Le refroidissement solaire est une technologie qui permet de produire un refroidissement à partir d'une source de chaleur.
Comment cela est-il possible ? Eh bien, les systèmes sont constitués de panneaux solaires thermiques auxquels est associée une machine frigorifique, de sorte qu'ils peuvent également être utilisés pour le refroidissement en été.
La machine frigorifique produit de l'air ou de l'eau froide qui est amené aux différentes zones du bâtiment par un système de conduits.
Technologies de refroidissement solaire
Il existe deux technologies différentes pour le refroidissement solaire, qui se distinguent par la manière dont le froid est produit et distribué :
Les premiers sont fabriqués avec des machines de réfrigération à absorption. Ceux-ci refroidissent l'eau à une température de 7 degrés à partir de températures de 80 - 100 degrés.
L'eau refroidie est ensuite acheminée par un système de tuyauterie jusqu'aux terminaux (généralement des ventilo-convecteurs) d'où elle est ensuite distribuée dans les différentes pièces. Ces systèmes peuvent être utilisés aussi bien avec l'air qu'avec l'eau.
Les systèmes à cycle ouvert sont une technologie plus innovante et sont utilisés avec des systèmes DEC qui combinent déshumidification et refroidissement par évaporation.
L'air provenant de l'extérieur est d'abord déshumidifié, puis refroidi. La chaleur produite par les panneaux est utilisée pour effectuer le cycle de déshumidification.
Ces systèmes conviennent en fait aux grands bâtiments où, en plus du refroidissement, il est important de déshumidifier les pièces.
Les avantages du refroidissement solaire
Le refroidissement solaire tire parti du fait que les heures où le refroidissement est le plus nécessaire, c'est-à-dire les jours d'été, sont également celles où le rayonnement solaire est le plus intense.
C'est l'époque où la demande d'électricité est la plus forte. L'un des avantages du refroidissement solaire est précisément de contribuer à la réduction de la demande d'énergie du service national de l'électricité.
Un autre avantage pour ceux qui installent ce type de système est évidemment l'économie économique et énergétique, avec la réduction simultanée des émissions nocives dans l'atmosphère.
Un autre avantage est la possibilité d'utiliser toute l'eau chaude produite par les systèmes solaires, même en été.
Limites du refroidissement solaire
Les coûts d'une machine de réfrigération sont encore assez élevés, c'est pourquoi un tel système n'est recommandé que comme système centralisé.
En outre, afin d'obtenir un avantage réel pour amortir efficacement les coûts du système, il est conseillé de l'utiliser dans le cas de grands systèmes combinés.
Les systèmes combinés sont ceux qui visent à produire simultanément de l'eau chaude et à chauffer l'environnement.
Normalement, une grande quantité d'eau chaude est gaspillée pendant la saison estivale, alors que dans ce cas, elle peut être récupérée.
À ce jour, il s'agit donc d'une technologie encore jeune qui n'est diffusée qu'à un niveau expérimental.
Le marché pourra se développer lorsque vous serez en mesure de produire des machines frigorifiques au coût le plus compétitif, d'une puissance inférieure à 20 kW et avec des rendements qui ne nécessitent pas une grande consommation d'énergie.
Dans un pays comme le nôtre, avec des étés très chauds et un rayonnement solaire considérable, cela pourrait être une solution très avantageuse.
Inconvénients de la climatisation solaire
Ces systèmes ne fonctionnent pas la nuit, ils sont donc plutôt conseillés pour le tertiaire (bureaux, administrations). Pour la maison, on se dirigera vers le bioclimatique (et donc pas besoin de climatisation).
Ces technologies sont encore en phase de développement et donc encore chères à installer.
La climatisation solaire par absorption
La climatisation solaire à « absorption » est une des techniques les plus utilisées pour le moment. Technologie encore jeune, elle ne présente cependant pas de difficultés à mettre en œuvre. Le principe est déjà largement utilisé dans nos réfrigérateurs à compression, il est simplement décliné pour le solaire.
La seule contrainte que ce système impose, c’est de choisir des capteurs à tubes sous vide, ayant une bien meilleure inertie thermique que les capteurs plans.
Principe de fonctionnement
Comme dans les réfrigérateurs à compression, un réfrigérant s’évapore à basse température et à basse pression.
Le réfrigérant soustrait de la chaleur et produit ainsi l’effet frigorifique souhaité. La climatisation solaire à « absorption » utilise l’énergie thermique du soleil dans un dispositif à circuit fermé qui utilise comme particularité de produire de l’eau froide.
Ce procédé utilise un moyen de sorption liquide, de l’eau à laquelle a été ajouté du bromure de lithium ou de l’ammoniac. Il permet d’atteindre des puissances disponibles de 35 à 5 000 kW.
Mode de fonctionnement du cycle réfrigérant et du cycle solvant
Le processus se compose donc de deux cycles liés entre eux : le cycle réfrigérant et le cycle solvant. Le réfrigérant à l’état gazeux venant de l’évaporateur est absorbé dans l’absorbeur par le solvant. La solution liquide est, à partir de ce moment, riche en réfrigérant. Elle est portée à un niveau de pression plus élevée par une pompe dans le bouilleur.
Ici, le réfrigérant est « chassé », par un apport de chaleur venant des capteurs solaires, jusqu’au condenseur, puis il est détendu et amené à nouveau dans l’évaporateur.
De cette façon le cycle réfrigérant est bouclé. La solution, pauvre en réfrigérant (puisqu’il a été chassé vers le condenseur), quitte le bouilleur, passe par un restricteur et s’écoule dans l’absorbeur, pour capter à nouveau la vapeur du réfrigérant revenue à l’évaporateur. De cette façon le cycle du solvant est bouclé.
Le cycle solvant est basé sur le décalage provoqué dans les équilibres thermiques d’une combinaison de deux matières, lors de conditions de pression et de température différentes. La production de chaleur de l’absorbeur et du condenseur est évacuée par une tour de réfrigération ou par récupération de cette chaleur.
Selon le niveau de température souhaité, différentes associations de matières sont utilisées pour produire du froid :
- Pour la climatisation de bâtiments (températures positives) : de l’eau et du bromure de lithium (LiBr).
- Pour de la congélation (températures inférieures à 0°C) : de l’eau et de l’ammoniac (NH3).
Les rendements
Dans un système de climatisation solaire à « absorption », on fait face à deux types de rendements :
- Le rendement thermique : comme tous les appareils dédiés à faire du froid, la climatisation solaire à un coefficient de performance (COP). Ce COP est défini comme le rapport de la puissance de froid, divisée par la puissance de chauffe nécessaire. On atteint des COP de 0,7 dans des systèmes mono étages, des COP supérieurs à 1 pour des systèmes multi étages. Toutefois, les températures d’entrée dans l’évaporateur augmentent dans les systèmes multi étages (130 à 160°C pour 80 à 110°C dans les systèmes mono étages).
- Le rendement des capteurs solaires : en général, pour les capteurs solaires thermiques (chauffe-eau solaire), le rendement baisse lorsque la température du capteur monte. Dans le cas d’une installation de refroidissement à absorption, en revanche, le rendement augmente lorsque la température de chauffage monte. Tout l’art de développer des concepts performants réside donc dans le choix de meilleurs capteurs (à tubes sous vide) qui conduisent à une réduction au minimum des dépenses en énergie solaire primaire.
Qu’est-ce qu’une pompe à chaleur ?
Si pour produire du froid, il faut du chaud, dans ce processus d’échange thermique, la pompe à chaleur en est une digne représentante.
Pour beaucoup, pompe à chaleur signifie chauffage moderne avec l’apparition ces dernières années de systèmes de chauffage performants, notamment, les planchers chauffants dans les maisons basses consommations.
Mais c’est aussi un bon système de réfrigération, en l’inversant. C’est d’ailleurs ce que proposent les entreprises aujourd’hui, des pompes à chaleur réversibles : chauffage l’hiver, climatisation l’été.
Définition
Une pompe à chaleur (PAC) est un dispositif thermodynamique permettant de transférer la chaleur du milieu le plus froid (et donc de le refroidir encore) vers le milieu le plus chaud (et donc de le chauffer). Alors que naturellement, la chaleur se diffuse du plus chaud vers le plus froid jusqu’à égalité des températures, dans le cas d’une PAC, on parle de cycle frigorifique pour désigner le cycle thermodynamique. Les réfrigérateurs, les climatiseurs, sont de bons exemples de pompes à chaleur.
Principe de fonctionnement
On définit tout d’abord deux milieux : la source froide, d’où l’on extrait la chaleur, et la source chaude, où on la réinjecte.
L’énergie thermique qui va transférer cette chaleur va se faire par contact direct et par convection, c’est à dire par un échange de matière entre des fluides (gaz et liquides).
Dans le cas d’une PAC, la dissipation de l’énergie thermique va se faire grâce au changement d’état (liquide/gaz) d’un fluide caloporteur qu’on oblige à circuler à l’intérieur d’un circuit frigorifique.
Le fonctionnement se passe en quatre temps :
- Premier temps : le fluide frigorigène sous pression libère sa chaleur au fluide secondaire (air, eau) en passant de l’état gazeux à l’état liquide dans le condenseur (source chaude).
- Deuxième temps : le fluide frigorigène maintenant en phase liquide perd de sa pression dans le détendeur.
- Troisième temps : la chaleur est prélevée au fluide secondaire (air, eau) pour vaporiser le fluide frigorigène dans l’évaporateur (source froide).
- Quatrième temps : le fluide frigorigène redevenu gazeux est élevé en pression et en chaleur dans un compresseur actionné par un moteur électrique.
Lorsque la pompe à chaleur se compose d’un circuit unique, on parle de PAC à détente directe.
Dans le cas de plancher chauffant: le fluide frigorigène passe directement dans le sol qui joue le rôle de condenseur (source chaude), le circuit de captage (dans le jardin) jouant le rôle d’évaporateur (source froide).
Dans le cas d’un réfrigérateur : le fluide frigorigène passe dans une grille (le condenseur) à l’arrière de l’appareil en contact avec l’air ambiant, et ensuite dans un « radiateur » (l’évaporateur) à l’intérieur du réfrigérateur pour capter la chaleur des aliments (et donc les refroidir).
Dans le cas d’une climatisation : le fluide frigorigène passe dans un condenseur à l’extérieur du bâtiment en contact avec l’air ambiant, et ensuite passe dans un évaporateur à travers lequel on fait circuler de l’air propulsée par un ventilateur à l’intérieur de la pièce à refroidir.
Coefficient de performance
Les pompes à chaleur pour leur fonctionnement ont une consommation électrique. Par convention, on donne le nom de « coefficient de performance », le COP, au nombre de kWh produit pour un kWh consommé.
Ainsi une PAC ayant un COP de 3, produit 3 kWh de chaleur pour 1 kWh consommé. Le COP n’a de signification qu’à températures de source froide et de source chaude données. Il ne peut jamais être égal à Un.
Une pompe à chaleur est nécessaire dès que l’on veut produire du froid, que ce soit pour la conservation (réfrigérateur, congélateur) ou que ce soit pour le confort (climatisation). Une PAC est aussi nécessaire pour produire du chaud (plancher chauffant).
