Faire du froid avec la chaleur du soleil
Ces dernières années, une demande de confort accrue face à des températures estivales élevées ont conduit à un fort développement de la climatisation dans les bâtiments tertiaires. Simultanément, les techniques passives ou semi actives, semblent avoir été oubliées dans un grand nombre de bâtiments récents. Ce fort développement de la climatisation est responsable d'une surconsommation électrique menant à des rejets de gaz à effet de serre importants.
Le concept de rafraîchissement solaire constitue une alternative fiable et éprouvée qui contribue à la préservation de l'environnement. Alors pourquoi rafraîchir avec l'énergie du soleil ?
- Car la corrélation entre les besoins de rafraîchissement et la ressource solaire permet de réduire les pics de consommations et soulager le réseau électrique tout en faisant des économies d'énergie primaire ;
- Car les fluides frigorigènes utilisés n’ont pas d’impact environnemental ;
- Car l’absence de compresseur limite la pollution sonore et augmente la durée de vie des installations tout en limitant la maintenance ;
- Car l’installation produit initialement du chaud pouvant être utilisé pour le chauffage et/ou la production d’eau chaude sanitaire ; l’énergie solaire captée est ainsi valorisée tout au long de l’année.
En rafraîchissement solaire thermique, l’énergie solaire est utilisée pour transmettre de la chaleur à un système de production :
- Les systèmes dits « fermé », en eau, utilisent une machine à sorption (ABsorption ou Adsorption) qui ne contient aucun fluide frigorigène et qui transforme par un procédé physique la chaleur en froid. L’eau glacée doit alors être distribuée dans le bâtiment.
- Les systèmes dits « ouvert », à air, utilisent des centrales de traitement d’air équipées de roues à dessication. L’air est directement réchauffé, refroidit, humidifié ou déshumidifié.
Les procédés avec machine à sorption sont les plus répandus. Une centaine d’installation sont aujourd’hui en fonctionnement en Europe et une vingtaine de fabriquant proposent des solutions allant de 10kWfroid à plusieurs centaines de kW. Les capteurs à utiliser pour ces procédés doivent avoir de bonne performance à partir de 60°C, il faut donc privilégier les capteurs plans haute performance ou les capteurs à tubes sous vide. De nombreux fournisseurs européens proposent là aussi des produits adaptés.
(c) GICB Banyuls
Plusieurs différents procédés sont possibles pour rafraîchir les bâtiments en utilisant l’énergie du soleil :
- Procédés électriques
Cette technique consiste à connecter directement des modules photovoltaïques à un système de climatisation classique à haute efficacité. Néanmoins, à l’heure actuelle, tant que le tarif de rachat de l’électricité photovoltaïque est élevé, il est plus avantageux de revendre toute l’électricité produite sur le réseau. Cette solution pourra connaître un très fort essor lorsque le coût de production d’un kWh électrique sera au même niveau du coût d’achat d’un kWh sur le réseau.
- Procédés thermomécaniques
A la différence des autres procédés, ces systèmes ont besoin d’un fluide à plus haute température (200°C) pour assurer le fonctionnement de l’installation. Ainsi, pour atteindre ces niveaux de température, de l’huile thermique doit être utilisée des capteurs solaires à concentration. De ce fait, les procédés thermomécaniques ne sont utilisés que pour les grandes puissances frigorifiques (>100kW) et dans des régions très ensoleillées.
- Procédés à transformation de chaleur
Ce sont ces systèmes qui sont les plus développés et utilisés. Ils se décomposent en deux grandes familles : les cycles ouverts et les cycles fermés.
- Les cycles ouverts
Les machines à cycle ouvert sont en contact avec l’atmosphère et agissent directement sur l’air. En d’autres termes, ces installations produisent directement de l’air froid et non pas de l’eau glacée comme pour les cycles fermés. En conséquence, ces systèmes utilisent toujours l’eau comme réfrigérant. La technologie la plus utilisée pour les cycles ouverts utilise les roues dessiccatives en rotation. La dessiccation par procédé liquide n’est pas encore commercialement disponible.
- Les cycles fermés
Les machines à cycle fermé utilisent un procédé de refroidissement à sorption (absorption si l’agent de sorption est liquide, ou adsorption s’il est solide) pour produire de l’eau glacée. Ces machines utilisent généralement de l’eau comme réfrigérant, mais d’autres fluides peuvent être utilisés comme l’ammoniac par exemple. Les installations de climatisation solaire utilisant des machines à sorption sont les plus réalisées (plus de 90%).
En été, l'énergie du soleil est collectée grâce à des capteurs solaires thermiques. Cette énergie est ensuite stockée dans un ballon qui a pour principal but de lisser les variations d'ensoleillement. Cette énergie est ensuite envoyée vers la machine à absorption qui est alors capable d'extraire de la chaleur du bâtiment. Finalement, toute l'énergie accumulée dans la machine à absorption est évacuée grâce à un système de refroidissement. Si nécessaire un appoint frigorifique (machine à compression de vapeur est utilisée pour compléter la production de frigorie. En été, l’énergie solaire peut également servir à la production d’eau chaude sanitaire.
En hiver, l'énergie du soleil est collectée par les mêmes capteurs solaires thermiques, puis stockée avant d'être distribuée au bâtiment pour le chauffage et/ou l’eau chaude sanitaire. Un appoint de chaleur permettra de couvrir les besoins en absence de la ressource solaire.
Exemples de réalisations :
- RAFSOL, I.U.T. de Saint Pierre, Saint Pierre La Réunion (974) ‐ France
- SOLACLIM, PROMES Perpignan (66) ‐ France
- SOLERA, CEA‐INES, Chambéry (73) ‐ France
- SONNENKRATF, Siège de General Solar Systems France, Haguenau (67) ‐ France
Pré-dimensionnement des InSTAllations de Climatisation et cHauffage SolairE
Le logiciel PISTACHE est un outil de pré-dimensionnement et de prévision des performances des installations solaires de rafraîchissement ou climatisation et de chauffage, production d’eau chaude sanitaire avec ou sans systèmes d’appoint d’énergie.
Disponible en langues française et anglaise, intégrant des bases de données des composants, et particulièrement simple d’utilisation, le logiciel PISTACHE est utilisé par les bureaux d’étude technique, par les installateurs, par la communauté scientifique, pour de l’enseignement et même par des particuliers. Depuis sa mise à disposition fin décembre 2013, le logiciel PISTACHE a été téléchargé près de 1 200 fois à travers le monde, en faisant ainsi un outil de référence pour le pré-dimensionnement des installations de climatisation et chauffage solaire.
Le logiciel PISTACHE est mis à votre disposition gratuitement. Il a été développé par TECSOL et le CEA-INES dans le cadre du projet MeGaPICS, en partie financé l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) dans le cadre du programme HABISOL.
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