ETUDE DU POTENTIEL DE RAFRAICHISSEMENT D’UN SYSTEME EVAPORATIF PAR

DESORPTION AVEC REGENERATION SOLAIRE

Chadi Maalouf

LEPTAB- Université de La Rochelle

Dirigée par : E. Wurtz

PLAN DE L’EXPOSÉ

Description du système

Modélisation et simulations

Suivi expérimental

PROBLEMATIQUE

Climatiseurs traditionnels

Augmentation de la consommation d’électricité

Réfrigérants nuisibles a l’environnement

Rafraîchissement passif

Limité en période de canicule

Insuffisant pour les bâtiments à charge latente élevée

Solution:

Rafraichissement évaporatif avec régénération solaire

DESCRIPTION DU SYSTEME

Collecteur solaire

Façade sud vitrée avec protection solaire

Charge interne = occupants + éclairage

Installation de traitement de l’air

Ballon de stockage

DETAILS DU SYSTEME

Capteur solaire

Roue dessiccante

Echangeur rotatif

Ventilateur

Ballon de stockage

Humidificateurs Local

Air rejeté

Air extérieur Air soufflé

Air extrait

VENTILATION ET HUMIDIFICATION DIRECTE

Ventilation Humidification directe

Humidification indirecte

HUMIDIFICATION INDIRECTE

Mode combiné

HUMIDIFICATION COMBINEE

Mode dessiccant

FONCTIONNEMENT DU SYSTEME

MODÉLISATION DES COMPOSANTS DU SYSTÈME

Humidificateurs à température humide constante

Méthode de NUT pour l’échangeur rotatif non hygroscopique et pour l’échangeur de régénération

Ballon de stockage: modèle à température uniforme

Capteur solaire modèle quasi-dynamique prenant en compte la capacité du capteur

Roue dessiccante: modèle développé par Stabat (2002) et utilisé dans ECOCLIM

0

200

600

1000

1400

1800

air

à la surface du dessiccant

Pression partielle de vapeur d'eau (Pa)

entrée sortie

Air extérieur

FONCTIONNEMENT EN DESHUMIDIFICATION

Air déshumidifié

20 tr/h

Régénération

Pression partielle de vapeur d'eau (Pa)

1500

2500

3500

air

entréesortie

à la surface du dessiccant

Réchauffeur

FONCTIONNEMENT EN REGENERATION

a ad

a

w wW 1M V u 0

t v t z

eqamd wwSht

WM

01

z

hu

t

hV

vt

HM aa

ad

macapvfgeqamd TTShTchwwSht

HM

Equation de conservation de masse

Equation de transfert de masse

Equation de transfert d’énergie

Equation de conservation d’énergie

WfwT eqeq ,Equation de l’isotherme de sorption

MISE EN EQUATION

a meq a.

a

a cm a.

a pa pv a

w h *Sw w

x m

T h *ST T

x m c c w

taps eq -NUT

ape eq

T -T=e

T -T

waps eq -NUT

ape eq

w -w=e

w -w

Deux efficacités par rapport au point d’équilibre de la matrice sont considérées

Pt d’équilibre déterminé en se basant sur la méthode des caractéristiques appliquées aux équations de la roue desiccante (Banks, Close et Maclaine-Cross 1972)

MODELE D’ECOCLIM

Cas idéal, coefficients d’échanges thermique et massique infinis

T et h sont remplacés par F1 et F2 (les potentiels caractéristiques)

F1, et F2 ne peuvent être déterminés explicitement, seules les trajectoires isopotentielles peuvent être déterminées

MÉTHODE DES CARACTÉRISTIQUES

Hum. Abs. Kg/kg

Température, °C

SORTIE IDEALE

OBJECTIFS DES SIMULATIONS

COUPLAGE AVEC LE BATIMENT

L’air est supposé comme un gaz parfait et il est représenté par un nœud

Le modèle des parois est implémenté en utilisant la méthode des différences finies

Les échanges par rayonnement sont faits en utilisant la méthode de l’enceinte fictive (Walton 1980)

SIMULATIONS

Etudes paramétriques pour une journée de référence

Utilisation des lignes limites

Simulations saisonnières

Couplage avec l’installation solaire

ETUDES PARAMETRIQUES EN MODE DESSICCANT

Installation dessiccante couplée à un modèle de bâtiment à un nœud (température de régénération constante)

Conditions de référence:

Efficacité des humidificateurs 0,85

Echangeur rotatif 0,8

Rendement des ventilateurs 0,8

Température de régénération 50°C

Local contient 40 personnes

Eclairage de 600 W

Energie de régénération supposée gratuite

•Température de régénération

•Efficacité de l’humidificateur de soufflage

•Efficacité de l’humidificateur de retour

•Efficacité de l’échangeur rotatif

•Rendement des ventilateurs

•Débit de régénération autour de la roue dessiccante

•Occupation du local

•Vitesse de l’air dans la roue dessiccante

•Prise en compte des transferts hygrothermiques dans le local

PARAMETRES DE LA SIMULATION

EFFET DE LA TEMPERATURE DE REGENERATION

18

20

22

24

26

40 45 50 55 60 65 70

T régénération , °C

Tem

pér

atu

re,°

C

0,65

0,675

0,7

0,725

0,75

Hu

mid

ité

rela

tive

, *10

0%

T de soufflage, °C T local, °C Hum. relative local, *100%

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

40 45 50 55 60 65 70

T régénération, °C

CO

Pth

erm

iqu

e

0

1,2

2,4

3,6

4,8

6

CO

Pé

lec

triq

ue

COP thermique COP électrique

COEFFICIENTS DE PERFORMANCE

EFFET DE L’ECHANGEUR ROTATIF

0

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Efficacité de l'échangeur rotatif

CO

Pth

erm

iqu

e

0

1,2

2,4

3,6

4,8

6

CO

Pél

ectr

iqu

e

COPthermiqueCOPélectrique

UTILISATION DES LIGNES LIMITES

Objectif: Etude du potentiel de l’installation dessiccante en fonction des conditions extérieures.

Définition d’une ligne limite:Dans le diagramme de l’air humide et pour un mode de fonctionnement donné, elle délimite les états de l’air extérieur à partir desquels l’air peut être refroidi à une température de soufflage donnée.

Elle est construite point par point par simulation

LIGNE LIMITE EN HUMIDIFICATION DIRECTE

LIGNES LIMITES POUR LES DIFFERENTS MODES DE FONCTIONNEMENT

APPLICATION AUX LIGNES LIMITES

SIMULATIONS SAISONNIERES

LOGIQUE DE FONCTIONNEMENT

Période d’occupation

Période d’inoccupation:

Plusieurs stratégies possibles ont été comparées

La plus favorable correspond à l’humidification directe

LOGIQUE DE FONCTIONNEMENT

PARAMETRES CALCULES

i i ref ii

IB= α *(T (t)-T )*δ(T )

Paramètres calculés:

Pourcentage de fonctionnement en mode dessiccant

Qrégénération

Qélectrique

COP thermique saisonnier,COP électrique saisonnier, COP électrique sensible

iIIH HR 70 * T

Indice de besoin

Indice d’inconfort d’humidité

UTILISATION DU MODE DESSICCANT

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

Nice Marseille Ajaccio Carpentras Agen Toulouse Bordeaux La Rochelle Chambery Limoges

% d

'opé

ratio

n en

mod

e de

ssic

cant

(*10

0)

0 vol/h 1.5 vol/h 3 vol/h 6 vol/h 9 vol/h

Po

urc

enta

ge

de

fon

c. e

n m

od

e d

essi

ccan

t, *

100%

VARIATION AVEC LA TEMPERATURE HUMIDE

y = 0,1234x - 1,7314

R2 = 0,975

y = 0,1116x - 1,6006

R2 = 0,9817

y = 0,1074x - 1,5675

R2 = 0,9804

y = 0,1042x - 1,5284

R2 = 0,9699

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

15 17 19 21

Température, °C

% d

u m

od

e d

essi

ccan

t, (*

100)

0 vol/h

1.5 vol/h

3 vol/h

6 vol/h

9 vol/h

Linéaire (0 vol/h)

Linéaire (1.5 vol/h)

Linéaire (3 vol/h)

Linéaire (9 vol/h)

CONSOMMATIONS ENERGETIQUES

0

1

2

3

4

5

6

Nice Marseille Ajaccio Carpentras Agen Toulouse Bordeaux La Rochelle Chambery Limoges

En

ergi

e d

e ré

gén

érat

ion

, (m

illie

rs d

e k

Wh

)

0 vol/h 1.5 vol/h 3 vol/h 6 vol/h 9 vol/h

0

0,4

0,8

1,2

1,6

2

Nice Marseille Ajaccio Carpentras Agen Toulouse Bordeaux LaRochelle

Chambery Limoges

Con

som

mat

ion

éle

ctri

qu

e, (

mill

iers

de

kW

h)

0 vol/h 1.5 vol/h 3 vol/h 6 vol/h 9 vol/h

INDICE DE BESOIN

0

50

100

150

200

250

300

Ajaccio Nice Marseille Bordeaux Toulouse Carpentras

IB (°

C h

)

0 vol/h 1.5 vol/h 3 vol/h 6 vol/h 9 vol/h

INDICE D’HUMIDITE

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Nice Marseille Ajaccio Carpentras Agen Toulouse Bordeaux LaRochelle

Chambery Limoges

IIH

(%

hr)

c

Sans transfert d'humidité Avec transfert d'humidité

PERFORMANCE DU SYSTEME

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Carpentras Marseille Chambery Limoges Nice Agen LaRochelle

Ajaccio Toulouse Bordeaux

CO

Pth

erm

ique

et H

R

c

c

0

0,8

1,6

2,4

3,2

4

CO

Pél

ec. (

sens

ible

et t

otal

e)

c

HR COPthermique saisonnierCOPélec. saisonnier COPélec. sensible sais.

COUPLAGE AVEC LE SOLAIRE:Modes de fonctionnement de l’installation solaire

Déstockage

StockageStockage et régénération

Régénération et déstockageRégénération directe

COUPLAGE INSTALLATION DESSICCANTE AVEC LE SOLAIRE

Deux concepts sont possibles:

Fonctionnement assisté par le solaire. Utilisation de la fraction solaire pour dimensionner l’installation solaire.

Fonctionnement autonome. Utilisation des simulations saisonnières pour minimiser les heures où les consignes en humidité et température sont dépassées.

PARAMETRES DE DIMENSIONNEMENT

Fonctionnement autonome:

Indice de besoin (pour l’évaluation du confort)

tTtT refi **IB i

Nombre des heures auxiliaires dans lesquelles l’énergie solaire n’est pas disponible

Fonctionnement assisté:Facteur solaire

)auxiliaire (solaire on totalerégénérati de énergie

solaireon régénérati de énergieSF

CAS ETUDIES

  Fonctionnement V(débit de régénération/

débit de soufflage)

Cas 1 Autonome 1Cas 2 Autonome 0,677Cas 3 Assisté par le solaire 0,677

  Temp. humide moyenne

saisonnière diurne (°C)

Temp. humide

max. (°C)

Humidité absolue max. (g /kg air sec)

Marseille 18,87 22,87 14,48

Données météo

IB

, ° h

eure

s

CAS 1 & 2 (fonctionnement autonome)

Volume de stockage (m3)

CAS 3 (fonctionnement assisté)

Volume de stockage (m3)

Fra

ctio

n s

olai

re

SUIVI EXPERIMENTALPARTENAIRES

ARMINES-CEP (DIMENSIONNEMENT ET RÉGULATION)

LE LEPTAB (MESURES EXPÉRIMENTALES)

L’ASDER

ITF (BUREAU D’ÉTUDES)

LA VILLE DE CHAMBÉRY

L’ADEME

LE CONSEIL RÉGIONAL DE LA RÉGION RHÔNE-ALPES

Vue de l’installation couplée au bâtiment de la maison des énergies de Chambéry

SUIVI EXPERIMENTAL

ROUE DESSICCANTE

ROUE DESSICCANTE

INDUSTRIEL: KLINGENBURG

ROUE SECO H800/L900 D 695 E 450

MATERIAU CHLORURE DE LITHIUM

Trég 40 à 70°C

HUMIDIFICATEURS

HUMIDIFICATEURS

TYPE: ULTRASON

FABRICANT: MICROMIST

INSTALLATION HYDRAULIQUE

BALLON DE STOCKAGE

RECHAUFFEUR ELECTRIQUE

PILOTAGE DE L’INSTALLATION A AIR

PILOTAGE DE L’INSTALLATION HYDRAULIQUE

CONCLUSION ET PERSPECTIVES

Plusieurs méthodes (simulations saisonnières, lignes limites) ont montré que seul, le desiccant cooling est une solution intéressante pour les régions tempérées modérément humides (humidité absolue entre 13 et 16 g/kg d’air sec).

Les simulations ont montré le rôle de chaque composant, elles ont permis de réduire les besoins du système en énergie primaire (ventilation nocturne, by-pass) et de dimensionner l’installation solaire.

SimSPARK est un outil adapté aux études paramétriques complexes.

Compléter les mesures expérimentales par des mesures sur de longues durées avec une logique de fonctionnement à respecter.

Amélioration de la technologie à travers l’utilisation et le développement d’échangeurs plus performants (à surface de retour humide) ou l’utilisation d’autres matériaux dessiccants.

CONCLUSION ET PERSPECTIVES