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Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 1 ECOLE NATIONALE

Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 1 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 MEMBRES DU JURY : Professeur responsable : M.Viennet Maître de stage structure d’accueil : M.Laurencin Rémi CHEILAN 5ème année Génie-Civil Spécialité Ingénierie du bâtiment Promotion 2001-2004 114 boulevard du 11 novembre 69100 Villeurbanne Tél : 04 37 47 80 90 - Fax : 04 37 47 80 99 Mél : info@hespul.org - Site : www.hespul.org Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 2 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. Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 3 SOMMAIRE AVANT PROPOS ------------------------------------------------------------ p.1 INTRODUCTION------------------------------------------------------------ p.2 I PRELIMINAIRES I.1 Présentation de l’association HESPUL----------------------------- p.3 I.1.1 Historique I.1.2 Activités I.1.3 Références I.1.4 Déroulement de mon PFE à HESPUL I.2 Les enjeux énergétiques------------------------------------------- p.7 I.2.1 La consommation d’énergie I.2.2 Énergie et pollution I.2.3 Des ressources limitées et épuisables I.2.4 La réponse : Economies d’énergie et énergies renouvelables 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 Les ventilo-convecteurs II.1.2 Les éjecto-convecteurs II.1.3 Les plafonds rayonnants froids II.1.4 Les poutres froides II.1.5 Les planchers rafraîchissants II.1.6 Les 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 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 4 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 utilisant des capteurs solaires thermiques à eau avec un ballon de stockage et un appoint chaud-----------------------------------------p.75 III.2.3 DEC utilisant des capteurs solaires thermiques à eau avec un ballon de stockage et 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 Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 5 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. Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 6 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. Projet de fin d’Etudes - LA CLIMATISATION SOLAIRE – Juin 2004 7 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 uploads/Geographie/ la-climatisation-solaire.pdf