Le froid solaire par dessiccation appliqué au bâtiment : proposition d

Chapitre 1: Généralités et état de l’art à propos de la climatisation solaire
1. Généralités et état de l’art à propos de
la climatisation solaire
1.1 Enjeux de la climatisation solaire
1.2 Vue d'ensemble des technologies de production de froid solaire
1.3 Comparaison des techniques de climatisation solaire
commerciales
1.4 Conclusion
1.1 Enjeux de la climatisation solaire
1.1.1 Enjeux énergétiques de la climatisation de l'habitat
La première crise pétrolière du début des années 1970 a totalement modifié le
rapport des pays occidentaux avec l'énergie. L'énergie, abondante et bon marché,
est devenue un bien rare et cher. Les efforts ont été concentrés, d'une part sur la
baisse du coût de l'énergie, et d'autre part sur la réduction de la consommation
énergétique. Ensuite les préoccupations environnementales, ainsi que la prise de
conscience du caractère fini des énergies fossiles ont pris une part croissante dans
la gestion énergétique mondiale. Le réchauffement climatique global, dû aux
émissions de gaz à effet de serre, et plus particulièrement au CO2 provenant de la
combustion des énergies fossiles est un fait établi et étudié par la communauté
scientifique [GIEC,01]. La raréfaction des ressources mondiales en énergie fossile,
bien que la date de la fin du pétrole ne soit pas l'objet d'un consensus, est un
phénomène qui va nécessairement favoriser la hausse du coût de l'énergie. Ces
deux facteurs obligent à repenser l'utilisation et la production de l'énergie.
Le bâtiment (secteurs résidentiel et tertiaire) représente pour l'année 2006
43.6 % de la consommation énergétique finale française. Cette proportion est restée
stable depuis 1973 malgré la mise en place progressive de réglementations
thermiques de plus en plus strictes, conséquences des chocs pétroliers successifs
ayant entraîné un vaste mouvement de recherche de la sobriété énergétique. Les
efforts de réduction de la consommation ont d'abord porté sur l'amélioration du
bâti, et donc sur la réduction des besoins hivernaux. Les solutions préconisées ont
mené à augmenter l'imperméabilité et l'isolation des bâtiments. En parallèle
l'évolution de l'architecture a favorisé la construction de bâtiments faiblement
inertes, plus ouverts sur l'extérieur avec de larges baies vitrées. Les gains solaires
passifs sont donc améliorés, réduisant d'autant les consommations de chauffage.
Dès lors une nouvelle problématique est apparue : La conjonction d'une forte
isolation, d'une faible inertie et de larges ouvertures sur les orientations les plus
ensoleillées mènent à une surchauffe estivale que les usagers ne tolèrent pas.
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Le recours à la climatisation s'est donc massifié, avec par exemple une
hausse de 500% (comprenant les simples remplacements) de la surface climatisée
en Europe entre les années 1980 et 2000 [CENERG,07]. Les projections réalisées
par [ADNOT,03] indiquent que cette tendance se confirme dans les années à venir,
avec une hausse estimée entre 2005 et 2020 de plus de 50 % en Europe. En ce qui
concerne le secteur tertiaire (pour la France), la consommation d'énergie pour la
climatisation est estimée à 12 TWh soit 5.5% de la consommation énergétique
totale. Le taux de climatisation des constructions neuves a doublé entre 1994 et
2004, il est évalué à 43%1. En résumé, même si la part de la climatisation dans la
consommation énergétique globale des bâtiments est faible, c'est un poste qui ne
cesse d'augmenter, c'est pourquoi, dans l'optique de la diminution de l'empreinte
écologique des bâtiments, il est nécessaire de limiter l'énergie consommée pour la
climatisation.
La hausse croissante des exigences des usagers vis-à-vis du confort
thermique; liée au probable dérèglement climatique à venir est l'un des enjeux de la
recherche énergétique dans le domaine du bâtiment. La saison estivale ne peut plus
être ignorée lors de l'étude thermique d'un bâtiment. Il est nécessaire de prendre en
compte à la fois les besoins en chauffage et la limitation de la surchauffe en été.
Citons quelques dispositifs permettant de limiter la surchauffe estivale sans utiliser
de climatiseur:
• Protections solaires extérieures
• Vitrages performants
• Ventilation nocturne couplée à une inertie adaptée
• Limitation des charges internes par l'utilisation de matériel électrique
performant
• Evapo-transpiration des végétaux
• Masques lointains
Pour de nombreux bâtiments, il arrive que malgré toutes ces précautions, la
surchauffe estivale reste inacceptable. Cela peut être dû à des charges climatiques
ou à des charges internes (postes informatiques, salle à forte occupation) trop
importantes, ou encore à une architecture défavorable (façades entièrement vitrées).
Dans ce cas, la climatisation demeure la solution pour rafraîchir le bâtiment. Afin
de limiter la demande en énergie pour les applications de climatisation, il est alors
nécessaire de développer des techniques alternatives aux machines frigorifiques
visant à réduire la consommation énergétique de ce poste et favorables à
l'environnement. L'utilisation de l'énergie solaire est donc une voie de
développement particulièrement séduisante, comme nous le montrerons au §1.2 et
1.3. Avant d'étudier les différentes technologies disponibles pour cette application,
il est nécessaire de définir plus précisément la climatisation d'un bâtiment et les
concepts thermodynamiques relatifs à la production de froid.
1 Chiffres issus d'études internes à EDF R&D
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1.1.2 Généralités thermodynamiques sur la production de froid
La climatisation est l'action de maîtriser de façon volontaire la température et/ou
l'humidité d'un volume d'air afin de satisfaire le confort thermique des utilisateurs.
Cela implique donc le chauffage et/ou le refroidissement de la masse d'air d'un
local tout au long de l'année. A l'usage le terme climatisation indique plus
spécifiquement le fait de refroidir un local pendant la période estivale jusqu'à
obtenir une température de consigne (et éventuellement une humidité relative)
définie.
Il est également nécessaire de préciser la notion de "rafraîchissement" d'un
local. Lorsque le but de l'équipement n'est pas de maintenir une température de
consigne fixe, mais simplement de limiter la hausse de température, même si celle-
ci dérive en cas de forte chaleur, on parle de "rafraîchissement". Cela implique des
différences dans la conception, le dimensionnement et la régulation du système.
Le refroidissement d'un local consiste à enlever de la chaleur (chaleur utile)
de ce dernier appelé alors la source froide et en évacuer (chaleur rejetée) à
l'extérieur (le puits chaud) afin d'abaisser la température du local. Ainsi, le "froid"
n'est pas une grandeur au sens de la chaleur. Cependant, dans la suite de ce
document, on utilisera l'expression "production de froid". Il faudra donc bien
entendu comprendre l'action de transférer la chaleur de la source froide au puits
chaud.
Ce processus est réalisé par un procédé thermodynamique qui consomme de
l'énergie pour satisfaire le deuxième principe de la thermodynamique qui indique
que la chaleur ne passe pas spontanément d'un corps froid vers un corps chaud.
Cette énergie peut être sous diverses formes (travail mécanique, chaleur, électricité,
magnétisme…)
Figure 1.1: Procédé thermodynamique de refroidissement d'un bâtiment
Ce procédé thermodynamique est caractérisé par une efficacité, qui dépend
des températures 3 des sources:
• La source froide, caractérisée par TFR, température à laquelle le froid
est produit
• La source chaude caractérisée par TCH, température de la source
d'énergie motrice
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• La source intermédiaire, caractérisée par TM, la température à
laquelle s'effectue le rejet de chaleur.
Cette efficacité est appelée le coefficient de performance (COP) et est définie
comme le rapport de la chaleur utile produite par la chaleur motrice utilisée. Dans
le cas d'un processus idéal tritherme, c'est-à-dire dans lequel aucune irréversibilité
n'intervient, l'écriture du coefficient de performance, alors appelé COP de Carnot
(COPC), est la suivante pour un processus tritherme (les températures sont
exprimées en Kelvin):
,
1
1
D
IT
M
CH
ca TRI c C
M
FR
T
T
COP COP
T
T
η
−
==⋅
−+
(1.1)
Cette expression fait apparaître le produit du rendement d'un moteur de
Carnot ηc fonctionnant entre TM et TCH et du coefficient de performance
(COPC(DIT)) idéal d'un générateur produisant du froid à la température TF et rejetant
de la chaleur à la température TM. Cette équation montre également l’influence des
températures des 3 sources sur le COP idéal:
• Plus la température de la source chaude est élevée, plus le COPC,TRI
est élevé (cf. Figure 1.2)
• Plus la température de la source froide est basse, plus le COPC,TRI sera
faible
• Plus la température de la source intermédiaire sera élevée, meilleur
sera le COPCa,TRI
Figure 1.2: Valeur du COPC,TRI en fonction de la température de source chaude pour un procédé
frigorifique tritherme
Si l'on prend la limite du COPC,TRI avec les mêmes température de source
(TFR=8°C et TM=28°C), sauf TH qui tend vers l'infini, on a la valeur du COPC pour
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un générateur idéal ditherme. Cette valeur, ne dépendant alors plus que de TH et TF
(l'énergie motrice est un travail mécanique, c'est le cas des systèmes frigorifiques
par compression) est égal à 14.05. Elle est très supérieure à celles obtenues pour la
machine tritherme.
D'un point de vue thermodynamique, l'utilisation d'un processus tritherme par
rapport à un processus ditherme (avec fourniture d'énergie mécanique) est donc
pénalisante, leur efficacité est inférieure.
En réalité, les COP thermiques obtenus sont très en dessous des valeurs du
COP de Carnot, les processus employés étant fortement irréversibles. Le
Coefficient de Performance thermique (COPth) caractérisant les machines
trithermes ainsi que le Coefficient de Performance conventionnel (COPconv)
caractérisant les compresseurs sont donc définis en fonction des puissances
développées, et non des températures des sources.
froid
th chaud
froid
conv elec
P
COP P
P
COP P
=
=
(1.2)
Afin de comparer ces deux valeurs, il est nécessaire d'introduire la notion de
l'énergie primaire, qui est l'ensemble des produits énergétiques non transformés,
exploités directement ou importés. Ce sont principalement le pétrole brut, les
schistes bitumineux, le gaz naturel, les combustibles minéraux solides, la biomasse,
le rayonnement solaire, l'énergie hydraulique, l'énergie du vent, la géothermie et
l'énergie tirée de la fission de l'uranium1. La valeur en énergie primaire d'un kWh
électrique est donc spécifique à chaque pays suivant la répartition des moyens de
production électriques. Pour la France, l'Agence De l'Environnement et de la
Maîtrise de l'Energie (ADEME) établi le coefficient de conversion à 2,58 pour
l'électricité et 1 pour le gaz [ADEME,05].
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Fraction de l'apport gratuit (-)
kWh
primaire
/ kWh
froid
COPth=0.6
COPth=0.8
COPth=1.0
COPth=1.2
COP
conv
=2.5
COP
conv
=4.0
Figure 1.3 : Rapport entre l'énergie primaire utilisée et l'énergie frigorifique produite en fonction
du rapport entrée l'énergie gratuite et l'énergie fossile utilisée
1 Définition donnée par l'INSEE (http://www.insee.fr/fr/nom_def_met/definitions/html/energie-
primaire.htm)
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