Sihame El-Morid, Ayoube Baalla et Zakaria Ouamkal

Dans le cadre du Projet

Filière : Techniques d

CLIMATISATION

Soutenu le 02 Juin

H. Chaib H. Zgou

MÉMOIRE Réalisé par

Morid, Ayoube Baalla et Zakaria Ouamkal

Dans le cadre du Projet Professionnel

Techniques d’Exploitation des Énergies RenouvelablesAnnée : 2013/2014

Thème

LIMATISATION SOLAIRE

Juin 2014 à 18H00 devant la commission d’examen

Professeur, FPO, Ouarzazate Professeur, FPO, Ouarzazate Examinateur

Morid, Ayoube Baalla et Zakaria Ouamkal

Exploitation des Énergies Renouvelables

examen

Encadrant Examinateur

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REMERCIEMENTS

Au terme de ce travail, nous tenons à exprimer notre gratitude et nos remerciements pour toutes les personnes qui ont contribué à sa réalisation.

Nous tenons tout d’abord à remercier notre professeur et encadrant Monsieur Hassan Chaib, pour son soutien et sa supervision tout au long de la réalisation de ce travail.

Nous adressons nos remerciements également à tout le corps enseignant de la Faculté Polydisciplinaire de Ouarzazate l’orientation constructive, notamment Monsieur Thami Ait Taleb pour les conseils fructueux qu’il nous a prodigué.

Nous remercions aussi le corps administratif de notre faculté particulièrement Monsieur le Doyen pour les efforts qu’il consacre pour garantir le bon fonctionnement de la faculté.

Nos remerciement vont aussi à Monsieur Akboub, professeur à l’OFPPT filière froid industriel et climatisation, ainsi qu’à Monsieur Mohamed Mghrouf, technicien du froid et de réfrigération, qui ont participé à élaborer ce travail en mettant à notre disposition leurs expériences et leurs compétences.

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SOMMAIRE

INTRODUCTION ................................................................................................................................. 5

CHAPITRE I : GENERALITES ...................................................................................................... 6 I.1. INTRODUCTION ....................................................................................................................... 6 I.2. CONSOMMATION D’ÉNERGIE .................................................................................................. 6

I.2.1. Causes de la croissance des besoins énergétiques au Maroc ........................................ 6

I.2.2. Conséquences économiques de la croissance des besoins énergétiques au Maroc ....... 7

I.2.3. Mesures prises par le gouvernement ............................................................................. 8 I.3. CLIMATISATION AUJOURD’HUI ............................................................................................... 8

I.4. CONSÉQUENCES ET RISQUES D’UNE SUR CLIMATISATION ...................................................... 9

I.4.1. Consommation d’énergie .............................................................................................. 9 I.4.2. Fluides frigorigènes utilisés .......................................................................................... 9

I.5. CONCLUSION ......................................................................................................................... 10 CHAPITRE II : SYSTEMES DE CLIMATISATION SOLAIRE ................................................. 11

II.1. INTRODUCTION ..................................................................................................................... 11 II.2. PARTIE SOLAIRE D’UN SYSTÈME DE CLIMATISATION ........................................................... 11

II.2.1. Capteurs solaires ......................................................................................................... 11 II.2.1.1. Capteurs solaires thermiques plans à eau ........................................................ 11

II.2.1.2. Capteurs solaires thermiques sous-vides .......................................................... 12

II.2.1.3. Capteurs solaires thermiques cylindro-paraboliques ....................................... 12

II.2.2. Système de production de chaleur d’appointe ............................................................ 12

II.3. COMPOSANTES D’UN SYSTÈME DE CLIMATISATION ............................................................. 13 II.3.1. Condenseurs ................................................................................................................ 13

II.3.1.1. Fonctionnement ................................................................................................. 13 II.3.1.2. Technologies de condenseurs ............................................................................ 13

II.3.2. Évaporateurs ............................................................................................................... 13 II.3.2.1. Fonctionnement ................................................................................................. 13 II.3.2.2. Technologies d’évaporateurs ............................................................................ 14

II.3.3. Détendeurs .................................................................................................................. 14 II.3.3.1. Fonctionnement ................................................................................................. 14 II.3.3.2. Technologies de détendeurs .............................................................................. 14

II.4. SYSTÈMES DE PRODUCTION DE FROID .................................................................................. 15

II.4.1. Machines frigorifiques à compression mécanique ...................................................... 16

II.4.1.1. Principe de fonctionnement............................................................................... 16 II.4.1.2. Description du cycle du fluide frigorigène ........................................................ 16

II.4.1.3. Climatisation réversible .................................................................................... 17 II.4.2. Machines frigorifiques à énergie thermique ............................................................... 17

II.4.2.1. Machines à absorption ...................................................................................... 18 II.4.2.2. Machines à adsorption ...................................................................................... 19

II.4.3. Autres composants ...................................................................................................... 20 II.4.3.1. Tour de refroidissement .................................................................................... 20 II.4.3.2. Stockage d’eau glacée ....................................................................................... 22 II.4.3.3. Isolants .............................................................................................................. 24

II.5. CLIMATISATIONS SOLAIRES AUTONOMES ET AVEC APPOINT ................................................ 25

II.6. CONCLUSION ......................................................................................................................... 25 CHAPITRE III : REALISATION D’UN PROTOTYPE ................................................................. 26

III.1. INTRODUCTION ..................................................................................................................... 26 III.2. COMPOSANTES DU PROTOTYPE............................................................................................. 26

III.3. DIFFICULTÉS PRATIQUES RENCONTRÉES .............................................................................. 26

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III.4. FONCTIONNEMENT DE CIRCUIT FRIGORIFIQUE ..................................................................... 27 III.5. CONCLUSION ......................................................................................................................... 28

CONCLUSION ................................................................................................................................... 29

BIBLIOGRAPHIE .............................................................................................................................. 30

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INTRODUCTION

Ouarzazate est une ville caractérisée par son ensoleillement qui fournit un rayonnement lumineux intense et une chaleur très forte, particulièrement en été. Comme la plupart des gens utilisent, dans cette période, des dispositifs de refroidissement (climatiseur), ce qui conduit à une grande consommation de l’énergie électrique.

Le soleil est une source d’énergie inépuisable, et ici se pose la question : est-il possible d’exploiter cette énergie thermique pour réduire la consommation d’énergie électrique ?

La consommation d’énergies fossiles est l’une des principales sources de la dégradation de l’environnement. L’usage massif de ces combustibles a déjà commencé à dérégler l’effet de serre (CO2, NOx, SO2), et les déchets nucléaires issus de la production d’énergie atomique représentent un risque sans précédent pour les générations à venir, en plus la déforestation à des fins de production d’énergie est l’une des principales causes de la désertification des sols.

Au rythme actuel de notre consommation, de quelles ressources énergétiques disposerons-nous demain ? Le pétrole sera la première source d’énergie à s’épuiser vers2040, dans moins de deux générations … L’uranium et le gaz naturel n’atteindront pas les années 2075. Le charbon est plus abondant, mais ses réserves utiles ne dépassent pas deux ou trois cents ans. Enfin les difficultés de la surgénération et de la fusion nucléaire montrent que la perspective de disposer à court terme d’une énergie abondante et quasi-gratuite reste pour l’instant un mythe.

Seule l’utilisation de toutes les formes d’énergies renouvelables (solaire, éolien, hydraulique, bois et biomasse) et une augmentation de l’efficacité énergétique permettront d’éviter de piller définitivement notre planète pour nos seuls besoins immédiats.

L’objectif de ce projet de fin d’études est d’étudier la possibilité d’utiliser l’énergie solaire pour la climatisation des locaux et de citer toutes les technologiques existantes et celles qui sont en cours d’expérimentation qui permettent l’exploitation de cette énergie dans ce but et expliquer leurs principes de fonctionnement.

Ce mémoire comporte trois chapitres. Il est organisé de la façon suivante :

Le premier chapitre est consacré à l’estimation de la consommation de l’électricité au Maroc et particulièrement pour la climatisation ainsi que les facteurs moteurs du développement du marché de la climatisation.

Dans le deuxième chapitre, nous étudierons en détail les différentes technologies de la climatisation solaire.

En fin, le troisième chapitre présente une étude technique et financière d’un prototype que nous avons réalisé.

Ce mémoire se termine par une conclusion.

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CHAPITRE I : GENERALITES

I.1. I NTRODUCTION

L’expression « climatisation solaire » désigne l’ensemble des moyens pour climatiser en utilisant comme ressource énergétique primaire l’énergie fournie par les rayonnements du soleil.

Ce mode de climatisation, qui peut se substituer à l’utilisation de ressources fossiles, présente comme principal intérêt de pouvoir fournir le plus de froid quand il fait le plus chaud, ce qui correspond généralement aux périodes où le soleil est le plus disponible.

I.2. CONSOMMATION D ’ ÉNERGIE

L’énergie constitue, de toute évidence, un facteur stratégique pour le développement économique et social. L’étroite relation entre énergie et croissance explique l’augmentation croissante de la demande d’énergie, dans le monde entier surtout avec l’apparition de nouveaux pays émergents qui connaissent un développement socio-économique et qui sont particulièrement peuplés. Ce phénomène crée une pression considérable sur des ressources énergétiques non renouvelables. Les pays qui n’en disposent pas ou pas suffisamment sur leur territoire voient ainsi augmenter leur dépendance vis-à-vis de l’extérieur.

Ce qui est le cas du Maroc qui ne dispose pas – en tout cas pas encore – de ressources significatives en matière d’énergie primaire, et dont la demande d’énergie est en progression constante, et pourrait atteindre le double de son niveau actuel d’ici 2020 et quadrupler d’ici 2030.

I.2.1. Causes de la croissance des besoins énergétiques au Maroc

La croissance des besoins énergétiques du Maroc revient à plusieurs causes dont les principales sont :

• Le développement démographique connu par le Maroc suite à l’amélioration du niveau de vie et des conditions de santé et d’hygiène. Outre, le nombre d’habitant, plusieurs facteurs entrent en jeu, à savoir, le déplacement des populations du monde rural vers les villes où les modes de vie génèrent des besoins d’énergie des individus incomparablement plus élevés, l’explosion des équipements d’information et de communication, et des besoins d’électricité qui leur sont liés. La Figure I-1 montre l’évolution de la consommation électrique par habitant au Maroc depuis 1970.

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Figure I-1 : Évolution de la consommation électrique par habitant au Maroc.

• Généralisation de l’accès à l’électricité. La Figure I-2 montre les résultats considérables réalisés au Maroc en matière de généralisation de l’accès à l’électricité.

Figure I-2 : Évolution de l’électrification au Maroc.

• Réalisation des grands projets structurants et développement économique du pays, ce qui a conduit à un développement inédit des secteurs de construction et de mobilité exigeant une fort disponibilité énergétique.

I.2.2. Conséquences économiques de la croissance des besoins énergétiques au Maroc

Le Maroc, vu son développement économique accéléré, a connu une progression conséquente de sa consommation énergétique, soit près de 40% entre 2004 et 2011. Cette forte progression a conduit à une augmentation des importations pour combler les besoins en pétrole brut pour assurer l’approvisionnement du pays. Devant une production énergétique locale faible, qui ne dépasse pas 4% entre 2004 et 2011 par rapport à la consommation intérieure brute, la dépendance énergétique est importante avec une moyenne de 96%.

La Figure I-3 montre l’évolution de cet indicateur entre 2004 et 2011.Cet indicateur est fortement lié au développement des ressources énergétiques nationales, notamment les énergies renouvelables. A cet effet, il y a lieu de signaler que la plus faible valeur du taux de dépendance énergétique a été enregistrée au cours de l’année 2010 en affichant 93%, suite à la pluviométrie importante qui a marqué cette année.

Les prix élevés du pétrole sur le marché international exerce une forte pression sur la balance commerciale du pays. Les subventions du gouvernement visant à maintenir la stabilité du prix du fuel, qui est actuellement à la source de 27%de la production d’électricité, font également pression sur le déficit budgétaire.

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Figure I-3 : Évolution de l’indicateur de dépendance énergétique du Maroc.

La croissance de l’usage de l’énergie à, par ailleurs, des conséquences environnementales dangereuses qui affectent déjà la qualité de vie des citoyens surtout dans les zones industrielles.

I.2.3. Mesures prises par le gouvernement

Pour faire face au défi énergétique au Maroc le gouvernement travaille à la mise en place de des projets importants dont le plus ambitieux et d’accroitre la part des énergies renouvelables dans le bouquet énergétique du pays. L’objectif du gouvernement est que 42% de la capacité de production en électricité soit assuré par les énergies renouvelables d’ici 2020, avec une répartition égale de l’hydroélectrique, de l’éolien et du solaire (Figure I-4).

Il a attiré des investissements étrangers dans le secteur et plusieurs projets solaires et éoliens devraient voir le jour dans les prochaines années grâce à des financements étrangers.

Figure I-4 : Répartition du mix énergétique du Maroc entre 2010 et 2020.

I.3. CLIMATISATION AUJOURD ’ HUI

Le marché bénéficie d’une forte demande, tant dans le segment résidentiel que professionnel et les ventes évoluent d’année en année. À titre d’exemple, le marché de la climatisation a enregistré une croissance globale de 13% en 2010 avec 200 000 unités vendus, soit une augmentation de 19 % par rapport à 2008, et en 2011 le nombre d’unités vendues a augmenté à 210 000 unités.

Ce développement est le fruit de plusieurs facteurs, dont les plus importants sont le changement climatique connu par notre pays, et qui a fait que la chaleur des journées estivales devient de plus en plus intense et la dynamique que connaît le secteur de la

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construction qui a conduit à une forte demande de la climatisation et la diminution des prix de vente des climatiseurs, qui ont été divisés par dix, en l’espace de 20 ans, glissant ainsi de 22000 à 30 000 DH l’appareil à près de 3 000 DH. Le coût des prestations d’installation a aussi emprunté la même courbe descendante.

Cependant le fait d’avoir un climatiseur est encore considéré comme un confort privilégié à cause de la consommation importante de cet appareil qui n’est pas à la portée du pouvoir d’achat de tous les foyers marocains.

I.4. CONSÉQUENCES ET RISQUES D’ UNE SUR CLIMATISATION

I.4.1. Consommation d’énergie

Le climatiseur est l’un des appareils domestiques le plus énergivore du foyer. La classe climatique est également un facteur très important dans la consommation d’énergie d’un climatiseur. Les climatisations, sont classées selon leur consommation électrique et leur performance. Les classes énergétiques vont de A à G, de la plus économe à la plus gourmande. Par exemple, un modèle de classe énergétique A+ consomme en moyenne 25% d’énergie en moins qu’un modèle classé A. Un climatiseur classé A++ permettrait 60% d’économies d’électricité par rapport à un modèle de classe énergétique C, alors qu’au niveau du prix d’achat les climatiseurs qui consomment plus d’énergie sont moins chers.

A l’heure de la construction, les entreprises immobilières font l’installation de toutes les commodités. Mais lors de l’achat du matériel de climatisation, le promoteur immobilier se soucie peu des économies d’énergie et opte pour les modèles les moins chers mais qui consomment beaucoup. Ce qui est normal puisque ce ne sont pas eux qui vont payer la facture. Mais ce n’est pas seulement le promoteur qui se désengage du point de vue énergétique. Les foyers marocains ne semblent pas très sensibles à cet argument et prennent généralement le modèle le moins coûteux. A l’échelle industrielle, cet aspect est déterminant avant tout investissement. Car dans ce cas, le choix du matériel se fait aussi et surtout en considérant le coût de la consommation d’énergie.

La climatisation peut avoir aussi des effets désastreux pour l’atmosphère en accélérant le réchauffement climatique, une situation dénoncée par les spécialistes qui prônent une plus grande rigueur dans la profession. Les climatiseurs fonctionnent avec des fluides frigorigènes à base d’hydro-fluoro-carbones (HFC) dont le pouvoir de réchauffement est 2000 fois plus élevé que celui du CO2, le plus connu des gaz à effet de serre responsables du changement climatique, selon l’agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie (ADEME). Ces fluides doivent donc être utilisés dans des circuits parfaitement étanches pour éviter qu’ils ne s’échappent dans l’atmosphère, et recyclés seulement par des spécialistes, pourtant la moitié des fluides frigorigènes mis sur le marché sont destinés à compenser des fuites.

I.4.2. Fluides frigorigènes utilisés

Les fluides frigorigènes sont des composés organiques simples qui contiennent 1 à environ 4 atomes de carbone, des atomes de halogène (chlore ou fluore) et souvent encore de l’hydrogène.

• CFC est une abréviation de chloro-fluoro-carbone. On désigne ainsi les molécules composées uniquement de ces 3 éléments ;

• HCFC désigne hydrogéno-chloro-fluoro-carbone. Ces molécules contiennent en plus l’élément hydrogène ;

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• HFC désigne hydrogéno-fluoro-carbones. Ces molécules ne contiennent pas de chlore.

Les CFC et HCFC et HFC ont des propriétés physiques similaires. Ce sont des gaz ou des solvants qui se prêtent bien comme liquide réfrigérant dans les machines à froid.

Ces substances sont capables d’absorber le rayonnement infrarouge et ont alors un effet de serre puissant. Elles présentent par contre des différences de comportement chimique et physico-chimique :

• CFC : Les CFC sont très stables. Dans la nature ils ne se décomposent quasiment pas et restent inchangés dans l’atmosphère pendant des nombreuses décennies. Cette même inertie est favorable dans les machines à froid. Les liquides restent sans dégradation pendant des décennies. Les CFC sont des substances appauvrissant la couche d’ozone. Leur utilisation est interdite par le protocole de Montréal. Actuellement la production des CFC a pratiquement cessée.

• HCFC : Les HCFC sont moins stables. Dans l’atmosphère, ils se décomposent dans un laps d’environ 10 ans pour former des sous-produits apparemment non nuisibles dans l’atmosphère. À cause de leur durée de vie limitée, les HCFC appauvrissent la couche d’ozone dans une moindre mesure et leur effet de serre est également amoindri. Comme ils étaient réputés non nuisibles, on les a produits en masse. Ils sont touchés par le protocole de Montréal dans un deuxième temps.

• HFC : Ils ne contiennent pas de chlore et sont inoffensifs pour l’ozone. On les utilise comme remplaçant des deux classes de produits ci-dessus. Ils se décomposent également dans l’atmosphère dans un délai variant entre de 3 à 50 ans. La production mondiale de HFC, aujourd’hui encore relativement faible, risque de croître exponentiellement et menace de poser en peu d’années un problème extrêmement sérieux pour le climat. Il serait souhaitable de limiter également la production de HFC pour les remplacer par des gaz sans effet de serre et non nuisible pour l’environnement, mais il n’est pas si facile de trouver des remplaçants pour les HFC. On peut recourir à l’ammoniaque, produit utilisé historiquement dans les machines à froid, mais qui pose de nombreux problèmes techniques.

I.5. CONCLUSION

Ce chapitre expose les méfaits de l’augmentation de la consommation de l’électricité sur l’économie marocaine ce qui nous incite à développer d’exploitation des énergies renouvelables sur tout dans le domaine de la climatisation qui est parmi les plus énergivores dans le secteur résidentiel et tertiaire.

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CHAPITRE II : SYSTEMES DE CLIMATISATION SOLAIRE

II.1. I NTRODUCTION

Dans ce chapitre, nous allons parler des systèmes de climatisation solaire. Nous allons traiter indépendamment la partie solaire et la partie frigorifique d’un système de climatisation solaire, leurs différentes technologies et leurs principes de fonctionnement. Nous allons traiter également les systèmes d’appoint.

II.2. PARTIE SOLAIRE D ’ UN SYSTÈME DE CLIMATISATION

II.2.1. Capteurs solaires

Il existe toute une gamme de capteurs solaires qui permettent de répondre aux différents besoins. Il faut choisir le type de capteurs qui correspond le mieux au niveau de température auquel on désire travailler. Bien entendu, plus le niveau de température est élevé, plus les technologies mises en œuvre sont évoluées et plus les coûts de production sont élevés.

Les types de capteurs le plus souvent utilisés en climatisation solaire sont cités ci-dessous.

II.2.1.1. Capteurs solaires thermiques plans à eau

Un capteur solaire (Figure II-1) comprend :

• une plaque et des tubulures noires qui constituent l’absorbeur qui reçoit le rayonnement solaire et s’échauffe ;

• un coffre rigide et thermiquement isolé autour de l’absorbeur. Il est vitré et laisse pénétrer le soleil et retient la chaleur comme une petite serre.

Figure II-1 : Schématisation d’un capteur solaire.

Cet ensemble peut être placé sur un toit ou au sol, avec quelquefois un dispositif d’orientation automatisé qui suit la course du soleil.

Il est conseillé d’effectuer un parcours zénithal avant toute implantation des panneaux, pour être sûr de leur ensoleillement constant.

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Le vitrage a pour fonction de laisser passer le maximum du rayonnement solaire et d’éviter les déperditions de chaleur vers l’extérieur lors de la montée en température de l’absorbeur.

Une partie du rayonnement qui arrive sur le vitrage traverse celui-ci pour atteindre l’absorbeur. Ce dernier s’échauffe et transmet la chaleur au fluide caloporteur qui circule dans les tubes.

Comme tout corps qui s’échauffe, l’absorbeur émet un rayonnement (en grande partie dans les infra-rouges) qui est d’une part absorbé par le vitrage, d’autre part réfléchi par le film placé sur l’isolant.

II.2.1.2. Capteurs solaires thermiques sous-vides

Un capteur solaire sous-vide est composé d’une série de tubes transparents en verre de 5 à 15 cm de diamètre. Dans chaque tube il y a un absorbeur pour capter le rayonnement solaire et un échangeur pour permettre le transfert de l’énergie thermique. Les tubes sont mis sous vide pour éviter les déperditions thermiques convectives de l’absorbeur.

Les points faibles :

• Les capteurs sous vide s’intègrent plus difficilement sur une toiture en pente ; • Ils s’insèrent également plus difficilement dans l’environnement urbain car ils ne

peuvent pas être intégrés à la toiture ; • Leur coût est plus élevé.

Les points forts :

• Les capteurs sous-vide ont globalement un rendement plus élevé que les capteurs plans. • Grâce à leur aspect tubulaire, les capteurs peuvent être optimisés facilement, c’est-à-

dire qu’il est impossible de les orienter et de les incliner de façon optimale quel que soit la figure de la toiture.

• La technologie sous-vide permet de capter le rayonnement solaire diffus (dans le cas d’un ciel ouvert).

II.2.1.3. Capteurs solaires thermiques cylindro-paraboliques

Le solaire thermodynamique, ou solaire concentré (CSP : Concentrated Solar Power), permet de convertir la puissance rayonnée en puissance thermique avec des rendements supérieurs à 70%. Différentes applications correspondant à différentes gammes de température sont envisagées :

• production de chaleur industrielle pour des basses températures (de 200°C à 400°C) ; • production d’électricité à l’aide d’un cycle thermodynamique couplé à une génératrice

électrique pour des moyennes et hautes températures (250°C à 1000°C) ; • production de vecteurs énergétiques, comme l’hydrogène ou le gaz de synthèse, par

voie thermochimique pour des hautes et très hautes températures (850°C à 1000°C).

II.2.2. Système de production de chaleur d’appointe

Dans le cadre de la climatisation solaire, le système de production de chaleur d’appoint a pour but d’assurer l’apport calorifique manquant pour la production de froid lorsque ceci est nécessaire. C’est à dire quand les apports solaires ne sont pas suffisants, par temps couvert mais chaud par exemple.

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Ces appoints peuvent servir également en hiver pour le chauffage des locaux lorsque les apports solaires ne sont pas suffisants pour assurer cette fonction. Il existe de nombreuses sources de chaleur pouvant assurer l’appoint de chaleur. On peut recenser :

• Chaudière au fioul, au gaz, au bois ; • Réseau de chaleur urbain ; • Centrale de cogénération ; • Résistance électrique.

II.3. COMPOSANTES D’ UN SYSTÈME DE CLIMATISATION

II.3.1. Condenseurs

II.3.1.1. Fonctionnement

Dans toute machine frigorifique, le condenseur est l’appareil qui sert à évacuer la chaleur de condensation. Nous pouvons classer les condenseurs en deux familles : les condenseurs à chaleur latente et les condenseurs à chaleur sensible. Mais en général ils sont classés en deux catégories selon la technologie utilisée, deux techniques existent :

• Soit refroidir le fluide frigorigène directement par l’air : c’est le rôle d’un condenseur à air ;

• Soit refroidir le fluide frigorigène par de l’eau : la machine sera équipée d’un condenseur à eau. Mais cette eau devra alors elle-même être refroidie en toiture, via une tour de refroidissement.

II.3.1.2. Technologies de condenseurs

On distingue les types de condenseurs suivants :

• Le condenseur à air : l’évacuation de la chaleur du circuit frigorifique est assurée au travers d’un échangeur direct fluide frigorigène/air. Le gaz chaud du réfrigérant cède sa chaleur à l’air traversant le condenseur et passe à l’état liquide. L’avantage du condenseur à air est que son entretien est limité, et il n’y a aucun risque de gel. Cependant, le coefficient d’échange avec l’air étant faible, le condenseur sera volumineux, et donc lourd et encombrant. Enfin, les températures de condensation étant directement liées aux conditions de température extérieure.

• Le condenseur à eau : le réfrigérant de la machine frigorifique cède sa chaleur à l’eau circulant dans le condenseur, on parle alors de condenseur à refroidissement indirect. Grâce au coefficient d’échange de vingt à trente fois plus élevé que le coefficient d’échange avec l’air, la taille du condenseur à eau sera plus réduite et l’échangeur sera moins encombrant. Cependant, le condenseur à eau nécessite une tour de refroidissement, qui elle, est encombrante, un coût d’entretien non négligeable et une éventuelle consommation d’eau.

II.3.2. Évaporateurs

II.3.2.1. Fonctionnement

C’est là que le fluide frigorigène à basse température et à basse pression va absorber la chaleur de la substance à refroidir (eau ou air) et devenir gazeux. L’évaporateur d’une

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machine frigorifique est l’appareil qui sert à prélever la chaleur à une source froide. Il assure la production de froid par la vaporisation du fluide frigorigène. C’est donc l’élément actif et fondamental de l’installation. Deux catégories d’évaporateurs sont utilisées dans le cadre des installations de climatisation de confort :

• Les évaporateurs refroidisseurs d’air ; • Les évaporateurs refroidisseurs de liquide.

II.3.2.2. Technologies d’évaporateurs

Pour les évaporateurs refroidisseurs d’air, il en existe deux types : à circulation naturelle ou convection naturelle et à circulation forcée ou convection forcée :

• Convection d’air naturelle : Ils sont installés au plafond des chambres froides (plafonnier) ou contre les parois (muraux); Ils sont utilisés pour-réaliser un très faible mouvement de l’air. On les retrouve aussi dans les appareils électroménagers.

• Convection d’air forcée : Un ventilateur est placé derrière ou devant la batterie, obligeant l’air à circuler sur celle-ci. On les retrouve pour la majorité dans les installations de conditionnement d’air et les chambres froides.

Pour les évaporateurs refroidisseurs de liquide, on distinguera les évaporateurs multitubulaires noyés ou à circulation interne (c’est-à-dire que le fluide frigorigène est à l’extérieur des tubes et que l’eau circule à l’intérieur) et les évaporateurs à immersion (fluide frigorigène à l’intérieur des tubes).

II.3.3. Détendeurs

II.3.3.1. Fonctionnement

Dans l’ensemble du fonctionnement d’une machine frigorifique, le détendeur module le débit de fluide frigorigène à l’entrée de l’évaporateur. La différence de pression entre le condenseur et l’évaporateur nécessite d’insérer un dispositif qui va maintenir la différence de pression dans le circuit : c’est le rôle du détendeur. En passant dans ce dernier, le fluide frigorigène va se vaporiser partiellement et voir sa température baisser.

II.3.3.2. Technologies de détendeurs

Il y a plusieurs technologies de détendeurs :

• Le détendeur thermostatique (Figure II-2) : C’est une vanne qui règle le débit du réfrigérant, en maintenant une différence constante entre la température d’évaporation du réfrigérant et la température des gaz à la sortie de l’évaporateur. La différence entre ces deux températures s’appelle « surchauffe à l’évaporateur » et est typiquement de 6 à 8 K. On est ainsi certain que tout le liquide s’est évaporé et on ne risque pas de coup de liquide au compresseur. Il est de nos jours, le dispositif le plus fréquemment utilisé. Si la charge thermique augmente, la sonde (3) détectera une montée de température, agira sur la membrane (4) et le détendeur s’ouvrira (le pointeau est renversé : plus on l’enfonce, plus il s’ouvre) afin d’augmenter le débit de réfrigérant (1).

Figure II-2 : Schématisation d

• Le détendeur électroniqueplus précis de l’évaporateur. Une surchauffe plus faible sera possible, la température d’évaporation remontera alors de 2 à 3 K, ce qui diminuera la compresseur. Son avantage est de pouvoir bénéficier de lnumérique : pouvoir adapter son point de fonctionnement en fonction de plusieursparamètres. Cela permet notamment de bénéficier dtempérature du milieu à refroidir, ddégivrage optimalisé.

• Le détendeur capillaire : Ildans la conduite du réfrigérant avant lde très faible diamètre, dans lequel la détente du fluide est obtenue par la perte de charge dans le tube. Ce type de détendeur est réservé aux installations de petites tailles, tels les appareils frigorifiques ou

II.4. SYSTÈMES DE PRODUCTIO

Actuellement, la technologie nous offre une variété de moyens permettant dmais le principe reste le même, il sdite source utile à un niveau de température Ttempérature T2.

Si T1 est inférieure à celle de la source gratuite disponible (à température Tdeuxième principe un tel transfert reste impossible, lobligatoire.

Suivant la nature de cette énergie mise en jeu (chaleur, travail) on distingue deuxcatégories de machines :

• Machines à compression mécanique util• Machines à énergie thermique néces

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: Schématisation d’un détendeur thermostatique.

Le détendeur électronique : Il fonctionne sur le même principe, mais permet un réglage évaporateur. Une surchauffe plus faible sera possible, la température

évaporation remontera alors de 2 à 3 K, ce qui diminuera la compresseur. Son avantage est de pouvoir bénéficier de l’ intelligence de la régulation numérique : pouvoir adapter son point de fonctionnement en fonction de plusieursparamètres. Cela permet notamment de bénéficier d’une régulation modulantempérature du milieu à refroidir, d’avoir une injection optimale du réfrigérant et un

: Il se contente, comme dispositif de réglage, ddans la conduite du réfrigérant avant l’évaporateur, qui est assuré par un tube capillaire de très faible diamètre, dans lequel la détente du fluide est obtenue par la perte de charge dans le tube. Ce type de détendeur est réservé aux installations de petites tailles, tels les appareils frigorifiques ou les petits climatiseurs.

YSTÈMES DE PRODUCTION DE FROID

Actuellement, la technologie nous offre une variété de moyens permettant dmais le principe reste le même, il s’agit de d’extraire une quantité de chaleur Q

e utile à un niveau de température T1, et injecter une quantité Q

est inférieure à celle de la source gratuite disponible (à température Tdeuxième principe un tel transfert reste impossible, l’apport d’une énergie est donc

Suivant la nature de cette énergie mise en jeu (chaleur, travail) on distingue deux

Machines à compression mécanique utilisent le travail comme énergieMachines à énergie thermique nécessitent un apport de chaleur comme énergie.

thermostatique.

fonctionne sur le même principe, mais permet un réglage évaporateur. Une surchauffe plus faible sera possible, la température

évaporation remontera alors de 2 à 3 K, ce qui diminuera la consommation du intelligence de la régulation

numérique : pouvoir adapter son point de fonctionnement en fonction de plusieurs une régulation modulante de la

avoir une injection optimale du réfrigérant et un

se contente, comme dispositif de réglage, d’un étranglement ur, qui est assuré par un tube capillaire

de très faible diamètre, dans lequel la détente du fluide est obtenue par la perte de charge dans le tube. Ce type de détendeur est réservé aux installations de petites tailles,

Actuellement, la technologie nous offre une variété de moyens permettant d’obtenir le froid, extraire une quantité de chaleur Q1 d’une source

, et injecter une quantité Q2 à un niveau de

est inférieure à celle de la source gratuite disponible (à température T2), d’après le une énergie est donc

Suivant la nature de cette énergie mise en jeu (chaleur, travail) on distingue deux grandes

isent le travail comme énergie ; sitent un apport de chaleur comme énergie.

16

II.4.1. Machines frigorifiques à compression mécanique

II.4.1.1. Principe de fonctionnement

Une machine frigorifique à compression mécanique se compose au minimum d’un évaporateur, d’un compresseur, d’un condenseur et d’un organe de détente ou détendeur (Figure II-3).

Figure II-3 : Schématisation d’une machine frigorifique à compression mécanique.

La machine frigorifique est basée sur la propriété des fluides frigorigènes à s’évaporer et se condenser à des températures différentes en fonction de la pression.

Si l’on souhaite que le fluide puisse prendre de la chaleur : il doit être à basse pression et à basse température sous forme liquide, pour lui permettre de s’évaporer. Pour s’évaporer, un fluide a besoin de beaucoup d’énergie.

Si l’on souhaite qu’il puisse céder sa chaleur : il doit être à haute température et à haute pression, sous forme vapeur, pour lui permettre de se condenser. En se condensant, le fluide va libérer énormément de chaleur.

II.4.1.2. Description du cycle du fluide frigorigène

Le cycle du fluide frigorigène est représenté sur la Figure II-4.

Figure II-4 : Cycle du fluide frigorigène.

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Dans l’évaporateur, le fluide frigorigène liquide entre en ébullition et s’évapore totalement en absorbant la chaleur du fluide extérieur (air ambiant ou eau), qui va donc se refroidir. Dans un deuxième temps, le gaz formé est encore légèrement réchauffé par le fluide extérieur, c’est ce qu’on appelle la phase de surchauffe (entre les points 7 et 1).

Dans le compresseur, le fluide frigorigène est aspiré à l’état gazeux, sous basse pression et basse température (point 1). La compression va permettre d’élever la pression et la température du fluide frigorigène, qui se traduira par une augmentation d’enthalpie.

Dans le condenseur, le gaz chaud provenant du compresseur va céder sa chaleur au fluide extérieur. Les vapeurs de fluide frigorigène se refroidissent (désurchauffent), avant l’apparition de la première goutte de liquide (point 3). Puis la condensation s’effectue jusqu’à la disparition de la dernière bulle de vapeur (point 4). Le fluide liquide peut alors se refroidir de quelques degrés (sous-refroidissement) avant de quitter le condenseur.

Dans le détendeur, le fluide frigorigène subit une détente isenthalpique et va donc passer de la pression HP (Haute Pression) à la pression BP (Basse Pression). Le fluide frigorigène se vaporise partiellement, ce qui abaisse sa température.

II.4.1.3. Climatisation réversible

Un climatiseur réversible désigne un climatiseur qui peut indifféremment rafraîchir ou chauffer un local pour le climatiser. Un climatiseur réversible utilise le principe de la pompe à chaleur en inversant le cycle de compression/détente qui permet de transférer des calories d’un point à un autre d’un circuit frigorifique (Figure II-5).

Figure II-5 : Climatiseur réversible.

On s’aperçoit qu’il s’agit d’une inversion thermodynamique, non mécanique car le compresseur continue de tourner dans le même sens et de refouler et d’aspirer exactement dans les mêmes directions.

La vanne d’inversion de cycle appelée vanne 4voies : elle contient un tiroir mobile solidaire de deux pistons. Sous l’effet d’une pression agissant sur les pistons, le tiroir se déplace et inverse le sens de passage du fluide dans les échangeurs.

II.4.2. Machines frigorifiques à énergie thermique

Les Machines frigorifiques à énergie thermique sont des systèmes frigorifiques à sorption qui utilisent des propriétés couplées d’un sorbant et d’un sorbat. Suivant la nature du sorbant liquide ou solide, la machine présente des variantes dont les principales sont les machines à adsorption et les machines à adsorption.

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II.4.2.1. Machines à absorption

a. Principe de l’absorption

Du point de vue de l’évaporateur et du condenseur, le principe général de fonctionnement d’une machine à absorption est le même que pour un système de refroidissement à compression classique : A l’évaporateur, le liquide est vaporisé en récupérant de la chaleur d’un circuit à basse température (Figure II-6). La vapeur est ensuite compressée pour atteindre un niveau de pression supérieur et se condense à haute température dans le condenseur. Dans le cas d’une machine à absorption, la compression de la vapeur n’est pas effectuée via un compresseur, mais grâce au couplage de deux composants : l’absorbeur et le générateur. Ainsi, la compression du réfrigérant est effectuée en utilisant une solution liquide réfrigérant/sorbant et une source de chaleur qui remplace la consommation électrique d’un compresseur électrique.

Figure II-6 : Climatisation à absorption.

Le cycle à absorption passe par les étapes suivantes :

• L’évaporation du réfrigérant dans l’évaporateur, ce qui a pour effet d’extraire la chaleur d’une source de chaleur à faible température. Cette étape est à l’origine du rafraîchissement utile et désiré du bâtiment.

• Le réfrigérant est ensuite dirigé vers l’absorbeur dans lequel il est absorbé par une solution concentrée d’absorbant. La chaleur latente d’absorption ainsi que la chaleur de mélange doivent être rejetés. Pour cela, une tour de refroidissement est habituellement utilisée.

• La solution diluée est ensuite pompée vers le générateur dans lequel l’énergie solaire est utilisée pour chauffer la solution au-dessus de son point d’ébullition. Ainsi, le réfrigérant et d’absorbant concentré sont séparés. Le réfrigérant sous forme vapeur et sous haute pression est envoyé vers le condenseur, et l’absorbant concentré est renvoyé vers l’absorbeur.

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• Le réfrigérant se condense alors, et l’énergie libérée par ce changement de phase doit être évacuée. Pour cela, une tour de refroidissement est habituellement utilisée, de même que pour l’absorbeur.

• La pression du réfrigérant est ensuite brutalement réduite en passant à travers une vanne de détente avant de retourner dans l’évaporateur.

b. Avantages et inconvénients des machines à absorption

Avantages des machines à absorption: Les machines à absorption sont fiables. En effet, elles ne comportent pas de parties mécaniques en mouvement à l’exception des pompes qui sont installées en double (installation industrielle). On ne rencontre pas non plus de problèmes dus aux huiles de lubrification. Elles sont très silencieuses et pratiquement inusables. Tout le circuit fluidique étant hermétique, les opérations d’entretien et les dépannages sont limités. Les petites installations domestiques ne sont pas dépendantes du courant électrique et acceptent de fonctionner malgré les cahots. Le fonctionnement d’une installation industrielle peut-être particulièrement économique, si la chaleur à fournir au bouilleur est gratuite ou peu coûteuse (récupération d’énergie, sources chaudes, gaz d’échappement, etc..).

Inconvénients des machines à absorption : A rendement fonctionnel égal, la consommation d’énergie est plus élevée pour ces machines que pour celles à compression. En cas de fuite de l’agrégat sur une installation domestique (ce qui est rare), la réparation est quasiment impossible. L’ammoniac est un gaz toxique et son mélange avec une proportion d’air est explosif.

c. Différentes technologies d’absorption disponibles

Habituellement, pour produire de l’eau glacée à une température supérieure à 0°C, le couple H2O/LiBr est utilisé avec l’eau comme réfrigérant. Cependant, d’autres couples sont possibles comme le couple H2O/LiCl ou encore NH3/H2O permettant de produire aussi de l’eau glacée à des températures inférieures à 0°C.

II.4.2.2. Machines à adsorption

a. Principe de l’adsorption

Ici, au lieu d’une solution liquide, un matériau solide (un adsorbant) est utilisé. La machine comprend deux compartiments remplis d’adsorbant (compartiments 1 et 2), un évaporateur, et un condenseur (Figure II-7).

L’adsorbant du premier compartiment est régénéré par chauffage (eau chaude solaire), la vapeur d’eau ainsi générée étant envoyée dans le condenseur où elle se condense. L’eau liquide, via une vanne de détente, est envoyée à basse pression dans l’évaporateur où elle s’évapore (phase de production de froid).

L’adsorbant du compartiment 2 maintient la basse pression en adsorbant cette vapeur d’eau. Ce compartiment doit être refroidi pour entretenir le processus d’adsorption. Lorsque la production de froid diminue (saturation de l’adsorbant en vapeur d’eau), les fonctions des deux compartiments sont permutées par ouverture et fermeture de clapets.

20

Figure II-7 : Climatisation à adsorption.

b. Avantages et inconvénients des machines à adsorption

Les avantages des machines à adsorption sont :

• Robustesse ; • Pas de danger de cristallisation, et donc, pas de contrainte sur la température

intermédiaire de refroidissement ; • Pas de pompe à solution ; les consommations électriques sont donc particulièrement

réduites ; • Température requise au générateur est généralement plus faible.

Leurs inconvénients sont :

• Taille et poids élevés (mais il existe cependant un potentiel important d’amélioration au niveau des échangeurs dans les compartiments d’adsorption, et donc de réduction de poids et de volume pour les futures générations de machines à adsorption)

• Coefficient de performance est plus faible (de l’ordre de 0,4 à 0,6).

c. Différentes technologies d’adsorption disponibles

Les systèmes disponibles sur le marché utilisent l’eau comme réfrigérant et le silicagel comme adsorbant. Mais récemment, quelques constructeurs préfèrent utiliser de la zéolithe comme solution alternative au silicagel. Ainsi, ces deux technologies sont maintenant disponibles.

Actuellement, seuls quelques fabricants asiatiques et européens produisent des machines à adsorption. Les deux acteurs historiques étaient Japonais, mais récemment un fabricant Allemand est entré sur le marché. Avec une température de source chaude d’environ 80°C, ces systèmes obtiennent des COP d’environ 0,6 mais peuvent fonctionner jusqu’à des températures d’environ 60°C. La capacité frigorifique de ces machines va de 7 kW à 500 kW.

II.4.3. Autres composants

II.4.3.1. Tour de refroidissement

La chaleur extraite par une machine frigorifique doit être évacuée vers l’extérieur. Le plus simple est de refroidir le fluide frigorigène avec l’air extérieur (Figure II-8).

Figure II-8 : Refroidissement du fluide frigorigène avec l

Autrement dit on met le condenseur en contact direct avec lventilateur pour renforcer cet échange. Mais cette technique ngrandes installations car la puissance de refroidissement qul’ amplifier on utilise une tour de refroidde la chaleur de l’eau en mettant cette eau en contact avec de l

Les tours de refroidissement peuvent être catégorisées en deux types principauxrefroidissement fermée et tour de refroidisse

a. Tour de refroidissement fermée

Une puissance supplémentaire est donnée par pulvérisation d(Figure II-9).

Figure II

On parle de tour fermée si lfermé sur lequel de l’air extérieur est pulsé, et de lde l’eau entraîne un refroidissement plus faible que dans le cas derisques de corrosion sont annulés.

b. Tour de refroidissement ouverte

Cette fois, c’est l’eau qui traverse le condenseur qui est directement pulvérisée et en partie évaporée (Figure II-10).

21

: Refroidissement du fluide frigorigène avec l’air extérieur.

Autrement dit on met le condenseur en contact direct avec l’air extérieur ou ventilateur pour renforcer cet échange. Mais cette technique n’est pas pratique pour les grandes installations car la puissance de refroidissement qu’elle offre est trop faible

amplifier on utilise une tour de refroidissement qui est un échangeur par lequel on prélève eau en mettant cette eau en contact avec de l’air

Les tours de refroidissement peuvent être catégorisées en deux types principauxrefroidissement fermée et tour de refroidissement ouverte.

Tour de refroidissement fermée

Une puissance supplémentaire est donnée par pulvérisation d’une eau indépendante du circuit

Figure II -9 : Tour de refroidissement fermée.

On parle de tour fermée si l’eau du circuit de refroidissement circule dans un échangeurair extérieur est pulsé, et de l’eau est pulvérisée. L’évaporation partielle

eau entraîne un refroidissement plus faible que dans le cas de la tour ouverte, mais les sont annulés.

Tour de refroidissement ouverte

eau qui traverse le condenseur qui est directement pulvérisée et en partie

air extérieur.

air extérieur ou on utilise un est pas pratique pour les

elle offre est trop faible. Pour issement qui est un échangeur par lequel on prélève

Les tours de refroidissement peuvent être catégorisées en deux types principaux : tour de

une eau indépendante du circuit

refroidissement circule dans un échangeur évaporation partielle

la tour ouverte, mais les

eau qui traverse le condenseur qui est directement pulvérisée et en partie

Figure II

On parle de tour ouverte si c’qui est pulvérisée. C’est le système le plus efficace qui entraîne leélevé. Mais le contact entre l’eau et l

II.4.3.2. Stockage d

Deux types de technologie de stockage dglacée et bacs à glace.

a. Bâches à eau glacée

Il s’agit d’un réservoir d’eau glacée, disposé sur le circuit dclimatisation. Il permet d’accumuler encore « ballon d’eau glacée »

Il se dissocie de son concurrent, le stockage par ne se fait que sur la chaleur sensibleque le stockage de kWh frigorifiques est fort limité

• La machine frigorifique conserve ses caractéristiques traditionnelles de température de travail, et donc son rendement

• L’installation est simple et sa régulation aussi• Pour les grands bâtiments, il est parfois possible de

obligatoire pour la protection incendie

On distingue plusieurs types de bâche d

• Bâche tampon simple (Figure IIentre l’eau de retour, chaude, et lglacée augmente donc progressivement. A la limite, un réservoir dpourrait convenir.

Figure II

22

Figure II -10 : Tour de refroidissement ouverte.

’est l’eau de refroidissement elle-même, venant duest le système le plus efficace qui entraîne le refroidissement le plus

eau et l’atmosphère est source de corrosion.

tockage d’eau glacée

de stockage d’eau glacée existent sur le marché

eau glacée, disposé sur le circuit d’eau glacée des installations de accumuler du froid, particulièrement durant la nuit. On l

» ou « bâche d’eau glacée ».

Il se dissocie de son concurrent, le stockage par bac à glace, par le fait que la réserve de froid chaleur sensible de l’eau, entre 12° et 5°C. Cependant, il a l

le stockage de kWh frigorifiques est fort limité. Parmi ces avantages on cite

La machine frigorifique conserve ses caractéristiques traditionnelles de température de travail, et donc son rendement ;

t simple et sa régulation aussi ; Pour les grands bâtiments, il est parfois possible de valoriser le réservoir dobligatoire pour la protection incendie.

On distingue plusieurs types de bâche d’eau glacée :

Bâche tampon simple (Figure II-11) : Ce système rudimentaire engendre un mélange eau de retour, chaude, et l’eau glacée du réservoir. La température de l

glacée augmente donc progressivement. A la limite, un réservoir d’eau chaude sanitaire

Figure II -11 : Bâche tampon simple.

même, venant du condenseur, refroidissement le plus

glacée existent sur le marché : bâches à eau

eau glacée des installations de du froid, particulièrement durant la nuit. On l’appelle

, par le fait que la réserve de froid Cependant, il a l’inconvénient

Parmi ces avantages on cite :

La machine frigorifique conserve ses caractéristiques traditionnelles de température de

valoriser le réservoir d’eau

Ce système rudimentaire engendre un mélange La température de l’eau

eau chaude sanitaire

23

• Bâche à chicanes (Figure II-12) : Un compartimentage à l’intérieur du bac permet de limiter les mélanges entre eau de retour et eau de départ.

Figure II-12 : Bâche à chicanes.

• Bâche à membrane (Figure II-13) : Le mélange entre l’eau chaude et l’eau froide est évité.

Figure II-13 : Bâche à membrane.

b. Bacs à glace

Il s’agit d’un réservoir de glace, disposé en parallèle ou en série avec le circuit d’eau glacée des installations de climatisation. Il permet d’accumuler du froid, particulièrement durant la nuit.

Il se dissocie de son concurrent, le ballon d’eau glacée, par le fait que la réserve de froid profite de la chaleur latente de l’eau ou d’un sel :

• Au moment du refroidissement (phase de stockage), il y a cristallisation ou solidification, en plus du refroidissement de l’eau et de la glace.

• Au moment du réchauffement (phase de déstockage du froid), il y aura fusion en plus du réchauffement de l’eau et de la glace.

La chaleur latente de solidification de l’eau est de 335 kJ kg-1. Alors que la chaleur sensible est de 4,18 kJ kg-1 K-1. Il est donc possible de stocker 80 fois plus d’énergie dans un kg d’eau qui passe de 0,5° à -0,5°C que de 4° à 3°C.

De plus, la température de l’eau de réchauffement reste plus ou moins constante durant toute la phase du dégel de la glace.

On distingue les technologies suivantes :

• Batteries de tubes : Au moment du stockage, un fluide réfrigérant (fluide frigorigène ou eau glycolée) circule dans les tuyauteries. La température du fluide avoisine les -5°C.

24

L’eau glacée, en contact direct avec ces tubes, va former un enrobage de glace. L’uniformité de la formation de la glace et de sa fusion est parfois renforcée par l’agitation de l’eau via la diffusion de bulles d’air. Il existe des bacs isolés préfabriqués pour ce type d’usage. Les tubes peuvent être en acier (noir, galvanisé ou inoxydable) ou en plastique.

• Nodules : Il s’agit d’une cuve fermée, sous pression ou non, remplie d’eau glycolée et de nodules. Ces nodules sont des grosses billes de 8 à 10 cm de diamètres (il existe également des nodules à facettes). Elles contiennent de l’eau + un eutectique pour les températures négatives ou des sels hydratés pour les températures positives. L’ensemble, encore appelé « matériau à changement de phase » est sélectionné pour l’importance de la chaleur latente liée à la solidification/fusion. L’enveloppe des nodules est réalisée en polyéthylène (PE). Entre les nodules circule de l’eau glycolée. Dans la phase de stockage (Figure II-14 : gauche), la température de l’eau est inférieure à la température de changement de phase des sels contenus dans les nodules, ceux-ci cristallisent. Dans la phase de phase de déstockage (Figure II-14 : droite), la température de l’eau est supérieure, les sels des nodules fondent. Le transfert thermique a donc toujours lieu par l’extérieur. Les nodules de qualité contiennent des germes de cristallisation pour éviter le phénomène de surfusion, ainsi qu’une protection contre les pics de cristallisation qui pourraient déchirer l’enveloppe.

Figure II-14 : Nodules dans la phase de stockage (à gauche) et déstockage (à droite).

II.4.3.3. Isolants

Le but de l’isolation thermique est de diminuer les échanges de chaleur entre l’intérieur et l’extérieur par interposition d’un matériau ayant la capacité de conduction la plus faible possible.

Dans une maison individuelle non isolée, les valeurs moyennes des sources de déperdition de chaleur ou déperdition thermique sont les montrées sur la Figure II-15.

Figure II-15 : Sources de déperdition thermique d’une maison individuelle non isolée.

25

Les isolants utilisent les propriétés de l’air et des gaz. Le vide est le meilleur isolant thermique mais ne peut pas être utilisé de façon pratique pour l’isolation des habitations.

Les gaz et l’air en particulier, maintenus immobiles, sont les meilleurs isolants. En effet, les transferts thermiques par un gaz ou un liquide ne se font pas seulement par conduction thermique, mais aussi par convection thermique : c’est pourquoi l’air enfermé dans les combles d’une toiture n’empêche pas les transferts thermiques (la convection thermique est d’autant plus forte que la différence de température entre la toiture et le plancher des combles est élevée, accélérant la circulation de l’air). Les isolants vont donc réaliser dans la mesure du possible cette immobilité de l’air.

La résistance thermique d’un matériau isolant est donc assurée par l’air ou un autre gaz enfermé dans des bulles (verre cellulaire et mousses synthétiques) ou freiné par les fibres du matériau (laine de roche, laine de chanvre, blocs de chanvre, fibre de bois, ouate de cellulose, etc.).

II.5. CLIMATISATIONS SOLAIRES AUTONOMES ET AVEC APPOINT

Une des décisions fondamentales au niveau de la conception de systèmes de climatisation solaire est la fraction solaire, c’est à dire la proportion d’énergie fournie par les panneaux solaires par rapport au besoin total d’énergie pour assurer la climatisation des locaux. De cette remarque découle le choix de la stratégie générale de l’installation.

Deux stratégies principales sont possibles et le choix de l’une ou de l’autre influencera grandement la suite de la conception de l’installation. On peut donc opter pour une climatisation solaire thermique autonome ou pour une climatisation solaire thermique avec appoint. Il est important de noter que la première catégorie se définit par opposition à la seconde, c’est à dire qu’elle ne possédera pas de système fournissant un appoint de chaleur pour compléter l’apport d’énergie calorifique solaire. La totalité de l’énergie calorifique nécessaire au fonctionnement de la climatisation sera fournie par le soleil.

Pour autant elle ne sera pas totalement autonome énergétiquement. En l’occurrence, elle aura besoin d’énergie électrique pour le fonctionnement des ventilateurs, des divers circulateurs ainsi que pour les divers systèmes de régulation et de gestion de l’installation.

On considérera donc que lorsque l’on parle de climatisation solaire thermique autonome, il s’agit d’autonomie vis à vis du besoin en énergie calorifique nécessaire au fonctionnement de l’installation.

Alors que pour la climatisation avec appoint l’objectif est d’atteindre les conditions de confort désirées en réduisant la consommation d’énergie conventionnelle et ce, en utilisant des capteurs solaires thermiques comme principale source de chaleur pour le système. Ces systèmes sont sensés assurer les conditions de confort désirées en toutes circonstances c’est-à-dire qu’ils sont conçus pour fonctionner avec l’énergie solaire mais si l’intensité de l’irradiation solaire n’est pas suffisante ont utilisera le système d’appoint pour compenser la différence. La comparaison avec un système conventionnel de référence permet d’évaluer les quantités d’énergie économisées.

II.6. CONCLUSION

Il existe plusieurs technologies de refroidissement solaire qui différent par leurs principes de fonctionnement. La source thermique à laquelle le circuit frigorifique est associé dépend de la nature du fluide frigorigène utilisé.

CHAPITRE III

III.1. I NTRODUCTION

Pour appliquer les connaissances théoriques des chapitres précédents nous avons décidé de réaliser un prototype de climatisation solaire par absorptionobjectif est de réaliser un climatiseur qui consomme électrique qu’un climatiseur électrique à compression mécanique.source d’énergie principale la chaleur des rayonnements solaires concentrés par un capteur solaire cylindro-parabolique.

III.2. COMPOSANTES DU PROTOT

Notre prototype contient les composants suivant

• Circuit frigorifique : Il contient l• Concentrateur cylindro

(L:1m ; l:70cm) ; • Ventilateur : Il améliorer refroidissement• Tuyaux : Il assure la circul

chaleur générée par le capteur.

Figure III

La partie solaire de ce prototype, c.au cartier industriel de Ouarzazate.

III.3. DIFFICULTÉS PRATIQUES

Au cours de la réalisation de notre prototype nous avons rencontré les problèmes suivants

• La difficulté de réaliser un circuit frigorifique• L’indisponibilité de l’aluminium, soit l• Les risques d’ammoniac qui se trou• La faible efficacité à cause de l

26

CHAPITRE III : REALISATION D’UN PROTOTYPE

NTRODUCTION

Pour appliquer les connaissances théoriques des chapitres précédents du nous avons décidé de réaliser un prototype de climatisation solaire par absorption

de réaliser un climatiseur qui consomme environ 20 fois moins dun climatiseur électrique à compression mécanique. Ce climatiseur a comme

énergie principale la chaleur des rayonnements solaires concentrés par un capteur

OMPOSANTES DU PROTOTYPE

prototype contient les composants suivant (Figure III-1) :

contient l’hydrogène, l’eau et l’ammoniac ; Concentrateur cylindro-prabolique : Il est construit par des miroirs

améliorer refroidissement ; circulation du fluide (c’est l’eau dans notre cas) qui

par le capteur.

Figure III -1 : Vue du prototype réalisé.

La partie solaire de ce prototype, c.-à-d. le concentrateur cylindro-parabolique, a été réalisé au cartier industriel de Ouarzazate.

IFFICULTÉS PRATIQUES RENCONTRÉES

Au cours de la réalisation de notre prototype nous avons rencontré les problèmes suivants

éaliser un circuit frigorifique ; aluminium, soit l’argenté soit l’inox, pour fabriquer

ammoniac qui se trouve dans le circuit frigorifique ; La faible efficacité à cause de l’ancien circuit frigorifique qu’on a utilisé

PROTOTYPE

du présent mémoire nous avons décidé de réaliser un prototype de climatisation solaire par absorption. Notre

20 fois moins d’énergie Ce climatiseur a comme

énergie principale la chaleur des rayonnements solaires concentrés par un capteur

construit par des miroirs réfléchissants

eau dans notre cas) qui transporte la

parabolique, a été réalisé

Au cours de la réalisation de notre prototype nous avons rencontré les problèmes suivants :

r fabriquer le capteur ;

on a utilisé ;

27

• Les dimensions du capteur solaire ne sont pas précises car les moyens utilisés pour sa fabrication sont modestes.

A cause de ces difficultés le rendement de ce prototype est légèrement faible.

III.4. FONCTIONNEMENT DE CIRCUIT FRIGORIFIQUE

Toutes les machines frigorifiques produisent le froid par l’évaporation d’un liquide. L’effet est identique au froid qu’on ressent quand la peau est humide et que l’eau s’évapore.

Une des caractéristiques principales de la machine à absorption, dont le circuit frigorifique est schématisé sur la figure III-2, c’est que la pression est constante dans tout le circuit. Cette pression est assez élevée pour permettre à l’ammoniac (NH3) de se liquéfier facilement. Un frigo a absorption utilise trois produits: de l’hydrogène, de l’eau et de l’ammoniac. On ajoute une petite quantité de chromate de sodium (Na2CrO4) pour réduire la corrosion.

Une solution d’ammoniaque (de l’ammoniac en solution dans de l’eau) est mise en ébullition dans un bouilleur (1). L’ammoniac s’échappe de la solution. L’ébullition entraine une partie de la solution (qui est ici une solution très diluée car pratiquement tout l’ammoniac s’est vaporisé).

L’eau est récoltée dans un collecteur (2) et retourne au bouilleur. Le bouilleur a une forme particulière : un tube d’ébullition au centre et un syphon à l’extérieur. L’eau qui retombe dans le bouilleur tombe en fait dans le syphon extérieur. L’ammoniac en ébullition entraine des gouttelettes d’eau vers le syphon (c’est la pompe à bulles ou bubble pump). L’eau dans le syphon coule vers l’absorbeur (5) via le tuyau 7 par la pesanteur.

L’ammoniac se refroidit et se liquéfie dans le condenseur (3). L’ammoniac entre en contact avec de l’hydrogène dans l’évaporateur. La pression partielle de l’ammoniac diminue et l’ammoniac s’évapore, ce qui produit le froid.

L’ammoniac passe maintenant par un réservoir (6) et monte à l’absorbeur (5) où il rencontre de l’eau qui ruisselle à contre-courant. Le gaz d’ammoniac se dissous dans l’eau et nous obtenons à nouveau une solution concentrée d’ammoniaque. Comme gaz, il ne reste plus que de l’hydrogène, qui est à nouveau utilisé dans l’évaporateur. L’absorption du gaz d’ammoniac dans l’eau qui ruisselle maintient la pression partielle de l’ammoniac à un bas niveau.

28

Figure III-2 : Schématisation du circuit frigorifique.

III.5. CONCLUSION

La climatisation solaire se trouve aujourd’hui à une phase charnière de son développement. Les recherches dans le domaine des énergies renouvelables vont certainement aboutir à des innovations qui vont donner à la climatisation solaire sa place mérité dans le futur.

29

CONCLUSION

Aujourd’hui c’est l’aspect économique qui prime et celui qui met en avant, c’est le facteur qui semble être le plus important dans les yeux de la population. Il faut espérer que dans les années à venir il y aura une véritable prise de conscience générale et que les énergies renouvelables ne seront pas et plus abordées seulement sous l’aspect économique.

De plus, la viabilité économique de tels systèmes est très relative et dans la majorité des cas, inatteignable aujourd’hui vue des coûts élevés des équipements et des coûts très bas des énergies conventionnelles. L’évolution de ces deux variables va, pour la climatisation solaire comme pour toutes les énergies renouvelables, déterminer et conditionner leur développement futur.

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BIBLIOGRAPHIE

• Aide-Mémoire : « Formulaire Du Froid », Pierre Rapin – Patrick Jacquard, 12ème Édition Dunod.

• Manuel Technique Du Froid (Bases, Composants, Calculs) : « Le Pholmann », W. Maake – H. Jeckert– Jean Louis Cauchepin.

• « Installations Frigorifiques », R. J. Rapin, P. Jaoquard, 7ème Édition 1996. • « Cours De Machines Frigorifiques » Olivier Perrot 2010-2011. • « Système Frigorifique à Absorption Mécaniquement autonome Utilisant L’énergie

Solaire. Machine Expérimentale De Petite Puissance. », P. Velluet, R. Dehausse. École Nationale Supérieure Des Mines De Paris.

• La Climatisation Solaire, École Nationale D’ingénieurs De Saint-Etienne. Page 7 à 17, 36 à 48, 70 et 71.