’air vicié (sortant) 6 7 : L’air passe dans l’humidificateur, son taux d’humidité augmente et sa température diminue du fait de l’évaporation de l’eau. 7 8 : L’air refroidi par évaporation directe passe dans l’échangeur thermique et refroidi l’air entrant passant dans la gaine inférieure. Sa température augmente. 68 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 8 9 : L’air passe dans la batterie chaude de régénération. Sa température augmente. 9 10 : La température de l’air sortant est suffisante et permet de régénérer la roue déssicatrice en la traversant.. L’adsorbant de la roue déssicatrice désorbe la vapeur d’eau et soutire de l’énergie à l’air (la désorption étant endothermique). Il en résulte une augmentation de l’humidité de l’air et une baisse de sa température. 10 11 : L’air se réchauffe légèrement du fait du passage dans le ventilateur. L’efficacité énergétique ou COPthermique Le COPthermique d’un DEC est défini par la relation suivante : COPthermique = qairsoufflé ×(hairambiant −hairsoufflé ) q×(h1 −h5) = Qrégénération Qrégénération 69 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 où - qair soufflé est le début massique d’air soufflé dans le local - hair ambiant et hair soufflé sont respectivement l’enthalpie de l’air ambiant et de l’air soufflé - Qrégénération est l’énergie calorifique fournie à la batterie chaude de régénération On observe donc que le COPthermique est directement inflencé par les caractéristiques de l’air ambiant et de l’air soufflé mais aussi de l’air extrait car ses caractéristiques détermineront la quantité d’énergie calorifique à apporter dans la batterie de régénération pour réchauffer cet air. Lors d’une utilisation dans des conditions normales, le COPthermique est environ égal à 0,7 pour une puissance frigorifique de 5 – 6 kW et un débit de 1000 m3/h d’air soufflé. II.3.4 Les autres composants II.3.4.1 Tour de refroidissement La chaleur extraite par une machine frigorifique doit être évacuée vers l'extérieur. Le plus simple est de refroidir le fluide frigorigène avec l'air extérieur. Mais la puissance de refroidissement est parfois trop faible. On peut la renforcer grâce à l'évaporation d'eau supplémentaire (lorsque de l'eau s'évapore, la chaleur de la vaporisation est "pompée" sur la goutte d'eau qui reste et qui donc se refroidit). Problème : parfois, la distance entre le groupe et la toiture est fort élevée et la perte de charge sur le circuit frigorifique serait trop importante. Aussi, un circuit d'eau est créé : l'eau refroidit le fluide frigorifique et l'air refroidit l'eau ! Trois types d'échangeur sont rencontrés : L’aero-refroidisseur L'eau est directement refroidie par l'air. La Tour de refroidissement fermée Une puissance supplémentaire est donnée par pulvérisation d'une eau indépendante du circuit. 70 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 On parle de tour "fermée" si l'eau du circuit de refroidissement circule dans un échangeur fermé sur lequel de l'air extérieur est pulsé, et de l'eau est pulvérisée. L'évaporation partielle de l'eau entraîne un refroidissement plus faible que dans le cas de la tour ouverte, mais les risques de corrosion sont annulés. La Tour de refroidissement ouverte Cette fois, c'est l'eau qui traverse le condenseur qui est directement pulvérisée et en partie évaporée. On parle de tour "ouverte" si c'est l'eau de refroidissement elle-même, venant du condenseur, qui est pulvérisée. C'est le système le plus efficace qui entraîne le refroidissement le plus élevé. Mais le contact entre l'eau et l'atmosphère est source de corrosion (oxygénation de l'eau, introduction de poussières et de grains de sable qui risquent de se déposer dans le condenseur, risque de gel accru,...). II.3.4.2 Le stockage de « froid » Dans les systèmes de climatisation utilisant de l’eau glacée, un ballon de stockage de « froid » peut être utilisé. Le principal avantage est de pouvoir découpler le fonctionnement du groupe frigorifique de production d’eau glacée, de la demande de climatisation. Dans la climatisation conventionnelle, c’est à dire utilisant des groupes frigorifiques de production d’eau glacée à compression mécanique cette possibilité de stocker des « kW froid » est très intéressante . En effet cela permet de produire de l’eau glacée la nuit, c’est à dire quand le prix du kWh électrique est le moins cher, de la stocker et de l’utiliser le jour quand il y a un besoin de climatisation. 71 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 De plus, comme on l’a vu précédemment, plus l’écart de température entre la source chaude et la source froide est grand, plus les COPfroid d’un groupe frigorifique diminuera. Il y a donc tout intérêt à faire fonctionner ces groupes de production frigorifique lorsque la température de la source chaude (celle à qui on cède, au condenseur l’énergie prise à la source froide à l’évaporateur) est relativement basse, c’est à dire la nuit. Dans les systèmes de climatisation solaire utilisant de l’eau glacée produite par un groupe à absorption ou à adsorption l’intérêt d’utiliser un moyen de stockage de froid est toujours le même, c’est à dire pouvoir découpler dans le temps la production de froid et sa distribution. Cependant le but n’est pas de bénéficier du tarif bas du kWh électrique, (ces groupes ne nécessitent pas d’énergie électrique mais calorifique), mais de pouvoir exploiter au maximum le gisement solaire même quand il est supérieur à celui qui serai nécessaire pour couvrir les besoins de climatisation. On produit donc plus de froid que nécessaire lors de fort ensoleillement, on le stocke et on le restitue ainsi lorsque le rayonnement solaire n’est pas suffisant. On peut distinguer 2 échelles de temps : - Des diminutions de rayonnement solaire pouvant durer quelques secondes à quelques minutes en raison de passages nuageux. Dans ce cas là, le stockage doit être dimensionné pour pouvoir assurer la distribution de froid durant ces temps court où l’ensoleillement fait défaut. - Un décalage entre l’ensoleillement et le besoin de froid à une échelle de plusieurs heures, typiquement lorsque le pic de demande de climatisation se situe en fin d’après midi ou le soir et que l’ensoleillement maxi est lui en début d’après midi. Dans ce cas là, le stockage doit être dimensionné pour pouvoir assurer la distribution de froid durant des temps plus long de l’ordre de plusieurs heures. La bâche d'eau glacée Il s’agit d’un réservoir d’eau glacée, disposé sur le circuit d’eau glacée des installations de climatisation. Il permet d’accumuler du froid, particulièrement durant la nuit. On l'appelle encore "ballon d'eau glacée" ou "bâche d'eau glacée" Il se dissocie de son "concurrent", le stockage par bac à glace, par le fait que la réserve de froid ne se fait que sur la chaleur sensible de l’eau, entre 12° et 5°C. D’où : Inconvénient : - le stockage de kWh frigorifiques est fort limité... Avantages : - la machine frigorifique conserve ses caractéristiques traditionnelles de température de travail, et donc son rendement. - l'installation est simple et sa régulation aussi. - pour les grands bâtiments, il est parfois possible de valoriser le réservoir d'eau obligatoire pour la protection incendie Bac à glace Il s’agit d’un réservoir de glace, disposé en parallèle ou en série avec le circuit d’eau glacée des installations de climatisation. Il permet d’accumuler du froid, particulièrement durant la nuit. 72 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Il se dissocie de son "concurrent", le ballon d’eau glacée, par le fait que la réserve de froid profite de la chaleur latente de l’eau ou d’un sel : Au moment du refroidissement (phase de stockage), il y a cristallisation ou solidification, en plus du refroidissement de l’eau et de la glace. Au moment du réchauffement (phase de déstockage du froid), il y aura fusion en plus du réchauffement de l’eau et de la glace. La chaleur latente de solidification de l’eau est de 335 kJ/kg. Alors que la chaleur sensible est de 4,18 kJ/kg.K. Il est donc possible de stocker 80 fois plus d’énergie dans un kg d’eau qui passe de 0,5° à -0,5°C que de 4° à 3°C. De plus, la température de l’eau de réchauffement reste plus ou moins constante durant toute la phase du dégel de la glace. On distingue les systèmes basés sur un faisceau de tubes plongés dans le réservoir (encore appelés "ice on coil"), de ceux basés sur l’utilisation de nodules, petites balles en plastiques stockées dans le réservoir. II.3.5 Récapitulatif des technologies Procédé Types de sorbants Cycles Fermés Production d'eau froide Cycles ouverts Conditionnement d'air Solide Liquide Solide Liquide Eau/LiBr Ammoniaque/eau Eau/silica-gel Zéolite Eau-Cloride de Lithium Couples fluide Eau/silica-gel frigo/ab(d)sorbant Ammoniaque/sel Technologie existante Puissance frigorifique Refroidisseurs à adsorption Refroidisseurs à absorption 50-430 kW 35 – 5,000 kW 20 – 350 kW Constructeurs 2 au Japon EU, Asie Nombreux constructeurs de roues Allemagne COP 0.3 – 0.7 0.5 à >1 >1 Température requise 60 – 95°C 45 – 95°C 45 – 70°C Type de capteurs Sous-vide et capteurs plans liquides Capteurs plans liquides et à air Capteurs plans liquides et à air 0.6 – 0.75 (simple eff.) <1,2 (double effet) 80 – 110°C (simple) 130 160°C (double) Sous-vide Desiccant cooling bientôt disponible 73 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 III CONFIGURATIONS GENERALES DES SYSTEMES DE CLIMATISATIONS SOLAIRE THERMIQUE Nous avons vu et décrit dans la partie précédente les différents composants pouvant intervenir dans une installation de climatisation solaire thermique. Nous allons dans cette partie tenter de décrire et d’appréhender d’une manière plus globale les systèmes et les configurations possibles de ces derniers en étudiant les différentes stratégies de conception rencontrées. III.1 Climatisations solaires thermiques autonomes et climatisations solaires thermiques avec appoint Une des décisions fondamentales au niveau de la conception de systèmes de climatisation solaire est la fraction solaire, c’est à dire la proportion d’énergie fournie par les panneaux solaires par rapport au besoin total d’énergie pour assurer la climatisation des locaux. De cette remarque découle le choix de la stratégie générale de l’installation. Deux stratégies principales sont possibles et le choix de l’une ou de l’autre influencera grandement la suite de la conception de l’installation. On peut donc opter pour une : - Climatisation solaire thermique autonome ou pour une - Climatisation solaire thermique avec appoint Il est important de noter que la première catégorie se définit par opposition à la seconde, c’est à dire qu’elle ne possédera pas de système fournissant un appoint de chaleur pour compléter l’apport d’énergie calorifique solaire. La totalité de l’énergie calorifique nécessaire au fonctionnement de la climatisation sera fournie par le soleil. Pour autant elle ne sera pas totalement autonome énergétiquement. En l’occurrence, elle aura besoin d’énergie électrique pour le fonctionnement des ventilateurs, des divers circulateurs ainsi que pour les divers systèmes de régulation et de gestion de l’installation. On peut imaginer des systèmes complètement autonomes utilisant des panneaux photovoltaïques pour produire l’énergie électrique utilisée par tous les équipements annexes nécessaires au fonctionnement de l’installation. Cependant, aucun exemple d’installation de ce type n’existe, et pour cause les climatisations centralisées sont généralement installées dans des zones où le réseau électrique est existant. On peut évidemment rencontrer des exceptions comme par exemple un hôpital en site isolé ou un hôtel sur une île… On considérera donc que lorsque l’on parle de climatisation solaire thermique autonome, il s’agit d’autonomie vis à vis du besoin en énergie calorifique nécessaire au fonctionnement de l’installation. III.1.1 Climatisations solaires thermiques autonomes On peut décrire cette catégorie en abordant différents points la caractérisant : - La stratégie générale de ces systèmes est d’utiliser toute l’énergie solaire disponible pour la climatisation si cette dernière est nécessaire. Le but est d’obtenir les conditions de confort désirées avec l’utilisation maximum d’énergie solaire et donc sans utiliser de source de chaleur d’appoint. 74 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 - Cependant il est possible que ce type de systèmes ne fournisse pas la puissance frigorifique nécessaire à l’obtention des conditions de confort désirées (température et humidité relative) en toutes circonstances. Ce type de système fournira de toutes manières des conditions de confort supérieures à un bâtiment dépourvu de système de climatisation. - La partie solaire de l’installation est dimensionnée en utilisant une analyse statistique étudiant sur l’année combien de fois les conditions d’humidité et de températures définies ne sont pas atteintes pour le site donné. Ceci permet de voir si une telle stratégie est pertinente où si au contraire elle n’est pas du tout adaptée et que la simulation annuelle (utilisant les caractéristiques du bâtiment, de l’installation, les données météorologiques du site …) démontre que les conditions de confort définies ne sont pas assez souvent atteintes par le système. - En général cette catégorie de systèmes est adaptée si il y a une très bonne adéquation et synchronisation entre les besoins de climatisation et l’ensoleillement. Les systèmes de climatisation solaire autonome sont généralement employés lorsque l’utilisation d’un appoint chaud n’est pas possible ou peu conseillé. Typiquement, c’est le cas lorsque l’utilisation et l’accès à d’autres sources d’énergies n’est, pour diverses raisons pas facile, économiquement peu rentable ou dans certaines conditions climatiques et de fonctionnement non nécessaires ou non voulues. III.1.2 Climatisations solaires thermiques avec appoint On peut décrire cette catégorie en abordant différents points la caractérisant : - L’objectif de ce type d’installation est d’atteindre les conditions de confort désirées en réduisant la consommation d’énergie conventionnelle et ce, en utilisant des capteurs solaires thermiques comme principale source de chaleur pour le système. - Ces systèmes sont sensés assurer les conditions de confort désirées en toutes circonstances si l’appoint est correctement dimensionné. - La partie solaire de ces systèmes est dimensionnée en fonction du bilan énergétique estimé. La comparaison avec un système conventionnel de référence permet d’évaluer les quantités d’énergie économisées. On réalise alors généralement une simulation annuelle (heure par heure) du fonctionnement de l’installation. En partant du principe que les besoins de froid sont toujours assurés par l’installation, la simulation n’a pas besoin de tenir compte directement des caractéristiques du bâtiment. - Une bonne adéquation entre le besoin de climatisation et l’ensoleillement favorise également le choix de cette configuration. Cependant cette condition n’est pas aussi indispensable que pour une climatisation solaire thermique autonome car l’appoint permet de compenser, et c’est l’une de ses utilités, un éventuel décalage dans le temps entre le besoin de froid et l’ensoleillement. En général, une décision importante à prendre dans le cas de ces installations est celle du type d’appoint à utiliser. En effet on peut opter pour 2 types d’appoint possibles : - Un appoint chaud comme un réseau de chaleur, une unité de cogénération , une chaudière à gaz, au fioul, au bois, … Un appoint froid comme un groupe de production d’eau froide conventionnel à compression. 75 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Le choix de l’une ou l’autre option dépend évidemment de nombreux paramètres comme des conditions limites de fonctionnement, du dimensionnement de la partie solaire de l’installation, de la fraction solaire choisie... III.2 Le rafraîchissement évaporatif potentialisé par Dessiccation (DEC, Dessiccant Evaporative Cooling) Une fois que le choix d’une centrale de traitement d’air a été fait pour assurer le rafraîchissement des locaux, on peut alors opter pour une centrale de traitement d’air dite « conventionnelle » ou pour une centrale de traitement d’air utilisant le principe de rafraîchissement évaporatif potentialisé par dessiccation ou DEC en anglais. Un des principaux avantages de ce type de CTA, par rapport aux CTA traditionnelles (utilisant de l’eau glacée pour alimenter une batterie froide déshumidificatrice) , est qu’elles n’ont pas besoin de descendre en dessous du point de rosée pour opérer cette déshumidification. En effet cette dernière est assurée comme nous l’avons vu par la roue dessiccatrice. De ce fait l’efficacité énergétique de ce système en est grandement améliorée. Comme nous l’avons vu, les DEC traitent directement l’air qui est ventilé dans les locaux. Elles sont basées sur le principe de refroidissement évaporatif combiné (c’est à dire directe et indirecte) dont la capacité est augmentée par déshumidification préalable. Elles utilisent une source de chaleur nécessaire à la régénération de la roue déssiccatrice. X X X X X X Appoint froid X X X Roue dessiccatrice Appoint de chaleur Ballon de stockage d'eau chaude Capteur solaire thermique plan à air Capteur solaire thermique plan à liquide Le tableau ci-dessous tente de lister les configurations possibles de DEC commercialement disponibles et dont il existe des réalisations. Il y a 3 grandes familles : - Les DEC solaires thermiquement autonomes - Les DEC solaires avec appoint chaud - Les DEC solaires avec appoint froid X X X X X X Description Application DEC solaire autonome thermiquement à capteurs solaires thermiques à air ou à eau Pas de conditions d'ambiances intérieures strictesTrès bonne synchronisation nécessaire entre les besoins de climatisation et l’ensoleillement - Adapté quand une source de chaleur basse DEC solaire à capteurs solaires thermiques température est disponible - Application en climat à air ou à eau avec appoint chaud tempéré - Taux de déshumidification modéré - X X X X DEC solaire à capteurs solaires thermiques à air ou à eau avec appoint froid L'appoint froid est utilisé de la même manière que dans une CTA traditionelle - Le taux de déshumidification désiré peut être atteint même en climat humide - Les installations utilisant des capteurs solaires thermiques à air n’utilisent généralement pas de ballon stockage. Ceci implique une très bonne adéquation et synchronisation entre l’ensoleillement et les besoins de froid ou alors que ces capteurs soient employés dans le cas de bâtiment où l’inertie thermique est mobilisable par 76 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 ventilation. Ils peuvent également en hiver préchauffer l’air entrant afin de diminuer la consommation d’énergie fossile de la batterie chaude conventionnelle. Les capteurs solaires thermiques à eau quant à eux sont généralement employés avec un ballon de stockage. Enfin il faut noter qu’ en fonction de la configuration de l’installation et du bâtiment la consommation d’énergie parasite, principalement due aux ventilateurs dans le cas de capteurs solaires à air peut varier de manière plus significative que dans le cas d’installations utilisant des capteurs à eau. Les installations non autonomes thermiquement utilisent un appoint chaud ou froid comme nous l’avons dit précédemment. Dans de nombreux cas où une source de chaleur à basse température est disponible (unité de cogénération, chaleur générée par des procédés industriels…), c’est cet appoint chaud qui sera utilisé. Dans ces cas, la partie solaire est dimensionnée pour couvrir les pics de demande en énergie calorifique qui ne sont pas assurés par l’autre source de chaleur. Nous allons voir dans la partie suivante 3 configurations types d’installation. III.2.1 DEC autonome utilisant des capteurs solaires à air Description Ce type de système fonctionne au fil du soleil, c’est à dire qu’il fournit de l’air conditionné quand le soleil brille et ce du fait de l’absence d’appoint et de ballon de stockage. Cependant même si il n’y a pas d’ensoleillement suffisant pour fournir l’énergie calorifique nécessaire à la régénération de la roue dessiccatrice, cette centrale de traitement d’air peut tout de même refroidir l’air entrant par évaporation combinée et ce sans employer la roue dessiccatrice. En effet, la déshumidification n’est pas nécessaire si un potentiel est disponible, c’est à dire si l’humidité de l’air extérieur est assez basse pour pouvoir refroidir ce dernier en y pulvérisant de l’eau sans pour autant le saturer. Ce type d’installation ne peut donc pas être utilisé en climat humide mais est plutôt adapté aux climats tempérés. L’énergie calorifique fournit par l’unique source de chaleur qui sont les capteurs à air ne peut, comme on l’a vu, être stockée et est donc utilisée dès qu’elle est produite. Ceci implique alors que de tels systèmes sont adaptés à des cas de figure où les apports solaires sont en très bonne adéquation avec les besoins de froid. Il y a 2 types de configurations possibles à ce type d’installation utilisant des capteurs solaires thermiques à air : - Une configuration intégrée où l’air utilisé pour la régénération de la roue dessiccatrice est l’air extrait des locaux. Cette configuration a l’avantage d’utiliser le fait que cet air sortant est préchauffé par la roue thermique. Cependant de part le refroidissement par évaporation directe que subit l’air sortant avant son passage dans la roue thermique, il a une forte humidité ce qui se trouve être un facteur limitant pour la régénération de la roue dessiccatrice. Un des avantages de cette configuration est qu’un seul ventilateur sert à la fois à l’air à extraire et à l’air de régénération. 77 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 - Une configuration utilisant l’air extérieur pour régénérer la roue dessicatrice. Dans cette configuration l’augmentation de température de l’air passant dans les capteurs à air est plus importante que dans la configuration intégré. En effet la température de l’air extérieur sera supérieur à la température de l’air extrait du local, l’efficacité du capteur en sera d’autant augmenté. En général ces systèmes, sont équipés de ventilateurs à vitesse variable pour ainsi, adapter le débit d’air traité aux demandes de froid. La vitesse de ces ventilateurs est asservie et contrôlée par le taux d’humidité et la température intérieure tout en ayant comme contrainte d’assurer le taux de renouvellement d’air minimum. Pouvoir faire varier le débit d’air de régénération permet également de contrôler la température de régénération et ainsi l’adapter à la déshumidification désirée. Modes de fonctionnement et de régulation Différent modes de fonctionnement peuvent être employés en fonction des conditions climatiques et de l’ambiance intérieure désirée. On en ressence 4 : - Ventilation simple : Aucun équipement de traitement de l’air ne fonctionne et aucune énergie calorifique n’est nécessaire au fonctionnement. - Rafraîchissement par évaporation indirecte : L’humidificateur de l’air sortant fonctionne ainsi que la roue thermique. L’air sortant est amené à quasi saturation pour être ainsi refroidi au maximum avant d’échanger de la chaleur latente avec l’air entrant. Aucune énergie calorifique est nécessaire au fonctionnement. Le principal paramètre contrôlable lors de ce mode de fonctionnement est l’efficacité de l’humidificateur de l’air sortant (0 – 100 %). - Rafraîchissement par évaporation combinée : Les humidificateurs de l’air entrant et sortant sont en marche ainsi que la roue thermique. Aucune énergie calorifique est nécessaire au fonctionnement de l’installation. Le principal paramètre contrôlable lors de ce mode de fonctionnement est l’efficacité de l’humidificateur de l’air entrant (0 – 100 %). - Desiccant Cooling : La roue déshumidificatrice, les humidificateurs, la roue thermique et les capteurs solaires sont en marche. Toute l’énergie calorifique venant des capteurs solaires à air est utilisée pour la régénération de la roue déshumidificatrice. Les principales paramètres contrôlables sont la température de l’air de régénération en agissant sur la vitesse de rotation du ventilateur ainsi que l’efficacité de l’humidificateur de l’air entrant. Le tableau suivant récapitule les différents modes de fonctionnement possibles. La colonne faisant apparaître un By pass pour l’air sortant n’est valable que dans le cas d’une configuration intégrée. En effet dans le cas d’une configuration utilisant l’air extérieur pour régénérer la roue dessicatrice, un by pass n’est pas nécessaire étant donné que le débit de l’air sortant et de l’air de régénération est géré par 2 ventilateurs 78 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 distincts. Le by pass permet de contrôler la température de régénération et de diminuer la consommation électrique du ventilateur. - + - + + Rafraîchissement par évaporation combinée - + + + + Desiccant Cooling + + + + + Ventilateur de l'air de régénération (seulement pour le système utilisant l'air ambiant pour la régénération) Rafraîchissement par évaporation indirecte Ventilateur de l'air sortant - Batterie chaude de régénération + ByPass de l'air de régénération - Ouvert Humidificateur de l'air sortant - - + - Température et humidité de l'air fourni O.K. Ouvert Ventilateur de l'air entrant - - + - Température de l'air fourni supérieur à la valeur de consigne Ouvert Humidificateur de l'air entrant Ventilation simple CONDITIONS - + - Température de l'air fourni supérieur à la valeur de consigne et son humidité est inférieure à la valeur de consigne < 20% Roue thermique COMPOSANTS ACTIFS (+), INACTIFS (-) Roue dessicatrice <----- Augmentation de la demande en froid MODE + + + Température et/ou humidité de l'air fourni supérieur à la valeur de consigne et energie solaire disponible III.2.2 DEC utilisant des capteurs solaires thermiques à eau avec un ballon de stockage et un appoint chaud Description Cette configuration est très commune en ce qui concerne les DEC. L’appoint chaud est utilisé si l’énergie calorifique fournie par les panneaux solaire n’est pas suffisante. 79 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Deux intégrations de l’appoint chaud sont possibles : - Soit il est connecté au ballon de stockage et dans ce cas là, c’est la température de l’eau située dans le haut du ballon qui détermine le fonctionnement ou non de l’appoint en fonction donc de la température de consigne. - Soit l’appoint chaud est directement intégré au circuit d’eau alimentant la batterie chaude de régénération. C’est alors la température de régénération (c’est à dire si celle si est supérieure ou non à la température de l’eau du ballon) qui détermine la mise en marche ou non de l’appoint. Dans cette configuration, la totalité du ballon de stockage est disponible pour stockée l’énergie calorifique fournie par les panneaux solaires. Il est intéressant d’utiliser des ventilateurs à vitesse variable dans le cas où la vitesse permettant d’obtenir le débit minimum de renouvellement d’air ne serai tout de même pas suffisante pour assurer les conditions d’ambiance intérieurs désirées. 80 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Il est généralement recommandé dans une telle configuration, d’adapter la température de régénération (c’est à dire la température de l’eau passant dans la batterie chaude de régénération) aux conditions d’ambiance intérieure désirées. Une telle régulation permet d’augmenter l’efficacité de l’installation, en effet, le volume de stockage est mieux utilisé. Si des ventilateurs à vitesse variable sont utilisés, leur régulation doit être faite par le taux d’humidité et la température intérieure avec comme limite inférieure de vitesse , celle permettant le taux de renouvellement d’air minimum nécessaire. Modes de fonctionnement Les modes de fonctionnement sont similaires à ceux de la configuration précédente, si ce n’est que le débit d’air en mode DESICCANT COOLING peut être augmenté si les conditions internes n’étaient pas assurées. - + - + + Rafraîchissement par évaporation combinée - + + + + Desiccant Cooling + + + + + Augmentation du débit d'air en fonctionnement Desiccant Cooling + + + + + Ventilateur de l'air sortant Rafraîchissement par évaporation indirecte Batterie chaude de régénération - ByPass de l'air de régénération + Ouvert - - + Température et humidité de l'air fourni O.K. Ouvert Humidificateur de l'air sortant - - + Température de l'air fourni supérieur à la valeur de consigne Ouvert Ventilateur de l'air entrant - - + Température de l'air fourni supérieur à la valeur de consigne et son humidité est inférieure à la valeur de consigne < 20% Humidificateur de l'air entrant Ventilation simple CONDITIONS + + Température et/ou humidité de l'air fourni supérieur à la valeur de consigne < 20% Roue thermique COMPOSANTS ACTIFS (+) INACTIFS (-) Roue dessicatrice <----- Augmentation de la demande en froid MODE + + Température et/ou humidité de l'air fourni supérieur à la valeur de consigne 81 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 III.2.3 DEC utilisant des capteurs solaires thermiques à eau avec un ballon de stockage et un appoint froid Dans cette configuration, l’appoint froid est généralement un groupe frigorifique conventionnel à compression mécanique. Bien sûr on peut imaginer un groupe frigorifique à absorption ou à adsorption alimentant une batterie froide en eau glacée. On traitera de cette configuration de système possible dans une partie ultérieure. En ce qui concerne le cas étudié dans la présente partie, il existe 2 sous configurations possibles que nous allons traiter maintenant. II.2.3.1 Le groupe frigorifique est intégré dans l’installation comme pompe à chaleur Le groupe frigorifique est en fait intégré comme pompe à chaleur entre l’air entrant et l’air sortant. En effet il refroidira l’air entrant et réchauffera l’air sortant de régénération en lui cédant la chaleur latente de condensation. L’évaporateur de cette PAC constituera donc la batterie froide à détente directe placée dans le flux d’air entrant. Le condenseur constituera la batterie chaude à détente directe de préchauffage de l’air de régénération. Elle sera donc placée comme on l’a dit dans le flux d’air sortant. On optimise donc l’utilisation de la PAC. Cependant l’air de refroidissement du condenseur qui est donc dans ce cas là l’air de régénération est beaucoup plus chaud que l’air ambiant qui sert à refroidir le condenseur dans une configuration classique. La pression au condenseur sera donc plus élevée et le COP de la PAC en sera alors diminué. II.2.3.2 Le groupe frigorifique alimente en eau 2 batteries froides Dans cette configuration, le groupe frigorifique à compression mécanique, alimente en eau glacée 2 batteries froides. Il faut noter que de cette configuration en découle une autre qui est en fait beaucoup plus répandue dans les climats où les conditions ne sont pas extrêmes. 82 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Cette configuration plus commune n’a en fait qu’une batterie froide placée dans le flux d’air entrant après la roue thermique. Son rôle est de couvrir le besoin de froid qui ne serait pas assuré par le refroidissement évaporatif combiné. La déshumidification est assurée par la roue dessicatrice comme dans les configurations vues précédemment. Cependant la configuration avec 2 batteries froides dans le flux d’air entrant (une avant la roue dessiccatrice et une après la roue thermique) est très intéressante en climat humide tel qu’on en rencontre dans les zones tropicales. Dans ces conditions climatiques extrêmes (la teneur en humidité atteignant parfois 20 g d’eau/kg d’air sec), la roue dessiccatrice seule ne peut pas assurer le taux de déshumidification permettant de souffler un air ayant les caractéristiques de confort désirées. Il faut donc utiliser un autre procédé complétant la déshumidification réalisée par la roue dessiccatrice. C’est là qu’intervient la première batterie froide. En effet, celle ci va refroidir et déshumidifier l’air entrant comme une batterie froide déshumidificatrice classique. Pour qu’il y ait déshumidification, donc condensation d’eau, il faut que la température de surface, soit inférieure, en au moins quelques points , à la température de rosée de l’air entrant. Après cette prédeshumidification la roue dessiccatrice assèchera encore l’air jusqu’à la teneur en humidité désirée. Dans le cas où les 2 batteries froides fonctionnent, l’humidificateur du flux d’air entrant ne fonctionnera pas. La première batterie froide, n’ayant pas toute la déshumidification à assurer, fonctionnera à une température plus haute qu’une batterie froide devant assurer toute la déshumidification. Le COP du groupe frigorifique produisant l’eau froide à destination de cette batterie en sera d’autant améliorer. La seconde batterie froide, ne servant que d’appoint froid n’a pas à assurer de déshumidification. Elle pourra donc utiliser une eau un peu moins froide que dans le cas où elle aurai aussi du assurer la déshumidification. Le COP du groupe frigorifique produisant l’eau froide à destination de cette batterie en sera d’autant améliorer. Voici ci dessous le tracé sur le diagramme de l’air humide des changements d’état de l’air passant dans cette configuration de DEC ayant 2 batteries froides. 83 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Le tableau ci dessous résume les différents modes de fonctionnement possible de cette configuration de DEC. 84 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 + - - + + Rafraîchissement par évaporation combinée - - + - + + + Desiccant Cooling sans utiliser le groupe de production de froid - + + - + + + Desiccant Cooling avec utilisation de la batterie froide 1 + + + - - + + Desiccant Cooling avec utilisation de la batterie froide 2 - + + + + + + Desiccant Cooling avec utilisation des batteries froide 1 & 2 + + + + - + + Appoint froid - Ventilateur de l'air sortant - Batterie chaude de régénération Augmentation de la demande en froid <----- Rafraîchissement par évaporation indirecte ByPass de l'air de régénération - Ouvert + - + - Température et humidité de l'air fourni O.K. Ouvert Humidificateur de l'air sortant - - + - Température de l'air fourni supérieur à la valeur de consigne Ouvert Ventilateur de l'air entrant - - + - Température de l'air fourni supérieur à la valeur de consigne et son humidité est inférieure à la valeur de consigne < 20% Humidificateur de l'air entrant - + + - Température et/ou humidité de l'air fourni supérieur à la valeur de consigne < 20% Batterie froide 2 (Froid) - + + + Humidité de l'air fourni dépasse la valeur de consigne < 20% Roue thermique - Ventilation simple CONDITIONS + + + Température et humidité de l'air fourni dépassent les valeurs de consigne < 20% Roue dessicatrice COMPOSANTS ACTIFS (+) INACTIFS (-) Batterie froide 1 (Froid + déshumidification) MODE + + + Température de l'air fourni dépasse la valeur de consigne III.2.4 Exemple d’installation (DEC) : L’IHK à Freiburg en Allemagne Présentation générale de l’installation La Chambre de commerce de la région sud-est de l’Allemagne (IHK Südlicher Oberrhein) est situé à Freiburg, dans un immeuble construit en 1992. Au dernier étage, se trouve une salle de séminaire et une cafétéria qui est utilisée lors de colloques, réunions ou autres événements se déroulant dans la salle de séminaire. 85 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Au départ, la salle de séminaire et la cafétéria étaient équipées d’une ventilation simple sans fonction de conditionnement de l’air. Cependant, pendant l’été, les fortes surchauffes très inconfortables ont poussé les propriétaires à recourir à une installation de climatisation. Le bâtiment La salle de réunion La cafétéria Un système de Desiccant cooling a été installé , utilisant des capteurs solaires à air et n’utilisant pas d’appoint chaud. Les données de départ pour le diagnostic thermique d’été sont les suivantes : La puissance frigorifique nécessaire pour déshumidification ont été estimés à 34,8 kWf. assurer les besoins de froid et de Description technique de l’installation Le taux de renouvellement d’air étant important en raison de la nature du local à climatisé, il a été décidé d’installer un desiccant cooling. Comme nous l’avons vu, cette technique ne nécessite pas de température élevée au niveau de la batterie de régénération lui permettant ainsi d’utiliser des capteurs plans. Dans le cas présenté ici, les capteurs choisis sont des capteurs à air. Les modes de fonctionnement de l’installation sont ceux décrits dans la partie précédente, c’est à dire ventilation simple, évaporation directe , évaporation indirecte, Desiccant cooling. Les ventilateurs sont à vitesse variable et peuvent donc adapter cette dernière au besoin de froid et de déshumidification. L’efficacité de humidificateurs peut être également régulée de 20% à 100%. L’installation assure aussi bien le rafraîchissement des locaux en été que leur chauffage en hiver. 86 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Fonctionnement en hiver Lors du fonctionnement hivernal, les valves 1 et 3 sont ouvertes et les valves 2, 4, 5 et 6 sont fermées. Les capteurs à air préchauffent l’air avant de passer dans la roue thermique . Si l’ensoleillement est important et suffisant, la roue thermique ne fonctionne. Fonctionnement en été Lors du fonctionnement estival, les valves 1 et 4 sont fermées et les valves 2, 3, 5 et 6 sont ouvertes. Les capteurs à air préchauffent l’air avant qu’il passe dans la roue thermique . L’air chauffé par les capteurs à air sert à la roue régénérer dessiccatrice. Le champs de capteurs est donc composé de 2 x 50 m2 de capteurs à air disposés sur 2 pans de toitures inclinés à 15°. Leur installation fut très simple du fait de leur intégration en sur imposition. Comme nous l’avons vu auparavant, un système n’utilisant pas d’appoint, ni chaud, ni froid, ni de ballon de stockage, est un système qui ne pourra pas, sous certaines conditions assurer la demande de froid et de déshumidification du local à traiter. La partie solaire de l’installation est dimensionnée en utilisant une analyse statistique étudiant sur l’année combien de fois les conditions d’humidité et de températures définies 87 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 ne sont pas atteintes pour le site donné. Ceci permet de voir si une telle stratégie est pertinente où si au contraire elle n’est pas du tout adaptée et que la simulation annuelle (utilisant les caractéristiques du bâtiment, de l’installation, les données météorologiques du site heure par heure …) démontre que les conditions de confort définies ne sont pas assez souvent atteintes par le système. Les résultats de cette simulation sont présentés sur le diagramme de l’air humide cidessous où le polygone en rouge représente la zone de confort thermique définie par la norme DIN 1946 III. Chaque point représente les conditions de température et d’humidité à chaque heure de l’année. On observe sur ce diagramme de l’air humide, que plusieurs points se situent en dehors de la zone dite de confort thermique. Suite à cette simulation, on réalise une étude statistique de ces résultats. Les 2 histogrammes ci-dessous classent ces points se situant en dehors de la zone de confort thermique. Températures Cet histogramme permet de visualiser le nombre d’heurespar an durant lesquelles les températures sont hors du polygone de confort thermique. Les températures sont classées par tranches de valeurs. 88 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Teneur en humidité Cet histogramme permet de visualiser le nombre d’heures par an durant lesquelles la teneur en humidité de l’air est hors du polygone de confort thermique. Les teneurs en humidité sont classées par tranches de valeurs. On observe que durant plusieurs heures durant l’année, les conditions de température et d’humidité souhaitées ne sont pas atteintes. Malgré cela, le projet a été validé par le maître d’ouvrage. Il faut noter que la simulation a été réalisée dans les conditions les plus défavorables, c’est à dire que la salle de réunion a été prise comme remplie durant toutes les heures travaillée de l’année. Performances énergétiques Le diagramme ci-dessous montre dans quels proportion les différents modes de fonctionnements ont été utilisés. Chauffage : Roue thermique + appoint solaire Desiccant cooling Evaporation directe et/ou indirecte Ventilation simple Chauffage : Roue thermique De même manière que l’avait prévu la simulation, l’économie d’énergie primaire par rapport à un système de référence est de l’ordre d 30%. En effet, la consommation annuelle de ce système a été de 18 162 kWh alors que la consommation du système conventionnel a été simulé à 25 922 kWh. Ce dernier étant une centrale de traitement d’air conventionnelle avec une batterie froide déshumidificatrice classique, c’est à dire à compression mécanique. Aspects économiques Le coût total de l’investissement a été de 210 000 € HT. Ceci revient à 3961 €/kWf ou encore à 20,6 € par m3/H de débit volumique nominal d’air traité. 89 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Le diagramme ci-dessous montre comment se répartie le coût d’investissement en fonction des différents lots. III.3 Systèmes utilisant des groupes de production d’eau glacée Nous allons dans cette partie, traiter des installations utilisant des groupes de production d’eau glacée à sorption (absorption ou adsorption) Cette eau glacée peut, comme nous l’avons vu précédemment alimenter différents soussystèmes de distribution comme des ventilo-convecteurs, des plafonds rayonnants, des batteries froides de CTA … En fonction du climat et des sous systèmes de distribution de la puissance frigorifique, l’eau est généralement refroidie à 6 – 9°C ou à 15 – 18°C. En alimentant une batterie froide avec une température d’eau à 6 – 9°C, on réalise le refroidissement de l’air la traversant ainsi que sa déshumidification, étant donné que l’on diminue sa température en dessous du point de rosée, d’où condensation de l’eau qu’il contient. Dans des climats moins humides et ne nécessitant pas de déshumidification, on peut produire une eau à une température plus élevée (15 – 18°C) et alimenter alors un plafond rayonnant par exemple. Les configurations que nous allons voir maintenant sont celles que l’on rencontre principalement dans les réalisations actuelles et qui d’un point de vue technique sont le mieux maîtrisées. Nous allons donc traiter 3 principaux types de systèmes : - Système autonome de production d’eau glacée utilisant des capteurs solaires thermiques à eau - Système de production d’eau glacée utilisant des capteurs solaires thermiques à eau avec un ballon de stockage et un appoint chaud - Système de production d’eau glacée utilisant des capteurs solaires thermiques à eau avec un appoint froid Le tableau ci – dessous récapitule les principales configurations de systèmes utilisant un groupe de production d’eau glacée à sorption. 90 X X X X X X X X X X X X X X X X Ballon de stockage froid Appoint froid Groupe frigorifique à sorption Appoint de chaleur Ballon de stockage d'eau chaude Capteur solaire thermique plan à air Capteur solaire thermique plan à liquide Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Description Application Système autonome de production d’eau glacée Pas de conditions d'ambiances intérieures strictes- Très bonne synchronisation nécessaire entre les besoins de climatisation et l’ensoleillement - Groupe de production d’eau glacée utilisant des capteurs solaires thermiques à eau avec appoint chaud Petites et moyennes puissances frigorifiques L'utilisation d'un stockage froid dépend du déphasage entre le besoin de clim et l'ensoleillement - C'est le système le plus employé aujourd'hui - Système de production d’eau glacée utilisant des capteurs solaires thermiques à eau avec un appoint froid Moyennes à grandes puissances frigorifiques - (X) X X X X X X X X X X X III.3.1 Système autonome de production d’eau glacée utilisant des capteurs solaires thermiques à eau Comme nous l’avons vu précédemment pour les DEC, même si les systèmes autonomes ne peuvent pas assurer continuellement les besoins de froid, ils permettent des économies d’énergies par rapport aux systèmes conventionnels. Leur conception, leur installation et leur régulation seront également plus simples. Il est alors logique d’opter pour des systèmes de distribution de la puissance frigorifiques ne nécessitant pas des températures d’eau glacée très basses. Typiquement, des ventiloconvecteurs ou des plafonds rayonnants. Ces systèmes, sont par conséquents mal adaptés dans les climats nécessitants une importante déshumidification, celle ci étant réalisée par diminution de la température de l’air en dessous du point de rosée. On retrouve 2 principales configurations : - Une où le groupe frigorifique à sorption alimente des plafonds rayonnants, ventilo-convecteurs … Une où le groupe frigorifique à sorption alimente une CTA et des plafonds rayonnants, ventilo-convecteurs … 91 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 III.3.2 Système de production d’eau glacée utilisant des capteurs solaires thermiques à eau avec un ballon de stockage et un appoint chaud On retrouve dans cette configuration, un groupe de production d’eau glacée à sorption alimentant des sous systèmes de distribution d’eau et/ou une batterie froide de centrale de traitement d’air. Cette configuration est la plus employée actuellement dans les installations utilisant un groupe de production d’eau glacée. La déshumidification de l’air est réalisée dans la batterie froide de la CTA en faisant diminuer sa température en dessous du point de rosée. Dans les cas où un haut taux de déshumidification est désiré, l’air devra atteindre alors une température si basse, qu’une batterie chaude de réchauffage sera nécessaire d’où augmentation de la consommation énergétique. On peut cependant utiliser plusieurs source d’énergie « perdues » pour alimenter cette batterie de réchauffage. On pense entre autre à l’eau chaude sortant du désorbeur (60 - 70°C) du groupe à sorption ou à l’eau de refroidissement de l’absorbeur et du condenseur par exemple. Cependant, il n’est pas certain que ces sources de chaleur puissent assurer la totalité du réchauffage de l’air. Dans ces installations on peut intégrer l’appoint chaud de 2 manières : - Soit en alimentant le ballon de stockage en énergie calorifique - Soit en alimentant directement la groupe frigorifique en énergie calorifique. Dans le premier cas ; il n’y a qu’un raccordement entre les sources de chaleur et le générateur du groupe frigorifique alors que dans le second cas, le 2 sources de chaleurs travaillent en parallèle. Dans le premier cas les capteurs solaires préchauffent l’eau jusqu’à un niveau de température intermédiaire et l’appoint permet à cette température d’atteindre la valeur définie par la régulation. Dans le second cas, le ballon de stockage d’eau chaude, ne stocke que l’énergie calorifique solaire qu’il fournie au générateur sans se préoccuper de savoir si elle est 92 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 suffisante ou non. Si ce n’est pas le cas, l’appoint qui est raccordé en aval du ballon de stockage fonctionne jusqu'à ce que la température voulue soit atteinte. Le ballon de stockage chaud est de toute façon recommandé mais il l’est encore plus particulièrement lorsque le groupe frigorifique est à adsorption. En effet, comme on l’a vu, au moment où les 2 chambres échangent de rôle entre 2 cycles, il y a un besoin supplémentaire d’énergie calorifique pour réchauffer la chambre qui était alimentée en eau glacée au cycle précédent. Un ballon de stockage est donc nécessaire pour assurer ce pic de demande d’énergie calorifique. Comme on l’a vu précédemment, le COP d’un groupe à sorption augmente lorsque que la température à laquelle on souhaite refroidir l’eau augmente. En effet un groupe à sorption fonctionnera avec un COP amélioré lorsqu’il devra alimenter par exemple un plafond rayonnant avec une eau à 15 – 18 °C que lorsqu’il doit alimenter une batterie froide de CTA assurant la déshumidification avec une eau à 6 – 9 °C. Dans le cas étudié ici, malgré que l’on alimente des plafonds rayonnants avec une eau à 15 – 18°C, le COP n’en est pas forcément amélioré pour autant. En effet l’eau de sortie d’évaporateur devra être tout de même à 5 – 9°C pour alimenter la batterie froide de la CTA. Cependant lorsqu’il n’y a pas besoin de déshumidifier l’air, la batterie froide peut être alimenter avec une eau plus chaude, d’où augmentation du COP du groupe à sorption et économie d’énergie. III.3.3 Système de production d’eau glacée utilisant des capteurs solaires thermiques à eau avec un appoint froid On retrouve dans ces systèmes, 2 principales configurations : La première possède un ballon de stockage avec en parallèle, le groupe frigorifique à sorption et l’appoint froid qui est un groupe frigorifique à compression mécanique. Ce dernier permet de refroidir l’eau du ballon de stockage jusqu’à la température souhaitée quand l’apport solaire n’est pas suffisant. Le ballon de stockage alimente ensuite des ventilo-convecteurs assurant également la déshumidification. Il faut donc pouvoir réguler et contrôler la température de l’eau les alimentant. Un ballon de stockage d’eau glacée est généralement utilisé. 93 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 La seconde configuration possède un groupe frigorifique à sorption qui alimente des plafonds rayonnants. L’installation est également pourvue d’une centrale de traitement d’air traditionnelle. L’appoint froid est en fait la batterie froide de cette CTA qui utilise un groupe frigorifique à compression. Dans cette configuration le débit de la CTA peut être réduit au minimum hygiénique et le besoin de froid résiduel peut être assuré par les plafonds rayonnants. L’avantage de cette configuration est que le groupe frigorifique à sorption refroidie une eau à 15 –18 °C et fonctionne donc avec un COP amélioré. III.3.4 Exemple d’installation (absorption): Le G.I.C.B de Banyuls sur mer en France Présentation générale de l’installation En 1989, le Groupement Interproducteurs du Cru Banyuls (G.I.C.B) s’est doté d’une cave de vieillissement en bouteilles d’une ² surface utile totale de 3500 m , pour un volume de 15000 m3 sur trois niveaux, dont deux semi-enterrés; sa capacité de stockage est de l’ordre de 3 millions de bouteilles. Description technique de l’installation Le rez-de-chaussée est utilisé pour les expéditions, le stockage s’effectuant aux niveaux R-1 et R-2. Mise en service en été 1989 sans équipement de climatisation, le 94 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 comportement de la cave a été testé durant deux ans. Une mesure continue de la température ambiante des trois niveaux a permis d'analyser leur comportement et d'en déterminer les conditions idéales de fonctionnement. L’importante inertie thermique des niveaux R-2 et R-1 par rapport au RdC, qui est de plus, le niveau où transitent les nouvelles bouteilles avant stockage, a conduit à limiter la température à 17°C au R-2, à 19°C au R-1, et, avec l’excédent éventuel d’énergie frigorifique, à 22°C au RdC. Les apports calorifiques sont faibles. Il s’agit pour l’essentiel de gains sensibles par conduction au travers des parois ou par renouvellement d'air, les gains latents étant en quantité négligeable. Les besoins frigorifiques suivent en cours d'année l'évolution de la ressource solaire. L’énergie solaire peut assurer en hiver, pour le confort des occupants, le chauffage du RdC (≈18 °C) et éventuellement le préchauffage de l’eau sanitaire utilisée sur une nouvelle chaîne d’embouteillage. Ce sont autant de critères favorables à l’utilisation de l’énergie solaire sur ce site. L’installation de climatisation comprend : - 130 m² de capteurs à tubes sous vide (surface utile) modèle Cortec de marque Giordano installés sur toiture, orientés au sud/sud-ouest et inclinés suivant la pente du toit, soit 15° environ, - un local technique situé au R-2 et abritant : - • un échangeur à plaques inox soudées VICARB d’une surface d’échange de 17 m ², • un ballon tampon de 1 000 litres, • un refroidisseur de liquide à absorption YAZAKI type WFC 15, d’une puissance frigorifique nominale de 52 kWf, • une panoplie de pompes d’alimentation des différents circuits, • une armoire électrique générale de commande, une tour de refroidissement à circuit ouvert d’une puissance de 180 kW, installée en façade nord, trois centrales de traitement d’air (une par niveau) équipées d’un filtre, d’une batterie froide à eau glacée (+ une batterie chaude pour celle du RdC) et d’un ventilateur centrifuge assurant un débit de 25 000 m3/h. Le groupe de production de froid à absorption de 52 kWf 95 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Principe général de l’installation La puissance frigorifique distribuée est comprise entre 25 et 35 kWf, suivant les niveaux. Les centrales fonctionnant en recyclage complet (avec soufflage au travers d’un réseau de gaines et reprise directe) l’écart maximum de température entre la reprise et le soufflage est de l’ordre de 4°C évitant ainsi tout risque de choc thermique. Le circuit primaire (circuit capteurs) est rempli en eau autorisant un fonctionnement entre 60 et 95°C. Principe de fonctionnement de l’installation En réfrigération L’installation est pilotée par un automate type AS1000 Staefa Control System. On peut séparer les trois fonctions de l’installation qui sont : - la récupération de l’énergie solaire, - la production d’eau glacée, - la réfrigération des locaux. > La récupération de l’énergie solaire s’effectue d’une part, lorsque l’intensité solaire est supérieure à 100 W/m² (mise en route du circulateur primaire) et d’autre part, lorsque la température d’arrivée du primaire à l’échangeur est supérieure de 6 à 7°C à la température du ballon tampon (mise en route du circulateur secondaire). Le ballon tampon est maintenu à une température inférieure à 100°C. > La machine à absorption ne se met en service que lorsque les conditions suivantes sont réunies : 96 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 - la température ambiante des 3 niveaux est supérieure à la valeur de consigne: RdC : 22°C R-1 : 17°C R-2 : 15°C - la température du ballon est ≥ 80°C. Lorsque ces conditions sont réunies, les trois circulateurs (générateur, évaporateur, et condenseur) sont mis en route, la production d’eau glacée est assurée (entre 13°C et 7°C). > Le ventilateur de chaque centrale de traitement d’air n’est mis en service que lorsque : - d’une part, la température ambiante l’autorise, - d’autre part, la température d’eau glacée au départ de la machine atteint les valeurs de consigne suivantes: R-2: 11°C R-1: 9°C RdC: 8°C ( ce qui assure une priorité au R-2). La vanne de régulation est pilotée en fonction de la température ambiante et la température de soufflage. Le fonctionnement s’effectue au fil du soleil avec stockage des frigories dans les bouteilles et les parois de la cave. En chauffage Le chauffage du RdC est assuré de novembre à mai en utilisant l’énergie solaire transférée dans le ballon tampon. Le ventilateur de la centrale et le circulateur de chauffage ne se mettent en service que lorsque, d’une part, la température ambiante l’autorise, d’autre part, la température du ballon est supérieure à 30°C. La vanne trois voies est pilotée en fonction de la température ambiante et la température de soufflage. L’installation peut, en intersaison, fonctionner simultanément en réfrigération et en chauffage. Performances énergétiques L’unité de télémesure, initialement prévue pour analyser le comportement du bâtiment et définir les besoins, est désormais utilisée pour suivre les performances de l’installation de climatisation. Elle doit permettre, en outre, d’optimiser son fonctionnement et d’en faciliter l’exploitation. On trouvera ci-dessous quelques relevés typiques du fonctionnement réel: de juin à septembre : - énergie moyenne récupérée sur le - énergie moyenne récupérée sur le - énergie moyenne récupérée sur le - COP de la machine égal à 0,57. de juillet à aout : - énergie moyenne récupérée sur le - énergie moyenne récupérée sur le - énergie moyenne récupérée sur le - COP de la machine égal à 0,58. circuit primaire =298kWh/jour circuit générateur =256kWh/jour circuit évaporateur = 145 kWh/jour circuit primaire = 348 kWh/jour circuit générateur = 308 kWh/jour circuit évaporateur = 179 kWh/jour Les 40 kWh perdus entre le circuit primaire et le générateur sont dûs : - à l’énergie absorbée par le liquide caloporteur et les conduites pour atteindre la température souhaitée (80°C), en phase de démarrage. 97 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 - à toutes les pertes thermiques du circuit, échangeur et bouteille. La température minimale du fluide primaire avant mise en route du chauffage solaire est comprise entre 35 et 55°C, selon les jours. Ces valeurs demandent une énergie de 12 à 23 kWh pour atteindre la température souhaitée de 80°C. L'énergie moyenne récupérée par le fluide du circuit tertiaire sur une journée atteint les valeurs suivantes: - journée pluvieuse = 90 kWh - journée moyenne = 310 kWh - journée ensoleillée = 500 kWh Aspects économiques L’investissement pour cette installation a été de 294 530 €, correspondant à un surcoût de l’ordre de 152 450 € par rapport à une installation classique. L’installation permet une économie au niveau des coûts de fonctionnement de 40 % annuellement. III.3.5 Exemple d’installation (adsorption) : L’usine de cosmétiques SARANTIS à Inofita Viotias en Grèce Présentation générale de l’installation Cette installation est la plus grande installation de climatisation solaire en Europe. Elle possède 2700 m2 de capteurs solaires thermiques plans fournissant l’énergie calorifique nécessaire au fonctionnement de 2 groupes de production d’eau glacée à adsorption (puissance frigorifique totale : 700 kWf) qui assurent 40% de la demande en froid de l’usine (22000 m2). Cette installation a été achevée en 1999. Vue aérienne de l’usine et du champs de capteurs 98 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 L’installation est située dans une zone industrielle à 50 km au Nord-est d’Athènes. La surface totale à climatisée est de 22 000 m2 et son volume de 130 000 m3. L’installation fonctionne 5 jours par semaine. Le système a été conçu pour que la production de froid par l’installation solaire atteigne 40% de la demande totale en froid et que la production de froid conventionnelle (groupe de production d’eau glacée à compression mécanique) atteigne 60%. La particularité de cette installation est qu’elle possède un appoint chaud et un stockage chaud mais également un appoint froid et un stockage froid. Le champs de capteurs de 2700 m2 au total Les 2 groupes à adsorption de 350 kWf chacun Description technique de l’installation Les 2 groupes à adsorption de 350 kWf chacun ont été sélectionnés pour la faible température de la source calorifique (eau chaude solaire) nécessaire à leur fonctionnement : 70 °C permettant ainsi l’utilisation de capteurs solaires thermiques plans moyennant un appoint de chaleur composé de 2 chaudières au fioul de 1200 kW chacun. Ces 2 chaudières au fioul de forte puissance ont été dimensionnées pour pouvoir subvenir également aux besoins de chauffage de l’usine en hiver. L’installation est pourvue d’un ballon de stockage d’eau chaude de 6 m3. En été, l’eau froide fournie aux ventilateurs a une température comprise entre 7°C et 12°C et un débit de 240 m3/h. Le débit total d’air fournie au bâtiment est de 325 000 m3/h avec une température se situant entre 22°C et 26°C (en fonction des conditions extérieures) et une humidité relative de 50%. L’appoint froid est assuré par 3 groupes frigorifiques à compression mécanique de 350 kWf chacun. Le stockage d’eau glacée a une capacité de 60 m3. Performances énergétiques Comme nous l’avons déjà indiqué, la demande de froid est assurée à hauteur de 45% par l’installation solaire (capteurs et groupes à adsorption). L’énergie frigorifique totale fournie par l’installation solaire est de 780 000 kWh/an. En hiver l’énergie calorifique fournie par l’installation solaire nécessaire au chauffage des locaux est de 900 000 kWh/an. L’énergie calorifique totale fournie par l’installation solaire est de 2 200 000 kWh/an. 99 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Aspects économiques L’investissement initial pour l’installation entière (excepté les ventilateurs et les gaines) est de 1 400 000 € HT. Le coût total des capteurs solaire a été de 150 €/m2 installation comprise ce qui représente pour le champs de capteurs 33% du coût total de l’installation. III.4 Bilan des installations en Europe Il y a aujourd’hui en Europe 63 installations de climatisation solaire, toutes technologies confondues. Elles se répartissent comme suit. Surface capteurs (m²) DEC liquide Puissance frigo. (kW) Nombre DEC solide ADSORPTION ABSORPTION 100 Capteurs à concentration Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 DEC solide Adsorption Puissance frigorifique Absorption Capteurs plans DEC liquide Capteurs sous vides Capteurs à air Surface de capteurs Allemagne 25 Grèce 6 Espagne 19 Portugal 3 France 3 101 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 IV ASPECTS ENVIRONNEMENTAUX ET ECONOMIQUES DES DIFFERENTES TECHNOLOGIES DE CLIMATISATION SOLAIRE On peut dire de manière générale et en introduction à cette partie que du point de vue environnemental, il y a évidemment des « gains » et c’est quand même le but de l’opération étant donné que l’on substitue des énergies fossiles par des énergies renouvelables et que les fluides frigorigènes traditionnels sont eux substitués par des fluides inoffensifs. Et d’un point de vue économique, on peut dire sans trop d’hésitation que le seuil de rentabilité est difficilement atteignable aujourd’hui. Nous allons voir qu’il l’est dans certaines configurations. Pour illustrer cette thématique je vais maintenant présenter, une étude qui a été réalisée par le Fraunhofer Institut Solare Energiesysteme qui est l’équivalent du CNRS en Allemagne mis à part que ce département est spécialisé dans le développement de l’énergie solaire et de ses applications. Comparaison technico économique des différentes technologies réalisée par le Fraunhofer Institut Solare Energiesysteme Les résultats qui vont être présentés ci-après sont l’aboutissement de la simulation dont le principe et la démarche sont schématisés ci-dessous. Données d’entrée Logiciels de simulation et de traitement des données Résultats intermédiaires 102 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Données climatiques et besoins de froid des 3 sites étudiés La simulation a été réalisée pour 3 villes situées à des latitudes différentes en Europe. Hypothèses prises pour l’étude comparative Bâtiment : Le bâtiment de référence est un bâtiment de bureau dont la façade vitrée (60% de la surface totale de la façade) est située au Sud. La surface au sol du bâtiment est de 400 m2. Coûts de l’énergie en Allemagne en 1998: Electricité :0.08 US$/kWh Gaz : 0.023 US$/kWh Conditions intérieures : Selon la norme allemande DIN 1946/II Données climatiques : Copenhague/Danemark, Freiburg/Allemagne, Trapani/Sicile 103 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Schéma de principe des installations étudiées Installation de référence Rafraîchissement adiabatique dans le flux d’air de retour permettant ainsi un refroidissement par évaporation indirecte du flux d’air entrant. Batterie froide conventionnelle dans le flux d’air entrant. Installation utilisant un groupe de production d’eau glacée à sorption Dans cette configuration, l’eau glacée produite par le groupe à sorption alimente une batterie froide de centrale de traitement d’air. 104 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Installation de Desiccant cooling pris en compte pour Copenhague et Freiburg Installation de Desiccant cooling pris en compte pour Trapani 105 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Définition des différentes présentées ci-dessus configurations étudiées des installations ABV : Absorption/tubes sous-vides ADV : Adsorption/tubes sous-vides ADF : Adsorption/capteurs plans DCF : Desiccant cooling/capteurs plans DCSA : Desiccant cooling/capteurs plans à air Première série de résultats : Surface spécifique de capteurs Ces premiers résultats de la simulation présentés ici, permettent de voir pour chaque ville étudiée la surface spécifique de capteur en fonction des différentes configurations définies ci-dessus et en fonction de la fraction solaire. Ceci nous amène donc à définir ce qu’est la fraction solaire et la surface spécifique de capteurs. Fraction solaire : la fraction solaire représente la part de la totalité d’énergie calorifique nécessaire au fonctionnement de l’installation assurée par les panneaux solaires. Surface spécifique de capteurs (m2/m2): Cette surface correspond à la surface de capteur par surface au sol climatisée. ABV : Absorption/tubes sous-vides ADV : Adsorption/tubes sous-vides ADF : Adsorption/capteurs plans DCF : Desiccant cooling/capteurs plans DCSA : Desiccant cooling/capteurs plans à air 106 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 De nombreuses observations peuvent être réalisée : Remarque générales - Tout d’abord, on remarque évidement que plus l’ont souhaite une fraction solaire élevée, plus la surface spécifique de capteurs va être élevée. Ceci se vérifie logiquement pour chaque ville et pour chaque systèmes. - Les surfaces spécifiques de capteurs sont équivalentes pour les systèmes ABV et ADV et ce, pour les différentes fractions solaires. En effet, ces 2 systèmes fonctionnent avec des capteurs sous-vides. L’un utilise un groupe à absorption et l’autre un groupe à adsorption, les COP de ces machines, comme nous l’avons vu étant proches, les résultats le sont également. - Cependant, la surface spécifique de capteurs est beaucoup plus importante (et ce pour toutes les FS) pour le 3ème système, que pour les 2 premiers. En effet le système ADF utilise des capteurs plans. Comme nous l’avons vu, ces derniers sont moins cher et moins performants que des capteurs sous-vides. Il faudra donc une surface supérieure pour atteindre le même apport calorifique qu’avec des capteurs sous-vides. - Les 2 DEC étudiés, l’une utilisant des capteurs à air et l’autre des capteurs à eau présentent des résultats équivalents malgré un surface spécifique légèrement supérieure pour la DCSA en raison des performances moins bonnes des capteurs à air que des capteurs à eau. Remarque pour Copenhague - Pour Copenhague, on note de manière générale que toutes les configurations de systèmes ont des surfaces spécifiques de capteurs plus faibles que pour les autres villes. La principale raison à ça, est le fait que les besoins de froid de cette ville sont inférieurs aux autres. Remarques pour Trapani - Pour Trapani, les surfaces spécifiques de capteurs sont pour tous les systèmes beaucoup plus élevées que pour les autres villes. En effet Trapani est la ville présentant les besoins de froid et de déshumidification les plus élevés malgré un ensoleillement plus important. - On remarque, contrairement aux autres villes étudiées que les systèmes DCSA et DCF de Trapani présentent des surfaces spécifiques de capteurs bien plus faibles que les surfaces spécifiques de capteurs des systèmes ABV, ADV, ADF de cette même ville. On peut imputer cela au fait que, contrairement à Freiburg et Copenhague, les DCSA et DCF ont à Trapani une batterie froide conventionnelle d’appoint. Celle ci doit donc assurer une partie importante des besoins de froid et de déshumidification . Ceci ayant pour conséquence de diminuer le besoin d’énergie calorifique d’une manière générale (Solaire + appoint chaud). En effet, quelque soit la fraction solaire, même pour celle de 85%, les surfaces spécifiques restent faibles. Je rappelle que la fraction solaire représente la part de la totalité d’énergie calorifique nécessaire au fonctionnement de l’installation assurée par les panneaux solaires. Donc l’utilisation d’un appoint froid diminuera la nécessité d’énergie calorifique donc même avec une FS de 100% la surface spécifique de capteur sera inférieure à une même installation sans appoint froid. 107 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Remarques pour Freiburg - Pour Freiburg, on note de manière générale que toutes les configurations de systèmes ont des surfaces spécifiques de capteurs qui se situent entre celles de Copenhague et de Trapani. La principale raison à ça, est le fait que les besoins de froid et de déshumidification de cette ville se situent entre ceux des autres villes, de même pour l’ensoleillement. Seconde série de résultats : Consommation énergétique Cette série de résultats permet d’observer la consommation d’énergie primaire des différents systèmes en fonction des différentes configurations définies ci-dessus en et en fonction de la fraction solaire. La consommation de l’installation de référence est représentée par le trait horizontal situé à 100%. ABV : Absorption/tubes sous-vides ADV : Adsorption/tubes sous-vides ADF : Adsorption/capteurs plans DCF : Desiccant cooling/capteurs plans DCSA : Desiccant cooling/capteurs plans à air Remarques générales - 108 On remarque que pour toutes les villes et tous les systèmes, lorsque la fraction solaire est nulle, c’est à dire que lorsque la totalité de l’énergie calorifique nécessaire au fonctionnement du système est assurée par l’appoint au gaz, alors Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 la consommation d’énergie primaire est supérieure au système de référence défini plus haut. Ceci est du au fait que d’un point de vu énergétique, les groupes à adsorption, à absorption et les DEC sont moins performants que les groupe à compression mécanique. En effet, comme nous l’avons vu, les COP de ces machines sont inférieurs à 1 alors que le COP d’une machine à compression mécanique est de 2-3. Il faut donc, une certaine fraction solaire minimum pour commencer à compenser les performances énergétiques médiocres (par rapport à la compression mécanique de référence) des technologies utilisées en climatisation solaire et ainsi observer des gains énergétiques et des consommations d’énergies primaires inférieures au système de référence. Ceci étant quand même le but principal d’utiliser l’énergie solaire à des fins de climatisation. On note d’ailleurs, que pour plusieurs configurations et pour plusieurs villes, même une fraction solaire de 30% voir de 50% ne suffit pas à obtenir une consommation d’énergie primaire inférieure au système de référence. - On note également, que lorsque la fraction solaire augmente, logiquement consommation d’énergie primaire diminue. la Remarques pour Copenhague et Freiburg - Pour Copenhague comme pour Freiburg, les résultats sont très similaires. On remarque que la consommation d’énergie primaire des DEC est toujours légèrement supérieure à celle des groupe à adsorption et à absorption. Ceci impose aux système DEC d’avoir des fractions solaires supérieures pour pouvoir observer une diminution de la consommation d’énergie primaire intéressante. Remarques pour Trapani - En ce qui concerne les groupes à adsorption et à absorption, les consommation énergétiques sont supérieures aux 2 autres villes pour de faibles fractions solaires et elles sont équivalentes voir inférieures pour des fractions solaires supérieures. - On observe à Trapani, contrairement aux autres villes, que la consommation en énergie primaire des DCF et DCSA est inférieure à celle des groupes à sorption alors qu’à Freiburg et à Copenhague, elles avaient tendance à être supérieures. Ceci est dû à la spécificité des 2 systèmes de DEC à Trapani dans lesquels un appoint froid qui est une batterie froide conventionnelle et placée dans le flux d’air entrant. C’est à dire qu’une partie de la charge de froid est assurée par le desiccant cooling « classique » et une partie est assurée par cette batterie froide à compression mécanique qui à un COP bien supérieur à celui du fonctionnement en desiccant cooling « classique ». Ce qui fait qu’au final la quantité d’énergie primaire nécessaire au rafraîchissement est inférieure à une DEC classique devant assurer la totalité du rafraîchissement. Troisième série de résultats : Temps d’amortissement Cette série de résultats permet d’observer le temps d’amortissement des différents systèmes en fonction des différentes configurations définies ci-dessus en et en fonction de la fraction solaire. 109 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 ABV : Absorption/tubes sous-vides ADV : Adsorption/tubes sous-vides ADF : Adsorption/capteurs plans DCF : Desiccant cooling/capteurs plans DCSA : Desiccant cooling/capteurs plans à air Remarques générales - On note de manière générale, que le temps d’amortissement pour les systèmes utilisant des groupes à adsorption est plus long que celui pour les systèmes utilisant de groupes à absorption. Ceci rejoint la remarque faite plus haut qui disait que le marché des groupes à adsorption était restreint et que donc leur coût était beaucoup plus élevé que celui des groupes à absorption (qui reste lui, tout de même important). Cette remarque reste valable même dans la configuration de système ADF où le groupe à adsorption utilise des capteurs plans à eau, beaucoup moins chers que les capteurs sous-vide. Beaucoup moins cher mais moins performants, donc nécessitant une surface spécifique plus grande comme nous l’avons vu précédemment. Ceci compensant cela, le temps d’amortissement reste tout de même plus élevé que pour la configuration ABV mais un peu plus court que pour la configuration ADV. - On note également que pour toutes les configurations et pour toutes les villes (mis à part l’ADF pour Trapani), plus la fraction solaire est élevée, plus le temps d’amortissement est long. Ceci voulant dire que l’augmentation de la fraction solaire impliquant la diminution de la consommation d’énergie primaire et la diminution des coûts de fonctionnement ne permet jamais de diminuer le temps d’amortissement en compensant immédiatement le surcoût des capteurs. Il y a cependant une exception, à Trapani avec la configuration ADF. - Il faut signaler également que les histogrammes de cette série de résultats (Temps d’amortissement) se trouvent exactement inversés par rapport aux 110 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 histogrammes de la série de résultats précédents (Consommation énergétique). Je cherche à dire par là, en tenant compte de la remarque précédente, que plus la fraction solaire est grande, c’est à dire moins l’on consomme d’énergie primaire et donc moins l’on pollue, plus le temps de retour est long et la viabilité économique difficile. Ceci est dû aujourd’hui à l’état du marché, au coût important de ces systèmes et au coût relativement bas des énergies fossiles. C’est à dire qu’à l’heure actuelle plus l’on veut diminuer sa consommation d’énergie primaire lors du fonctionnement de l’installation plus ça coûte cher à l’investissement. Autrement dit, et hélas, nous sommes encore loin du jour où diminuer sa consommation d’énergie sera synonyme de gains financier immédiat. Il faut bien être conscient de ça et ne pas chercher aujourd’hui, à aboutir à une viabilité économique à tout prix. En effet, en prenant par exemple une fraction solaire de 30% (on peut alors parler de climatisation solaire) pour le système DCF à Copenhague, , on observe que le temps d’amortissement est de 10 ans donc « viabilité économique » mais lorsque l’on regarde la consommation d’énergie primaire, elle est supérieure à celle du système conventionnelle de référence. Il faut donc bien faire attention dans la recherche de « viabilité économique » de ne pas aboutir à de telles aberrations. Aujourd’hui, la climatisation solaire ne permet pas de gagner de l’argent et il faut la replacer dans sa problématique générale présentée en première partie de ce rapport. C’est à dire limiter la consommation d’énergie et donc de manière directe et indirecte l’impact sur l’environnement du rafraîchissement des bâtiments. - Cependant on note de manière très intéressante, qu’à Trapani, ville qui présente d’importants besoins de froid mais aussi un fort ensoleillement, le temps d’amortissement sans subvention des systèmes DEC sont inférieurs à 10 ans, c’est à dire que se sont des systèmes économiquement viables et ces derniers permettent pour une Fraction solaire de 85% d’obtenir une diminution de la consommation d’énergie primaire de 50% par rapport au système conventionnel de référence. C’est à dire que déjà aujourd’hui, alors que nous en sommes aux « balbutiement de la filière » on peut trouver des configurations qui sous certaines latitudes permettent de réduire de manière importante les consommations d ‘énergie par rapport à un système conventionnelle tout en présentant une viabilité économique certaine. C’est en fait par le jeu des COP et des compromis entre appoint chaud et froid que de tels résultats sont aujourd’hui possible. Dans les 3 séries de résultat la spécificité des installations de DEC de Trapani se sont fait remarquées. Et au final, le fait de partager la charge de froid entre un système utilisant une source d’énergie gratuite et propre mais avec un rendement énergétique relativement mauvais (Desiccant cooling « classique ») et un système utilisant de l’énergie primaire polluante et payante mais avec un COP très supérieur permet d’obtenir un compromis tout à fait intéressant, dans l’état actuel de la filière. Quelques ratios de prix Comme nous venons de le voir dans cette partie, il est difficile de définir des ratios de prix lorsque l’on parle de climatisation solaire. Plusieurs raisons à ça :d’abord, le nombre de paramètres rentrant en jeux (diversité des techniques, données climatiques, caractéristiques du bâtiment, neuf, existant, tarif des énergies conventionnelles…) est très important. A ça s’ajoute le fait que les technologies sont naissantes et récentes. Il n’existe encore pas réellement de standard et aucune réponse technologique définitive ne semble encore être arrêtée. Et ce, que ce soit au niveau des 3 grandes techniques mais aussi à l’intérieur de celles ci, au niveau des configurations : stratégie, fraction solaire, appoint chaud, appoint froid … 111 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Tous ces paramètres et la variabilité de ces derniers font que des ratios de prix sont difficilement identifiables. Malgré cela, on peut s’aventurer à donner des fourchettes de prix, en l’occurrence pour les climatisation à absorption. Cette technique étant la plus développée et présentant le plus de réalisations en Europe, on possède une meilleure idée des coûts que pour les autres techniques. Les coûts en Europe, vont de 2300€/kWf à 5900€/kWf. Cette large fourchette de prix est donc due aux raisons citées plus haut. Cependant les installations les plus récentes ont des coûts tendant vers une valeur de 2500€/kWf à 3500€/kWf. Pour les climatisations à adsorption, on a des coûts semblables, le surcoût du groupe à adsorption par rapport au groupe à absorption étant compensé par le fait que l’on utilise des capteurs plans. Comme on l’a vu, la gigantesque installation de Inofita Viotias en Grèce, de part l’économie d’échelle , présente un coût de 1900€/kWf. On a également des exemples à 5000€/kWf (Hôpital de Freiburg en Allemagne). En ce qui concerne les DEC, on peut définir un ratio par kWf mais également par débit volumique nominal d’air traité. On peut citer l’exemple de l’IHK de Freiburg ou l’installation revient à 3961 €/kWf ou encore à 20,6 € par m3/H de débit volumique nominal d’air traité. V PROGRAMMES DE DEVELOPPEMENT ET DE PROMOTION INTERNATIONAUX Je vais présenter dans cette partie les principaux programmes de développement de la climatisation solaire en cours de déroulement. V.1 Le projet CLIMASOL Objectifs L’objectif de ce projet est de réduire la quantité globale d’énergie classique (électricité ou gaz) consommée pour la climatisation des bâtiments. Ceci passe en premier lieu par la prise de conscience des maîtres d’ouvrage de la nécessité de réduire les besoins en froid en particulier par l’utilisation des techniques passives de maîtrise des températures. Ce n’est qu’à partir des besoins incompressibles de climatisation que nous chercherons à développer l’utilisation de l’énergie solaire. Les immeubles actuellement construits dans le secteur tertiaire étant presque tous équipés de climatisation, ils constitueront la cible privilégiée de ce projet. Par rapport aux projets internationaux précédents (Tâche 25, SACE…), très axés sur la R&D et la mise au point d’outils techniques de dimensionnement, CLIMASOL se positionne plutôt dans le domaine de la promotion, de la diffusion du savoir-faire sur ces techniques. Le projet CLIMASOL vise donc, pour les bâtiments tertiaires (neufs ou à rénover) : • à promouvoir une approche intégrée pour la demande de rafraîchissement • à favoriser l’utilisation des techniques passives de maîtrise des températures avant toute climatisation, même solaire • à diffuser le savoir-faire concernant ces techniques auprès d’un public ciblé : propriétaires et gestionnaires de bâtiments, ingénieurs, bureaux d’études • à démystifier la climatisation solaire par des messages simples 112 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 • à présenter et diffuser des réalisations concrètes performantes • à donner des arguments convaincants pour la réalisation d’installations de climatisation solaire Le contenu Le projet CLIMASOL comporte 5 phases (work package) : 1/ 2/ 3/ 4/ 5/ ETAT DES LIEUX DE LA CLIMATISATION SOLAIRE REALISATION D’ETUDES DE FAISABILITE EDITION D’UNE BROCHURE FORMATIONS ET COLLOQUES DIFFUSION Etat des lieux de la climatisation solaire • Les différentes techniques de rafraîchissement passif des locaux : inventaire, description, • Inventaire et description des techniques actives de climatisation solaire, disponibles au stade de la commercialisation • Recensement et description des installations de climatisation solaire en fonctionnement. Réalisation d’études de faisabilité • Choix de maîtres d’ouvrage motivés par une éventuelle réalisation d’une climatisation solaire et pour lesquels les projets s’y prêtent • Réalisation de 3 études de faisabilité dans chaque pays • Réalisation d’un guide pour les études de faisabilité à destination des bureaux d’études L’objectif est de déboucher sur 2 nouvelles réalisations concrètes par pays, servant de vitrine à la climatisation solaire. Edition d’une brochure • Brochure destinée à exposer aux maîtres d’ouvrages et professionnels du bâtiment ce qu’il est possible de faire en matière de climatisation avec l’énergie solaire. • Présentation des techniques passives, semi-actives et solaires de maîtrise des températures d’été • 1 ou 2 installations exemplaires par pays. • 30 pages environ, 2000 copies dans chaque pays Formation • Formation pour des bureaux d’études sur les techniques de climatisation solaire. • 1 session de formation dans chaque pays, pour 15 à 20 consultants. • Utilisation du guide pour les études de faisabilité (WP2) comme base de cette formation. Diffusion • Colloque proposé aux professionnels du bâtiment et aux collectivités locales. • Résultats du projet disponibles sur Internet dans des sites nationaux reliés entre eux. • Diffusion ciblée de la plaquette et du guide sur les études de faisabilité 113 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 L'échéancier Le projet s’étend sur une durée de 24 mois. V.2 La Tâche 25 du programme SHC (Solar Heating and Cooling) de l’Agence Internationale de l’Energie Objectifs Le principal objectif de la tache 25 est d’améliorer les conditions d’entrée sur le marché des systèmes de climatisation solaire et ce, dans le but de diminuer la consommation d’énergie primaire consacrée à la climatisation ainsi que de limiter les pics de demande en électricité. Les objectifs intermédiaires seront alors les suivants : • • • • La définition des critères de performance des climatisations solaires en considérant le gain énergétique et le coût économique L’identification et les développements à venir des systèmes de climatisation solaire prometteuses L’optimisation de l’intégration des systèmes de climatisation solaire dans les bâtiments ainsi qu’une optimisation du rapport énergie primaire économisée/surcoût La création d’outils de conception et de dimensionnement à destination des architectes et des ingénieurs Les principaux résultats des ces sous-taches seront : • • • 114 Un ouvrage traitant de la climatisation solaire (description des composants, description des différents systèmes, principes de prédimensionnement) Un ouvrage présentant différents exemples de réalisations Un outil informatique de conception Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Le contenu La tache 25 comprend 4 sous-taches : Sous-tache A (Mexique) : Faire un état de l’art de la climatisation solaire Sous-tache B (Allemagne) : Développer des outils de conception et d’optimisation des systèmes de climatisation solaire Sous-tache C : Réaliser une étude de marché et définir les matériels les plus adaptés ainsi que leurs bénéfices environnementaux Sous-tache D (France) : Emmagasiner de l’expérience par le suivi de plusieurs installations en Europe L'échéancier Le programme a démarré en 1999 pour une durée de 5 ans et se termine donc en 2004. V.3 Le programme Européen SACE (Solar Air Conditioning in Europe) Les objectifs Réaliser un état de l’art concernant les systèmes de climatisation solaire en Europe permettant le rafraîchissement et la déshumidification et utilisant des technologies faisant appel à une source de chaleur « basse température ». Estimer le potentiel de ces technologies à utiliser l’eau chaude solaire pour leur fonctionnement ; Evaluer les points forts et les points faibles de ces technologies vis à vis de leurs performances énergétiques, de leur impact environnemental et de leur viabilité économique ; Identifier les besoins futurs et les actions nécessaires dans le but de mieux exploiter le potentiel des technologies. Contribuer à l’avancée des technologies prometteuses dans le but de favoriser leur introduction sur le marché. L’échéancier La durée du programme était de 18 mois et ce dernier a pris fin en août 2003 115 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 CONCLUSION La climatisation solaire se trouve aujourd’hui à une période charnière de son développement. En effet les réalisations à venir ne seront plus à caractère expérimental et pilote, c’est à dire fortement instrumentées et devant faire leurs preuves, mais seront des réalisations exemplaires, de démonstration et de promotion de la filière. On ressent d’ailleurs ce tournant dans l’évolution de la nature des programmes européens qui sont de plus en plus, à l’image du programme CLIMASOL, tournés vers la promotion de la climatisation solaire auprès de maîtres d’ouvrages, la formation des bureaux d’études … et non plus tournés vers le développement technologique comme c’est par exemple le cas des programmes SACE ou de la tâche 25 de l’IEA . Cette étape qui commence aujourd’hui n’est pas non plus une étape de développement de masse des réalisations, c’est à dire quantitative mais plutôt qualitative. En effet, même si, comme je l’ai dit, les projets qui vont sortir ne sont plus de type expérimentaux mais de type démonstratifs et exemplaires, ils ne doivent absolument pas être des contres exemples. En effet ceci, dans une filière naissante serai un coup d’arrêt très néfaste. La problématique des « contre exemples » est une problématique récurrente et fondamentale d’une manière général dans le monde des énergies renouvelables mais également pour toute technologie émergente. De plus, la viabilité économique de tels systèmes est très relative et dans la majorité des cas, inatteignable aujourd’hui au vu des coûts élevés des équipements et des coûts très bas des énergies conventionnelles. L’évolution de ces 2 variables vont pour la climatisation solaire comme pour toutes les énergies renouvelables, déterminer et conditionner leur développement future. Il serai très restrictif d’extrapoler le développement des énergies renouvelables et donc de la climatisation solaire sur le seul aspect économique, même si aujourd’hui c’est celui qui prime et celui qui est mis en avant. Il faut quand même rappeler que l’objectif premier et fondamental d’utiliser des sources d’énergies propres n’est pas de générer des revenus financiers mais de préserver notre environnement. Aujourd’hui, c’est le facteur économique et financier qui semble être le plus important aux yeux de la population. Il faut espérer que dans les années à venir il y ait une véritable prise de conscience générale et que les énergies renouvelables ne soient pas et plus abordées seulement sous l’aspect économique, mais sous l’aspect écologique nous permettant ainsi de comprendre que l’utilisation de ces énergies propres n’est pas seulement un « placement financier » ou une source de revenu mais une chance que l’on se donne de préserver notre Planète. C’est de cette manière que leur développement sera, le plus accompli, le plus mûri ,le plus intégré et donc le plus efficace. 116 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 Rémi CHEILAN 5ème année Génie-Civil Spécialité Ingénierie du bâtiment Promotion 2001-2004 ECOLE NATIONALE D’INGENIEURS DE SAINT-ETIENNE 58 rue Jean Parot-42023 St-Etienne cedex 2 Rapport de Projet de fin d’Etudes Du 2 février 2004 au 18 juin 2004 ANNEXES - L’appel négaWatt Le manifest négaWatt Le scénario négaWatt Fiche de synthèse Le confort thermique Fiche de synthèse Comment produit on de froid Fiche de synthèse Production de froid par absorption Fiche de synthèse Production de froid par adsorption Fiche de synthèse Le rafraîchissement évaporatif potentialisé par Dessiccation - Présentation « froid solaire » réalisée à l’INSA - Présentation « Climatisation solaire » réalisée à l’équipe d’Hespul Structure d’accueil 114 boulevard du 11 novembre 69100 Villeurbanne Tél : 04 37 47 80 90 - Fax : 04 37 47 80 99 Mél : [email protected] - Site : www.hespul.org MEMBRES DU JURY : Professeur responsable : M.Viennet Maître de stage structure d’accueil: M.Laurencin Ingénieur neutre : M.Perrin 117
