Capteur sous vide

0 20 40 60 80 100 120 140

20

40

60

80

Température °C

Ren

dem

ent

%

Capteur plan

Capteur

sansvitre

Chauffe-eauChauffage

Chauffagepiscine

ClimatisationIndustrie

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CENTRE D’ETUDESTECHNIQUES

DE L’EQUIPEMENTDE LYON

25, Avenue François MitterandCase n°1

69674 Bron CedexTél.Fax 04 72 14 30 35

04 72 14 30 30

Le tableau ci-contre présente laconsommation énergétique

annuelle en ( )affectée à la climatisation pour

l’ensemble des bâtiments dusecteur tertiaire et du secteur

résidentiel.

La climatisation représentede la consommation totale du

secteur tertiaire. On estime queseulement des logementssont équipés de climatiseurs

mais l’engouement pour cetype d’appareils ne cesse de

croître.

TWh

5%

4%

finale

UNE DEMANDE ACCRUE...

Maisonsindividuelles

Immeublescollectifs

1,5

0,9

BâtimentConsommation

2,9Commerces

Bureaux

Enseignement

Hôpitaux, Santé

Sports, Loisirs

Hôtels, Cafés

Gares, Aéroports

Restaurants

Habitatcommunautaire

0,3

1,0

4,2

0,8

0,9

0,1

0,1

Le secteur résidentielLe secteur tertiaire

Total 2,4

10,3

FIC

HE

TE

CH

NIQ

UE

CLIMATISATION SOLAIRE

CENTRE D’ETUDESTECHNIQUES

DE L’EQUIPEMENTDE LYON

AMÉNAGEMENT URBANISMEHABITAT CONSTRUCTION

Pôle Construction

12,7 TWh pour se rafraîchir...

Le logement et les bâtiments tertiaires sont à l’origine de 22% des émissions nationales de gaz à effet deserre et consomment 46% de l’énergie finale. Des températures estivales très élevées, une conception desbâtiments peu adaptée et une demande croissante de confort conduisent à un fort développement de laclimatisation dans les bâtiments. Dans ce contexte, une amélioration de la conception à l’égard du confortd’été devient incontournable. Des solutions passives existent pour réduire fortement les besoins derafraîchissement et les nouvelles technologies de refroidissement solaire peuvent contribuer au maintien deconditions de confort satisfaisantes dans les bâtiments tout en préservant l’environnement.

Une enveloppe extérieure soignée...

(A

DE

ME

)C

f.P

lan

Clim

at20

04et

CONTEXTE ET PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

(en TWh)

Total(en TWh)

Les capteurs sous vide

AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS POTENTIELS

Pour aller plus loin :

« Fraîcheur sans clim’ » - Thierry Salomon et Claude Aubert, Editions Terre Vivante, 2004Rapport du CSTB - Choix énergétiques dans les constructions publiques, Septembre 2000

Site de Rhône Alpes Energie Environnement - http://www.raee.org/climsolSite de l’Institut National de l’Energie Solaire - http://www.institut-solaire.com

La reproduction totale de ce document est libre de droits au sein du réseau du Ministère de l'Equipement. En dehors de ce cadre, merci d'adresser votre demande au CETE de Lyon : CP.DVT.CETE-Lyon@equipement.gouv.frRédacteur : Romuald Jobert, Mars 2007

Type deClimatisation Bâtiment

Type de ConsommationClimatisation

RÉDUIRE LES BESOINS DE RAFRAICHISSEMENT

Orienter

Eviter

Protéger

Dissiper

Minimiser

Refroidir

favorablement le bâtiment de façon àexploiter les effets bénéfiques du climat tout en seprotégeant des effets négatifs,

l’echauffement des parois opaques et destoitures en accroissant leur isolation ou leur inertie,

le bâtiment et notamment les surfacesvitrées de l’ensoleillement direct à l’aide d’écranspermanents ou saisonniers,

les surchauffes par la ventilation “diurne”,

les charges thermiques internes dues àl’utilisation d’appareils qui produisent de la chaleur,

l’air par ventilation “nocturne” ou à l’aidede dispositifs naturels tel que des plans d’eau, desfontaines, etc...

Stratégie du froid

En été, la quantité de chaleur à évacuer dépend de nombreux facteurs liés notamment àl’ensoleillement qui varie au cours de la journée. A l’échelle de la saison, les besoins enrafraîchissement coïncident avec les apports solaires.

Les forts besoins en climatisation lors des pics de chaleur coïncident avec des difficultés de productiond’électricité des centrales nucléaires. En effet, le fonctionnement des centrales est limité par lescontraintes imposées sur la température de rejet de l’eau issue des circuits de refroidissement pourpréserver les écosystèmes aquatiques. Par ailleurs, les fluides frigorigènes, puissants gaz à effet deserre, peuvent s’échapper dans l’atmosphère par des fuites dans les circuits des climatiseurs.

Figure 1 : Réduire les apports de chaleur

LES CAPTEURS SOLAIRES

Le bon fonctionnement des machines à sorption nécessite d’atteindre un niveau de température utilesouvent supérieur à 80°C. Ceci implique l’utilisation de capteurs solaires à haute performance. Destempératures élevées peuvent être atteintes à l’aide de capteurs sous vide ou bien de capteurs plans àconcentration parabolique.

Les capteurs à concentration parabolique

Le fonctionnement n'exige que des échangesde chaleur solaire à température modérée. Ilpeut être intermittent ce qui convient égalementà l'énergie solaire.

Les machines comportent peu de piècesmécaniques en mouvement d'où unfonctionnement silencieux, une grandelongévité, un entretien limité et une faibleconsommation énergétique des auxiliaires.

La puissance frigorifique couverte peut varierd'une dizaine de watts à quelques mégawatts.

Les fluides ou solides présents dans lesdifférents réservoirs de la machine constituentun stockage naturel soit sous forme de chaleursensible, soit sous forme chimique, permettantd'assurer une production de froid en casd'indisponibilité temporaire de la chaleur dugénérateur.

Absence de CFC ou HCFC nuisibles à lacouche d'ozone et puissants gaz à effet de serrepour la plupart des couples solvants-réfr igérants. L ' impact des machinesf r i g o r i f i q u e s s o l a i r e s e n é m i s s i o natmosphérique et rejets polluants est donc trèslimité.

La consommation électrique est environ vingtfois inférieur à celle d’un compresseurmécanique.

Avantages InconvénientsLe rendement énergétique (COP) se situe entre0,5 et 0,8. Il est donc beaucoup moinsperformant que celui des machines frigorifiquesclassiques à compression (COP > 2,5) mais lesoleil est une énergie renouvelable.

Les besoins en surface de captation nécessitede disposer d’une grande surface pour implanterles panneaux solaires.

Il existe une température de seuil minimum de lasource chaude à partir de laquelle la machinepeut fonctionner. Selon le couple solvant-réfrigérant considéré et la température de lasource froide à atteindre, ce seuil se situe entre70 et 95 °C.

L’usage doit être adapté à un fonctionnementt rans i to i re avec arrê t e t démarrageautomatiques au coucher et lever du soleil. Si lesbesoins en froid sont continus, un stockage estnécessaire (stockage de froid par chaleursensible ou stockage de chaleur sensible ouchimique dans le générateur et l'absorbeur).

La nécessité d'utiliser des capteurs solaires à“haute performance“ demande encoreaujourd'hui un coût d'investissement important.Les tendances actuelles s'axent sur la créationd'un marché encore très faible maispotentiellement très intéressant.

Figure 6 : Performances comparées dedifférents types de capteurs solaires Figure 8 : Coupe transversale sur capteur sous vide

Protéger

Dissiper

Ventiler

Minimiser

Eviter

Refroidir

Figure 7 : Coupe transversale sur capteur à concentration parabolique

RJ

Isolation

Tube absorbeur àcirculation liquide

Vitrage

Réflecteur parabolique

Tubes de verresous vide

Absorbeurà ailettes

Tubes concentriquesà circulation liquide

Boîtier de raccordementet collecteur calorifugé

Orienter

La maîtrise de la demande énergétique d’un bâtiment passe avant tout par un travail soigné del’enveloppe. Ce n’est qu’une fois ces mesures de base prises que l’appel aux techniques passives derafraîchissement prennent de l’ intérêt.

PRINCIPE DE BASE DES SYSTEMES DE REFROIDISSEMENT

Le principe de base sur lequel repose tout système de refroidissement est l’évaporation d’un fluide dit “frigorigène”. Dotéd’une forte capacité de stockage de chaleur , ce fluide est un composé chimique facilementliquéfiable.

(capacité calorifique)

Principe général

Un fluide a besoin d’énergie pour passer de la phase liquide àla phase gazeuse . Parexemple, on chauffe l’eau dans une casserole pour l’amener àébullition.

Si on laisse le processus se réaliser naturellement, l’énergienécessaire à l’évaporation de l’eau est prise dans l’airenvironnant dont la température décroît en conséquence. Onnotera que dans ce cas, le taux d’humidité dans l’air augmente.

(chaleur latente de vaporisation)

100 °c

Évaporation ÉvaporationT °C

Principe d’une pompe à chaleur classique

Dans une machine thermique, on utilise une quantité finie de fluide. Le fluide évaporé doit donc être à nouveau condensépour pouvoir être réutilisé. Il est soumis à un cycle thermodynamique, c’est à dire une succession de changement d’état

Le principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur classique consiste à provoquer de manièrecyclique l’évaporation et la condensation d’un fluide frigorigène de façon artificielle. Le système peut alors être utilisé soitpour chauffer, soit pour refroidir.

En période de chauffage, une PAC prend de la chaleur à l’air extérieur et en fournit à l’air intérieur. En période chaude, elleprend de la chaleur à l’air intérieur et la rejette vers l’extérieur.

(PAC)vapeur / liquide.

ÉVAPORATEUR

COMPRESSEUR

DÉTENDEUR

Echauffement des vapeurs

Abaissement de la température

Evaporationdu

Fluide

T°C

Hau

tepr

essi

on

Bas

sepr

essi

on

Qfroid

T°C

Un cycle en 4 phases...

EER =Q

froid

W

Un cycle comporte 4 phases :.

C’est au cours de cette dernière phase que le fluideprélève des calories au milieu à refroidir, produisantainsi du froid.

La particularité du cycle thermodynamique sur lequelrepose habituellement le fonctionnement de cessystèmes est qu’il produit plus de froid qu’il neconsomme d’énergie car il puise de l’énergie à l’airchaud. Physiquement, cela signifie que le coefficientd’efficacité frigorifique est supérieur à 1. Pour lesgénérateurs de type thermodynamique électrique, lecoefficient EER de référence est fixé à 2,45 par laRéglementation Thermique 2005.

Cependant, la consommation d’énergie électrique ducompresseur mécanique reste importante; de plus lesgaz utilisés dans ces machines sont le plus souvent descomposés hydrochlorofluorocarbonés ( ) dontle potentiel de réchauffement global ( ) est enmoyenne 1400 fois supérieur à celui du CO .

(Cf. figure 3)

(EER)

HCFC-R22PRG

2

la compression, lacondensation, la détente, l’évaporation

Energie utile frigorifique

Energie électrique ou gaz absorbée=

LA RÉFRIGÉRATION SOLAIRE THERMIQUE

Figure 2 : Energie et évaporation

Figure 3 : Production de froid par compression mécanique

COP =Therm

Energie utile frigorifique

Chaleur motrice absorbée=

La technologie de réfrigération solaire thermique consiste à remplacer la compressionmécanique par l’échauffement d’une solution qui produit l’évaporation d’un gaz et uneaugmentation de la pression du gaz évaporé. Cette technique a l’avantage de réduirel’utilisation d’éléments mécaniques en mouvement et de fonctionner à l’aide d’unesource de chaleur à température moyenne qui peut être fournie par des capteurssolaires.

Cette technologie regroupe les machines à utilisant un coupleet les machines à utilisant un couple

L’efficacité de ces machines est déterminée par le coefficient deperformance thermique

réfrigérant &liquide absorbant adsorption réfrigérant & solideadsorbant.

(COP ).Therm

absorption

absorption :

adsorption :

Propriété d’un

liquide à retenir certains gaz

dans la totalité de son volume.

Propriété d’un

solide à retenir à sa surface des

molécules en phase gazeuse ou

liquide.

LES MACHINES A ABSORPTION

Les installations à absorption fonctionnent sur la base du cycle thermodynamique décrit précédemment, mais lacompression au lieu d’être mécanique, est de type thermochimique. L’ammoniac est utilisé comme liquide réfrigérant etl’eau comme liquide absorbant. On utilise aussi le couple eau - bromure de lithium. Dans ce cas, l’eau est utilisée commeliquide réfrigérant et le bromure de lithium comme liquide absorbant.

LES MACHINES A ADSORPTION

Principe de fonctionnement :

Une solution composée d’un couple liquide réfrigérant etliquide absorbant est portée à ébullition à l'intérieur dudésorbeur grâce à l'apport calorifique de panneaux solairesthermiques. La pression augmente et le réfrigérants'évapore en se séparant de l’absorbant,

Les vapeurs du réfrigérant sont dirigées vers le condenseuroù elles cèdent leur chaleur par refroidissement au contactde l’air ambiant,

Les condensas du réfrigérant sont détendus pour accéder àla zone basse pression de l'installation,

Le réfrigérant à l’état liquide est dirigé dans l'évaporateur oùil se vaporise instantanément en prélevant les calories dulocal à refroidir,

Conjointement, la solution absorbante “” est soutirée du désorbeur via une vanne de

détente pour alimenter l'absorbeur. Les vapeurs duréfrigérant mises en contact avec cette solution sont alorsabsorbées.

Le couple réfrigérant-absorbant ainsi régénéré est ramenévers le désorbeur par une pompe. Le cycle peut alorsrecommencer.

pauvre enréfrigérant

L'adsorption est un phénomène général résultant de l'interaction modérée entre un solide, l'adsorbant, et un gaz. Enenfermant du charbon actif et du gaz dans un système clos, on parvient à faire varier la pression de plusieurs ordres degrandeur par simple changement de température, la quantité de gaz piégé dans le milieu solide étant fonction de latempérature de l'enceinte. Cette possibilité peut être mise à profit pour réaliser des systèmes de réfrigération parévaporation comprenant peu de pièces mécaniques en mouvement.

1

2

3

4

5

6

Principe de fonctionnement :

Un premier compartiment contenant le solide adsorbant enéquilibre thermodynamique avec le fluide réfrigérant reçoitl'apport calorifique de panneaux solaires thermiques.L'adsorbant s'échauffe, ce qui provoque la désorption duréfrigérant et une élévation de pression,Lorsque la pression de vapeur du réfrigérant atteint la valeurcorrespondant à la pression du condenseur, le clapet estouvert et les vapeurs sont connectées au condenseur,

Dans le condenseur, les vapeurs du réfrigérant cèdent leurchaleur par refroidissement au contact de l’air ambiant,

Les condensas du réfrigérant sont détendus pour accéder àla zone basse pression de l'installation,

Le réfrigérant à l’état liquide est dirigé dans l'évaporateur oùil se vaporise instantanément en prélevant les calories dulocal à refroidir,

L’adsorbant du deuxième compartiment est refroidi aucontact d'un circuit d’eau et maintient la basse pression. Leclapet est ouvert afin de permettre l'adsorption desvapeurs stockées dans l'évaporateur. Un nouveau cyclepeut alors recommencer,

La fonction désorbeur-adsorbeur de chaque compartimentest permutée à chaque cycle par ouverture et fermeture desclapets et .

C1

C’2

C1 C’2 C’1 C2

1

2

3

4

5

Qfroid

Qchaud

WCalories

prélevées

CONDENSEURCondensation

desVapeurs

Caloriesévacuées

et diminution de la pression

et augmentation de la pression1

2

3

4

ÉVAPORATEUR

DÉTENDEURDiminution

etde la pression

de latempérature

Evaporationdu

réfrigérant

Haute pression

Basse pression

T°C

Qfroid

T°C

Caloriesprélevées

CONDENSEURCondensation des

Vapeurs dufluide frigorigène

Caloriesévacuées

2

3

4

Qchaud

DÉSORBEURVaporisation

du fluidefrigorigène

1

ABSORBEURAspiration

du réfrigérantpar l’absorbant

5

POMPERetour du couple

réfrigérant-absorbantdans le générateur

6

Sous-tirage dela solution absorbante“pauvre en réfrigérant”

5

ÉVAPORATEUR

DÉTENDEURDiminution

etde la pression

de latempérature

Evaporationdu

réfrigérant

Haute pression

Basse pression

T°C

Qfroid

T°C

Caloriesprélevées

CONDENSEURCondensation des

Vapeurs dufluide frigorigène

Caloriesévacuées

2

3

4

Qchaud

DÉSORBEURVaporisation

du fluidefrigorigène

1

ADSORBEURAspiration

du réfrigérantpar l’adsorbant

5

C1 C’1

C’2C2Compartiment 1 Compartiment 2

6