L’utiLisation de L’énergie soLaire pour Les besoins de la climatisation

Climatisation solaire-Simulation d’une installation à absorption

Contexte générale et gisement solaire

De nos jours, l’utilisation rationnelle des ressources énergétiques est placée au centre de nos préoccupations. Le recours aux sources d’énergies renouvelables comme l’énergie solaire, le vent, la géothermie sont des alternatives très intéressantes pour répondre à nos besoins énergétiques. L’utilisation de l’énergie solaire dans les pays ensoleillés est un moyen efficace pour pallier au manque d’énergie surtout dans les zones rurales où il est parfois difficile et coûteux de les alimenter avec le réseau électrique conventionnel. La possibilité de production de froid à partir de l’énergie solaire a été initié par les développements technologiques dans la filière solaire. Les recherches dans ce domaine sont motivées par les besoins de climatisation pour le confort thermique dans les bâtiments. La croissance de cette demande, en particulier dans les régions chaudes imposent de s’orienter vers de nouvelles solutions.

La consommation mondiale de l’énergie sans cesse croissante, l’épuisement annoncé des ressources d’énergie fossile et le réchauffement climatique de la planète ont conduit les différents pays à promouvoir les politiques de développement durable et de protection de l’environnement. La grande partie de l’énergie consommée provient des combustibles fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon, etc.) dont l’utilisation massive peut conduire à l’épuisement de ces réserves et menace réellement l’environnement. Cette menace c’est manifesté principalement à travers la pollution et le réchauffement global de la terre du aux gaz à effet de serre. La grande préoccupation du monde actuel est d’atténuer cette pollution en essayant d’adapter les sources d’énergie classiques à des critères très sévères et de développer d’autres alternatives mettant en valeur les différentes formes des énergies renouvelables.

Les énergies renouvelables ont connu une première phase de développement à l’occasion des chocs pétroliers de 1973 et 1978, puis une période de repli après le contre-choc de 1986, avant de retrouver un second souffle en 1998 à la suite de la signature du protocole de Kyoto, protocole qui prévoit notamment une baisse de 5.2% des émissions de gaz à effet de serre des pays riche sur la période 2002-2012 par rapport à 1990 (B.S.Mohammed 2009). La situation géographique de l’Algérie favorise le développement et l’épanouissement de l’utilisation de l’énergie solaire. En effet, vu l’importance de l’intensité du rayonnement reçu ainsi que la durée de l’ensoleillement qui dépasse les dix heures par jour pendant plusieurs mois, notre pays peut couvrir certains de ses besoins en énergie solaire, ces avantages pourraient être profitables dans les régions les plus reculées surtout dans les applications de la climatisation où la consommation de l’énergie électrique est très importante.

Émissions des gaz à effet de serre (GES)

Les diverses tensions sur les différents marchés internationaux de l’énergie, nous ont orienté beaucoup plus rapidement vers d’autres sources renouvelables. En effet, l’envolée des cours du pétrole et du gaz naturel met en évidence une trop grande part de ces ressources dans notre bilan énergétique primaire. Les énergies renouvelables ont connu une première phase de développement après les chocs pétroliers de 1973 et puis 1978, puis une période de repli après le contre-choc de 1986, avant de retrouver un second souffle en 1998 à la suite de la signature du protocole de Kyoto, protocole qui prévoit notamment une baisse de 5.2% des émissions des gaz à effet de serre des pays riche sur la période 2002-2012 par rapport à 1990.

Dans ce qui suit, on présente les principaux gaz à effet de serre (A.Legendre 2009) : Le dioxyde de carbone ou gaz carbonique (CO2) : Il y a bien sûr des émissions naturelles : la respiration des plantes ou des animaux, la putréfaction, les incendies naturels, etc. Mais le CO2 est responsable d’environ 55% de l’effet de serre anthropique. Le CO2 venant des activités humaines provient pour l’essentiel de la combustion des énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz), de certaines industries (production de ciment, etc.), et pour une part non négligeable de la déforestation, notamment en zone tropicale. Actuellement, le développement de l’habitat et des transports contribue de plus en plus aux émissions de CO2. Le méthane (CH4) : Engendre environ 15% de l’effet de serre anthropique. Une partie des émissions est d’origine naturelle (zone humide naturelle, fermentation entérique). Mais plus de la moitié des émissions sont liées à l’activité humaine : l’agriculture (rizières inondées), l’extraction du gaz naturel ou les prairies.

Le protoxyde d’azote ou oxyde nitreux (N20) 

Provoque environ 5% de l’effet de serre anthropique. Les principales sources humaines d’émission sont : l’agriculture (engrais azotés), la combustion de biomasse, les activités industrielles. Il faut signaler aussi que les marges d’erreur dans la quantification des émissions de N2O sont élevées car de nombreux phénomènes restent inexpliqués. Les halocarbures, et autres gaz artificiels fluorés (HFC, PFC, SF6) : Ils sont en quasi-totalité issus des activités humaines, car ils sont synthétiques et n’existent pas à l’état naturel. On les retrouve dans les systèmes de réfrigération et de climatisation (ils sont émis dans l’atmosphère par fuites ou mise en décharge des appareils), dans les aérosols (les célèbres CFC aujourd’hui réglementés), la fabrication de mousses isolantes, ou dans les applications électriques (transformateurs, ordinateurs, téléphones portables…).

Ils participent à 15 % de l’effet de serre additionnel. Malgré le fait qu’ils représentent moins de 0,000 001% de tous les GES, ils représentent un danger majeur du fait qu’ils peuvent rester jusqu’à 50000 ans dans l’atmosphère. La vapeur d’eau (H20) : Elle représente 70 % des émissions des GES. En plus elle a une faible durée de vie dans l’atmosphère qui ne dépasse pas une dizaine de jours, ce qui lui confère des effets locaux de courte durée (formation de brouillards ou de nuages bas). La quasi-totalité de ses émissions vient du cycle de l’eau (d’origine naturelle). Et donc si l’on se limite à l’effet de serre d’origine humaine, appelé parfois effet de serre « additionnel » ou anthropique, l’influence de la vapeur d’eau sur le climat est négligeable. L’ozone (O3) troposphérique : Il engendre environ 10% de l’effet de serre anthropique, naturellement présent dans l’atmosphère. Selon l’endroit où il se trouve, il est avantageux : dans la stratosphère, il arrête les ultraviolets et il est indésirable : dans la troposphère, il représente un polluant local.

L’augmentation de température ambiante : Basé sur l’administration océanique et atmosphérique nationale (NOAA) et les disques nationaux du centre de calculs de climat des Etats-Unis, l’élévation des températures de surface globales depuis 1900 est 0.66°C, une fois calculée comme tendance linéaire. L’année 2005 était notable pour sa chaleur globale, sur la surface et dans toute la troposphère. Globalement, les températures de surface sont demeurées au-dessus de la moyenne en chacun des 12 mois et ont atteint une valeur élevée record pendant l’année. Cette chaleur anormale fait partie d’une tendance de chauffage à long terme, approximativement de 0.7°C par siècle depuis 1900 et d’un taux d’augmentation presque trois fois aussi grandes depuis 1976 (K.Soteris 2009). D’une façon générale, la température de surface en 2005 était la plus chaude depuis le commencement d’observations conformées de la température en 1880. La majorité des 10 années les plus chaudes principales se sont produites dans la décennie passée, et l’année 2005 continue une tendance à la hausse marquée dans la température globalement ramenée à une moyenne depuis le milieu des années 70. La température globale de 1850 jusqu’à 2006 est montrée sur la figure I-06. Comme on le constate, la tendance à la hausse est plus sérieuse à partir des années 70 (K.Soteris 2009).

D’un point de vue régional, les températures ramenées à une moyenne annuelle et mensuelle étaient au-dessus de la normale (température de saison) à travers la majeure partie du monde. L’Australie a éprouvé ses années les plus chaudes sur le disque comme son avril plus chaud. Pour la Russie et le Mexique, l’année 2005 était la deuxième année la plus chaude sur le disque.

L’énergie solaire : Développer une alternative aux énergies « épuisables » comme le gaz ou le pétrole est un enjeu majeur du XXIe siècle. Eau, soleil, vent, végétaux, marées, chaleur de la terre peuvent fournir de l’énergie. Une énergie propre qui favorise un développement durable, gratuite et non polluante. L’énergie solaire est à l’origine des toutes formes d’énergie dans la terre. Elle est donc à l’origine de richesses énergétiques telles que le charbon, le pétrole et le gaz. Ainsi que le cycle de l’eau, de vent et des saisons. L’énergie solaire est utilisée depuis de nombreux siècles, de façon plus ou moins indirecte pour, par exemple, chauffer. Le rayonnement solaire est un rayonnement thermique qui se propage sous la forme d’ondes électromagnétiques. Il produit à la lisière, mais en dehors de l’atmosphère terrestre, un éclairement énergétique à peu près constant et égal à 1 370 W/m2, appelé de ce fait : constante solaire

Pour atteindre chaque point de la surface éclairable du globe terrestre, les rayons solaires traversent l’atmosphère qui dissipe une partie de l’énergie provenant du soleil par :

Diffusion moléculaire (en particulier pour les radiations U.V).

Réflexion diffuse sur les aérosols atmosphériques (gouttelettes d’eau, poussières…).

Absorption sélective par les gaz de l’atmosphère.

L’atténuation correspondante du rayonnement solaire dépend de l’épaisseur de l’atmosphère traversée, celle-ci dépendant à son tour de la latitude du lieu considéré et du temps. Cette caractéristique nous conduisant a étudie l’énergie solaire sur deux axe, l’aspect géométrique et énergétique.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Chapitre I : Contexte générale et gisement solaire
I.1. INTRODUCTION
I.2. CONTEXTE GENERALE
I.2.1. LA CONSOMMATION ENERGETIQUE
I.2.2. LA PRODUCTION DE CO2
I.2.3. ÉMISSIONS DES GAZ A EFFET DE SERRE (GES)
I.2.4. L’AUGMENTATION DE TEMPERATURE AMBIANTE
I.3. L’ENERGIE SOLAIRE
I.3.1. ASPECTS GEOMETRIQUES DE L’ENERGIE SOLAIRE
I.3.2. ASPECTS ENERGETIQUES DE L’ENERGIE SOLAIRE
I.4. CLIMAT D’ALGERIE
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
Chapitre II : Etat de l’art des capteurs solaires et modélisation
II.1. INTRODUCTION
II.2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
II.3. PERFORMANCE D’UN CAPTEUR SOLAIRE THERMIQUE
II.4. CLASSIFICATION DES CAPTEURS SOLAIRES THERMIQUES
II.4.1. LES CAPTEURS PLANS
II.4.2. LES CAPTEURS SOLAIRES A CONCENTRATION
II.5. ADAPTATION AVEC LES SYSTEMES FRIGORIFIQUES
II.6. LE STOCKAGE DE L’ENERGIE SOLAIRE
II.6.1. LE STOCKAGE PAR CHALEUR SENSIBLE
II.6.2. LE STOCKAGE PAR CHALEUR LATENTE
II.7. SIMULATION DYNAMIQUE D’UN CAPTEUR CYLINDRO-PARABOLIQUE
II.7.1. INTRODUCTION
II.7.2. LES HYPOTHESES
II.7.3. DESCRIPTION GEOMETRIQUE DE CAPTEUR CYLINDRO-PARABOLIQUE
II.7.4. LE BILAN ENERGETIQUE DU CAPTEUR
II.7.5. PARAMETRES DE SIMULATION
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
Chapitre III : Climatisation solaire-Simulation d’une installation à absorption
III.1. INTRODUCTION
III.2. LA CLIMATISATION SOLAIRE
III.2.1. L’AVANTAGE DES SYSTEMES DE RAFRAICHISSEMENT SOLAIRE
III.2.2. DESCRIPTION DES TECHNOLOGIES DE CLIMATISATION SOLAIRE
III.2.3. EXISTENCE DANS LE MARCHE
III.3. LES DIFFERENTES TECHNOLOGIES
III.3.1. MACHINE A COMPRESSION DE VAPEUR
III.3.2. COUPLAGE D’UNE MACHINE A EFFET PELTIER AVEC PV
III.3.3. MACHINE A EJECTION COUPLE AVEC CAPTEUR THERMIQUE
III.3.4. COUPLAGE D’UNE MACHINE A ADSORPTION AVEC PT
III.3.5. COUPLAGE D’UNE MACHINE DESSICCANTE AVEC PT
III.3.6. COUPLAGE D’UNE MACHINE A ABSORPTION AVEC PT
III.4. COMPARAISON ENTRE LES SYSTEMES DE PRODUCTION DE FROID
III.5. SIMULATION D’UNE INSTALLATION A ABSORPTION
III.5.1. PRESENTATION DE L’INSTALLATION
III.5.2. HYPOTHESES
III.5.3. MODELISATION
III.5.4. RESULTATS ET DISCUSSIONS
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHE
Chapitre IV : Simulation dynamique d’un Bâtiment avec TRNSYS
IV.1. INTRODUCTION
IV.2. LA SIMULATION THERMIQUE DYNAMIQUE (STD)
IV.2.1. L’OBJECTIF DE STD
IV.2.2. LE MOYEN DE STD
IV.2.3. L’ENVIRONNEMENT TRNSYS
IV.3. EMPLACEMENT GEOGRAPHIQUE
IV.4. DESCRIPTION STRUCTURELLE DU BATIMENT
IV.4.1. COMPOSANT DE LA STRUCTURE
IV.4.2. COMPORTEMENT DU SYSTEME
IV.4.2.1. Le confort thermique
IV.4.2.2. Application au Bloc de bureaux
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIQUE
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIQUE
Annexe : Propriété thermodynamique du réfrigérant et de la solution
LE COUPLE
LE REFRIGERANT
LA SOLUTION
LE COUPLE
LE REFRIGERANT
LA SOLUTION

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