Généralités sur la climatisation solaire

Durant ces dernières années, nombreux sont les travaux de recherche orientés vers les techniques de climatisation qui ont été développés par les chercheurs, de manière à pouvoir répondre à une demande de confort accrue en été [7]. Nous comptons parmi ces travaux de recherche sur la climatisation, ceux de Gandhidasan. P ([12] et [13]) qui a élaboré un modèle de déshumidificateur d’air utilisant un liquide déshydratant et étudié l’efficacité de la régénération d’un liquide déshydratant dans un tour emballé. Lui. X. H a aussi développé une corrélation empirique pour prédire la performance d’un déshumidificateur d’air et étudié les transferts de masse et de chaleur qui s’opèrent dans un régénérateur lors de la régénération de la solution déshydratante [14], [15]. Des études expérimentales ont été effectuées, notamment les travaux de Yin. Y [21] et Oliviera. A. C [19]. Ce dernier, dans le but d’améliorer la performance d’un système de climatisation à cycle ouvert utilisant un bromure de lithium comme liquide déshydratant, a opté pour une autre technologie qui consiste en un absorbeur et des évaporateurs en rotor à fibres .

GENERALITES SUR LA CLIMATISATION SOLAIRE 

Durant la dernière décennie, une grande croissance en demande de confort a été constatée, et cela a induit un grand développement de la climatisation dans les bâtiments [7]. L’option pour les techniques classiques (machines à compression utilisant des fluides frigorigènes) est pour une majeure partie, responsable d’un fort pic de consommation électrique en été [7]. A cause des éventuelles fuites de fluides frigorigènes qui contribuent au réchauffement climatique et inhérentes à ces machines, les recherches ont dû être orientées vers des nouvelles techniques, de manière à pallier ce problème de pic de production d’électricité et à réduire, voire même supprimer les émissions de gaz à effet de serre, cause du changement climatique .

Comme solutions nous pouvons citer : les solutions passives qui, sans avoir recours à des systèmes de climatisation, contribuent à l’amélioration des conditions de confort intérieur. Notons que ces techniques [9] et [11], semblent avoir été oubliées dans un grand nombre de bâtiments récents. Il y a aussi les solutions dites « actives», ou les techniques de rafraîchissement solaire (climatisation solaire), utilisant comme fluide frigorigène un fluide inoffensif [7] (l’eau) qui nécessitent beaucoup moins d’énergie primaire, d’origine fossile ou fissile, que les systèmes classiques.

Définitions

Avant d’aborder ces diverses techniques, donnons d’abord quelques définitions essentielles.

Climatisation

Une climatisation est un procédé, ayant recours à un ensemble de systèmes destinés à améliorer les conditions intérieures et le confort d’un bâtiment. Durant les saisons chaudes, les températures dans les bâtiments sont élevées, à tel point que le traitement (rafraîchissement) de l’air qui y entre est requis. Pour cela, l’installation d’un système de climatisation est nécessaire.

Climatisation solaire 

La technique de climatisation solaire consiste à utiliser des capteurs solaires pour fournir de la chaleur [7]. Cette chaleur appelée « chaleur motrice », est ensuite dirigée vers le système pour le faire fonctionner de manière continue. La technique utilisant le couple sorbant (matière qui absorbe ou adsorbe la vapeur d’eau et qui peut être liquide ou solide selon la technologie adoptée) et réfrigérant (souvent l’eau), est basée sur l’évaporation du réfrigérant. Par exemple, dans le cas des machines à sorption, la chaleur motrice sert à régénérer le sorbant. Après cela, la vapeur d’eau désorbée à l’issue de la régénération se condense pour ensuite s’évaporer dans un évaporateur au niveau duquel le froid est produit. Puis elle sera réabsorbée par le sorbant au niveau d’un absorbeur. Notons que ces systèmes de climatisation solaire permettent de refroidir des bâtiments pratiquement sans impact environnemental.

Chaleur sensible et chaleur latente 

La chaleur sensible est la somme des charges thermiques liées uniquement à l’augmentation de température. Ces charges thermiques proviennent en grande partie de l’extérieur et résultent du rayonnement solaire et de la différence de température entre l’extérieur et l’intérieur. Il se peut aussi qu’elles proviennent des sources de chaleur à l’intérieur des bâtiments (éclairage, machines, moteurs…). La chaleur latente est la somme des charges thermiques conduisant à l’augmentation de la quantité de vapeur d’eau dans l’air. Cette chaleur latente provient ainsi de l’humidité émise par les occupants, à travers la respiration et la transpiration et des autres sources génératrices de vapeur.

Techniques de rafraîchissement

Techniques passives 

En été, la quantité de chaleur à évacuer dépend de nombreux facteurs dont certains, comme l’ensoleillement, varient au cours de la journée. Les facteurs qui influent le plus sur les charges de refroidissement sont :
● le rayonnement solaire à travers les surfaces transparentes,
● le transfert de chaleur par conduction à travers des surfaces opaques et des vitrages,
● l’inertie thermique du bâtiment,
● les charges thermiques internes (sensibles ou latentes),
● les apports de chaleur, aussi bien sensible que latente, relatifs à l’infiltration d’air et à l’aération du local.

Ainsi, pour réduire les charges thermiques d’été, des stratégies dites « bioclimatiques » pourront être adoptées .

L’intervention sur l’environnement proche du bâtiment contribue à la réduction de la température extérieure, à savoir :
➤l’augmentation de l’humidité relative de l’air au moyen des besoins, fontaines et végétation
➤l’ombrage grâce à des plantations (arbres, pergolas etc. …),
➤la réduction de l’albédo, qui est le coefficient de réflexion solaire de l’environnement, par les créations d’espaces verts par exemple,
➤le choix de couleurs claires pour les mûrs extérieurs.

Protection solaire

En été, en traversant les surfaces vitrées de l’enveloppe (portes et fenêtres), le rayonnement solaire augmente la charge thermique du bâtiment. Les dispositifs de protection adoptés sont :

● les protections solaires verticales (pour les orientations Est et Ouest) ou horizontale (pour les orientations Sud),
● les protections solaires externes fixes ou mobiles,
● les stores extérieurs (volets roulants ou stores vénitiens),
● les rideaux intérieurs (tissu),
● les vitrages spéciaux.

Techniques actives

Les techniques de rafraîchissement solaire exploitant l’énergie solaire pour produire du froid peuvent être classées en deux grandes familles :
● les techniques des systèmes fermés ; dans lesquels le réfrigérant, après avoir produit le froid, n’est pas rejeté mais réutilisé pour un nouveau cycle et ainsi de suite,
● les techniques des systèmes ouverts ; où l’air est directement traité (refroidissement, déshumidification) en fonction des conditions de confort souhaitées. Le terme « ouvert » dénote le contact direct du réfrigérant avec l’air à refroidir.

Technique des systèmes fermés

Ces systèmes regroupent les machines à sorption destinées à produire du froid, de l’eau glacée et utilisables aussi bien dans une centrale de traitement d’air que dans un réseau d’eau glacée alimentant des installations décentralisées (ventiloconvecteurs).Trois niveaux de température caractérisent ces machines, à savoir :
⮕ une température haute qui correspond à la chaleur motrice fournie au système,
⮕ une température basse qui correspond à la production de froid,
⮕ une température intermédiaire, au niveau de laquelle la quantité de chaleur prélevée sur l’eau glacée et la chaleur motrice doivent être rejetées. Pour cela, on a souvent recours à un tour de refroidissement. Notons aussi que la température intermédiaire est la somme de la haute température et de la basse température.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Généralités sur la climatisation solaire
I.1 Introduction
I.2 Définition
I.2.1 Climatisation
I.2.2 Climatisation solaire
I.2.3 Chaleur sensible et chaleur latente
I.3 Techniques de rafraîchissement
I.3.1 Techniques passives
I.3.2 Techniques actives
Chapitre 2 : Description du système
II.1 Vue globale du système
II.1.1 Schéma de principe
II.1.2 Principe de fonctionnement
II.1.3 Efficacité du système
II.2 Processus de régénération
II.3 Diagramme de l’air humide et courbe de fonctionnement du système étudié
II.3.1 Diagramme de l’air humide
II.3.2 Courbe de fonctionnement du système à étudier
II.4 Variation de la température de l’air à l’intérieur de la pièce à climatiser
Chapitre 3 : Modélisation
III.1 Système de chauffe eau solaire
III.1.1 Bilan thermique du capteur
III.1.2 Bilan thermique au niveau du stockage
III.2 Régénérateur
III.2.1 Les équations de bilans au niveau du régénérateur
III.2.2 Procédure de calcul
III.3 Absorbeur
III.3.1 Mise en équation
III.3.2 Procédure de calcul
III.4L’évaporateur
III.4.1 Les équations régissant le modèle
III.4.2 La procédure de calcul
III.5 Evolution de la température de l’air à l’intérieur de la pièce
III.5.1 Equations relatives à la variation de température
Chapitre 4 : Simulations et commentaires des résultats
IV. Système de chauffage solaire
Conclusion générale

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