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Introduction à la climatisation solaire CNFPT – 23 février 2007 Noémie POIZE –

Introduction à la climatisation solaire CNFPT – 23 février 2007 Noémie POIZE – Rhônalpénergie - Environnement Contexte • Présentation des technologies utilisant l’énergie solaire active • Nécessité cependant d’envisager cette solution après avoir diminué au maximum les besoins en climatisation (baisse des charges internes, protections solaires, etc.) Maîtrise passive des températures • Apports internes • Orientation • Espaces extérieurs • Protection solaire • Inertie thermique • Isolation • Ventilation matériaux orientation Protection solaire ouvertures végétation ventilation Le projet Climasol • 7 pays européens • Diminuer les besoins en rafraîchissement, promouvoir la climatisation solaire • État de l’art, inventaire des installations existantes, formations, 20 études de faisabilité dont 4 en France Les différents systèmes Absorption Adsorption Dessicant cooling Conversion en chaleur Conversion en électricité Compression Cycles fermés Cycles ouverts 3 techniques au stade commercial Les différents systèmes Rappel : climatisation classique Détendeur Condenseur Evaporateur Source froide Tf Compresseur Source chaude Th Local à climatiser Fluide frigorigène liquide Fluide frigorigène diphasique à To<Tf Haute pression Basse pression Fluide frigorigène gazeux Fluide frigorigène gazeux à T1>Th La « production » de froid par absorption ! Utilise les propriétés de couples liquide/gaz. Le liquide est l’absorbant, « avide » du gaz (l’absorbé). Le gaz est le fluide frigorigène. ! Le liquide absorbe le gaz à basse température (et basse pression) et le désorbe à plus haute température (haute pression). ! Le couple le plus utilisé utilise comme absorbant un sel (existant à l’état naturel) : le bromure de lithium, et l’eau comme fluide frigorigène (pression proche du vide). Climatisation à absorption Apport de chaleur Qth (capteurs solaires) Désorbeur vapeur liquide absorbant Détendeur Condenseur Evaporateur Haute pression Basse pression Chaleur prélevée Qf (production d’eau glacée) Chaleur rejetée Qc Th Tm Tf Eau de refroidissement Pompe Eau de refroidissement Absorbeur Local à climatiser Performances d’une machine à absorption • Machine simple effet : COP =0,6 à 0,7 • Temp : > 80 °C Qf=0,65xQh Qc = Qf + Qh Qh Compression 1 kWf 1,5 kW 2,5 kW Qf=1,1xQh Qc = Qf + Qh Qh Compression 1 kWf 1 kW 2 kW • Machine double effet : COP =1 à 1,1 • Temp : 170°C motrice chaleur utile froid COP e Performanc de t Coefficien therm = ) ( Limites thermodynamiques Hot water inlet [°C[ COP 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 45 60 75 90 105 120 135 150 absorption simple effet idéal absorption double effet C M M H H C ideal T T T T T T COP − − ⋅ = Température d‘eau glacée : 8°C Température de refroidissement: 28°C Température d‘eau glacée : 8°C Température de refroidissement: 28°C Le marché de la climatisation par absorption • Les fabricants principaux de machine à absorption sont: Hitachi, Kawasaki, Trane, York, Yazaki, Robur – Technologie très répandue aux Etats-Unis et au Japon (machines au gaz) • La plupart sont de puissance > 100kW et des températures de fonctionnement > 100°C • Machines de puissance assez faible + température de fonctionnement « faible » : – Yasaki : machine de 35kW, Temp : 80-100°C – Thermax : 35kW – Phonix : au stade pré-commercialisation, 10kW – Rotartica : 4,5 kW (récent) • 34 installations « commerciales » de climatisation solaire identifiées dans les 7 pays participants au projet Climasol, 3 en France. Avantages et inconvénients " Consommation électrique 20 fois inférieure à celle du compresseur remplacé " Fluide frigorigène inoffensif (eau), sel absorbant présent à l’état naturel et sans impact environnemental " Nuisance sonore du compresseur supprimée – Appoint nécessaire pour garantir une température de consigne : appoint possible au gaz mais COP faible (intéressant si le solaire couvre plus de 80% des besoins) ou appoint électrique (investissement supplémentaire) • année de construction : 1991 • coût : 295,4 kF HT, soit 150 kF HT de surcoût • 130 m² de capteurs à tubes sous vide • groupe à absorption : # puissance froid nominale : 52 kW # COP : 0,57 • puissance tour de refroidissement : 180 kW • ballon tampon de 1000 litres crédit photo : Tecsol Exemple : Groupement interproducteurs Collioure Banyuls Schéma de principe Apport de chaleur Réservoir d’eau chaude Radiation solaire Capteurs solaires Eau chaude Eau fraîche Eau chaude Machines de refroidissement à absorption Refroidissement Eau chaude Rejet de chaleur Niveau 0 Niveau -1 Niveau -2 Schéma de l ’installation Machines à adsorption • Utilise la propriété d’un solide d’adsorber (piéger en surface) un gaz à basse température (20- 30°C) et de le désorber à plus haute température (50-80°C) • Le couple solide/gaz le plus utilisé est le couple silica-gel/eau • L’eau sert de fluide frigorigène (pression proche du vide) ! Etape 1 condenseur évaporateur eau de refroidissement eau chaude eau glacée eau de refroidissement Adsorption Désorption ! Etape 2 Machine à adsorption (cycle discontinu) condenseur évaporateur eau de refroidissement eau glacée Adsorption Désorption eau chaude eau de refroidissement Performance de l’adsorption • COP =0,6 – 0,65 • Temp : 55 - 90 °C (permet d’utiliser des capteurs plans) Qf=0,65xQh Qc = Qf + Qh Qh Compression 1 kWf 1,5 kW 2,5 kW Le marché de la climatisation à adsorption • Machines de puissance <100kW – Mayekawa : 70 kW • water / silica gel • 55°C – 90°C • 8 installations à adsorption « commerciales » (hors R&D) identifiées dans les 7 pays participants au projet Climasol, aucune en France – Nishiyodo : 67 kW • water / silica gel • 55°C – 95°C Système à adsorption Sarantis - Grèce ! Usine de cosmétique « Sarantis SA » dans une zone industrielle à Viota (20km Athènes) ! 22 000 m² climatisé : produits ne supportant pas les températures trop élevées ! Installation en 1999 d’un système à adsorption : 700kW froid (2 machines de 350kW), associé à un champs de capteurs plans de 2700m² ! En hiver, la production solaire est utilisée pour chauffer l’usine (batteries chaudes dans les CTA et ventilo-convecteurs) Système à adsorption Sarantis - Grèce ! 3 groupes froid (électriques) de 350kW sont installés en complément pour couvrir les pics de demande ! 2 chaudières fioul de 1200kW remplacent la production solaire par temps nuageux et pour les besoins de climatisation de nuit. ! Production solaire froid : 1,1 GWh ! Production solaire chaud : 0,6 GWh ! Besoins totaux : 2,6 GWh ! Taux de couverture solaire : 66% ! Coût : 1,3 M€, soit environ 1900€/kWf Sarantis - Grèce Avantages / Inconvénients " Robustesse " Pas de pompe à solution (consommations réduites) " Pas de contrainte sur la température intermédiaire (pas de risque de cristallisation) " Nuisance sonore du compresseur supprimée – Taille et poids élevés (gains possibles sur les échangeurs) – Coût élevé Comparaison absorption / adsorption Plus élevé Moins élevé Coût Très volumineuses Poids élevé Taille plus réduite Taille 55-90°C 80-100°C Températures de fonctionnement 2 fabricants en 70kW 2 fabricants en 35kW 10kW (pré-commerc.) Puissances minimales Adsorption Absorption Comparaison des COP 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 45 60 75 90 105 120 135 150 Hot water inlet [°C[ COP idéal absorption double effet absorption simple effet adsorption Performances des systèmes thermiques • Comparaison de la consommation énergie primaire consommée pour 1kWh froid produit : – Compression avec COP=3 : environ 1kWh énergie primaire – Système thermique COP 1,1 (ex : absorption double effet) : environ 1kWh primaire – Système thermique COP 0,65 : environ 1,5 kWh primaire • Un système thermique de COP 1,1 est comparable en terme de consommation d’énergie primaire à la compression. • Un système thermique de COP 0,65 est moins performant Comparaison des coûts 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 200 400 600 800 1000 cooling capacity [kW] cost [€/kW] absorption adsorption compression Dessicant cooling • Rafraîchissement direct de l’air • Déshumidification de l’air par un sorbant, afin d’augmenter sa capacité d’ « humidification » et donc de refroidissement humidificateurs déshumidificateur échangeur de chaleur air neuf air repris air rejeté apport de chaleur extérieur air soufflé intérieur Principe de fonctionnement humidificateurs bypass air neuf air repris air soufflé air rejeté ( apport de chaleur ) apport de chaleur extérieur intérieur 1 1 2 2 3 3 4 4 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 11 Température (°C) Humidité absolue (g.kg AS) Humidité relative (%) déshumidificateur échangeur de chaleur 10 11 1 2 3 4 8 7 9 Dessicant cooling !L ’énergie solaire réchauffe l ’air sortant pour déshumidifier le gel absorbant. !Des températures de 50 - 60°C sont suffisantes d ’où la possibilité d ’utiliser des capteurs plans !Possibilité d ’utiliser des capteurs à air (utilisation directe de l ’air produit) ou des capteurs à eau (échangeur eau/air), avec possibilité de stockage de l ’eau chaude. Dessicant cooling : exemple • Un exemple d ’installation : IHK à Freiburg – Bureaux, salles de réunion – 60 kWf – Economies réalisées sur l ’installation des capteurs solaires à air, • coût spécifique des capteurs + supports : 210 € /m² de surface uploads/Geographie/ raee-climatisation-solaire.pdf