Date : 9-05_-2014

Auteur : Geoffrey

Notes :

  • Mise en page [liens internes, tdm, en bref !, passage général sur la mise en page de la feuille] – Sylvie

Le free-chilling consiste à refroidir l’eau glacée de l’installation frigorifique par « contact » avec l’air extérieur lorsque la température de celui-ci est suffisamment basse.

Qu’est-ce qu’une installation adaptée au free-chilling ?

Au départ, il faut que des besoins de froid soient prévus en hiver.
L’intérêt est augmenté si les échangeurs des unités terminales qui seront choisis travaillent à « haute » température : ce sera le cas de plafonds froids (régime 15-17 °C), de poutres froides ou de ventilos-convecteurs surdimensionnés pour travailler au régime 12-17 °C ou 14-19 °C,… À noter qu’un tel dimensionnement diminue les pertes du réseau et la consommation liées à la condensation de la vapeur d’eau contenue dans l’air des ambiances, ce qui amplifie l’économie d’énergie.
Si l’installation demande une puissance de refroidissement faible en mi-saison ou en hiver (de l’ordre de 50 W/m²), on pourrait faire travailler les plafonds froids au régime 17 ° – 19 °C, ce qui permet un refroidissement par l’air extérieur tant que la température de l’air est inférieure à 14 °C. On peut alors imaginer une modulation de la température de consigne de l’eau des plafonds froids en fonction de la température extérieure.
Enfin, le projet se présente très favorablement si un condenseur à eau est prévu : on pourra utiliser la tour de refroidissement pour refroidir l’eau glacée directement par l’air extérieur. Dans la tour, grâce à l’évaporation partielle de l’eau, la température de l’air extérieur sera encore diminuée. Ainsi, de l’air à 15 °C et 70 % HR permet de créer de l’eau de refroidissement à 12 ° (limite basse théorique appelée température « bulbe humide »). Malheureusement, un échangeur sera nécessaire entre le circuit de la tour (eau glycolée) et le circuit d’eau glacée du bâtiment. Une partie de l’avantage est donc perdu…

Le problème du gel…

De l’eau glacée refroidie par l’air extérieur pose le problème du gel dans la tour. La solution la plus courante est l’addition de glycol, mais :

  • le glycol coûte cher,
  • le glycol diminue les capacités d’échange thermique et augmente la densité du liquide, ce qui entraîne une augmentation de puissance des pompes,
  • en général, on limite le circuit glycol au dernier tronçon en contact avec l’extérieur (l’eau de la boucle d’eau glacée n’est pas glycolée car, en cas de vidange, c’est l’entièreté du circuit qui est à remplacer),
  • un échangeur supplémentaire doit alors être prévu, entraînant une consommation électrique liée à sa perte de charge et un écart de température qui diminue la période de fonctionnement du free-chilling…
  • Attention lorsque l’on rajoute de l’eau ultérieurement…

Il est aussi possible de placer des cordons chauffants (mais peut-on protéger totalement ainsi une tour ?) ou de prévoir un circuit de chauffage spécifique qui se met en place en période de gel, mais on risque de manger le bénéfice !

 Le free-chilling : une solution miracle pour toutes les installations ?

Certainement pas. De nombreuses contraintes apparaissent.
Quelques exemples :

  • Lorsque l’installation travaille à charge partielle, il y a intérêt à ce que la température moyenne de l’eau « glacée » soit la plus élevée possible pour favoriser l’échange avec l’air extérieur. On appliquera donc une régulation des échangeurs par débit variable pour augmenter l’écart de température entre départ et retour.
  • Une tour de 300 kW pèse 3 à 4 tonnes et une tour de 1 000 kW pèse 9 à 12 tonnes, ce qui génère parfois des frais d’adaptation du génie civil.
  •  …

Adapter cette technique nécessite donc toujours une étude particulière (cadastre des énergies de froids prévues avec leur niveau de température, répartition été/hiver, …) pour apprécier la rentabilité.
Mais il est en tous cas impératif d’y penser lors d’une nouvelle installation !

Le refroidissement adiabatique permet de rafraîchir de l’air en centrale par humidification. Cet air humide et frais est ensuite utilisé directement dans l’ambiance ou indirectement par un échangeur de chaleur.Ce système basé sur des équipements existants (groupe de ventilation, tour de refroidissement) apporte un rafraichissement naturel bienvenu lorsque des techniques plus « lourdes » (fenêtres motorisées, etc.) ne peuvent être mises en œuvre. Il peut également servir d’appoint à ces techniques passives lorsque celles-ci ne suffisent plus à assurer le confort.
Le refroidissement adiabatique a cependant une efficacité limitée à trois niveaux,
  • comme tout système de transfert thermique basé sur l’air, la faible capacité calorifique de l’air bride la puissance disponible. Des débits d’air importants sont nécessaires pour que le refroidissement soit réellement sensible.
  • La température minimale à laquelle l’air peut être abaissé est la température de bulbe humide, qui correspond à la saturation. Cette température est plus élevée que celle obtenue par une machine frigorifique « classique ».
  • Le système ne fonctionne que lorsque l’air que l’on souhaite humidifier est suffisamment sec que pour présenter un potentiel de rafraichissement intéressant. Si c’est de l’air intérieur, le refroidissement adiabatique sera plus pertinent dans des locaux faiblement occupés (moins de dégagement d’humidité dans l’ambiance). Si c’est de l’air extérieur, le système ne sera pas très efficace les jours chauds et humides.

La figure ci-dessous montre, heure par heure, les conditions climatiques d’Uccle, et la zone de conditions T° et Humidité favorable à un système évaporatif direct. A l’évidence, notre climat humide n’est pas le plus favorable pour cette technique.

Elle n’est pas pour autant à dédaigner complètement. Considérons par exemple un air extérieur à 22 °c et 60 % d’humidité relative, une condition qui n’a rien d’exceptionnel en été. Pour peu qu’il y ait un peu de soleil, beaucoup de bâtiments seront en demande de refroidissement. Par humidification, cet air peut être  abaissé jusqu’à environ 17 °C. Ce gain de 5 °C, sur un débit d’air hygiénique d’environ 3 m³/(hm²) dans des bureaux représente 5 W/m² de puissance frigorifique. C’est presque équivalent à la chaleur dégagée par les occupants (70 W/personne, 10 à 15 m²/personne). C’est peu, mais non négligeable.

Quand donc opter pour ce type de système ?

Dans notre climat, un refroidissement adiabatique direct est limité par l’humidité extérieure, et surtout d’une efficacité très variable en fonction de la météo.  On évitera donc de se fier uniquement sur eux pour traiter une ambiance. Par contre, sa simplicité fait qu’il trouvera presque toujours une place en complément de stratégies de refroidissement sur boucle d’eau.

Les systèmes indirects, basés sur l’humidification de l’air extrait, seront pertinents lorsque l’air extrait peut être fortement refroidi. Pour cela, il faut qu’il ne soit ni trop chaud, ni trop humide. La condition « pas trop chaud » fait penser à des locaux disposant déjà d’un système de refroidissement  par boucle d’eau. On est alors sur de plafonner à 24-25 °C. La condition « pas trop humide » se rencontre lorsque la surchauffe du local est liée à des gains solaires et internes sans dégagement d’humidité. Autrement dit dans les locaux dont l’occupation humaine est relativement limitée. Problème : dans ces cas-là, le débit d’air a tendance à l’être aussi, ce qui limite la puissance disponible. Faut-il surdimensionner le réseau de ventilation ? C’est un calcul économique à réaliser au cas par cas.

En conclusion, le refroidissement adiabatique apparait chez nous comme un appoint intéressant à d’autres systèmes plus que comme une technique autonome de refroidissement.

Et si on reformulait les objectifs de la conception des bâtiments de façon à atteindre un niveau de maîtrise des charges thermiques au point de rendre cet appoint suffisant ?

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La climatisation solaire est une technique basée sur l’utilisation de machines frigorifiques à ab/adsorption  ou de roues dessicantes. L’énergie solaire sert alors de source de chaleur pour régénérer le sorbant.
Dans le cas des machines frigorifiques à adsorbtion, la possibilité d’utiliser le soleil pour cet usage est limité par la demande d’une température d’eau minimale qui se situe entre 70 et 95°C en fonction du couple solvant-réfigérant. Dans les roues dessicante, cette température est également supérieure à 70°C. Pour atteindre cette température, l’emploi de capteurs performants est indispensable (sélectifs, sous vide, à faible concentration), ce qui induit un coût d’investissement assez important.
Il faut aussi tenir compte de ce que, en l’absence de soleil, si les besoins de froid sont toujours présents, une autre source de chaleur doit prendre le relais. L’intérêt de la machine frigorifique à absorption couplée avec des capteurs solaires doit donc être évalué sur base d’une moyenne annuelle, en tenant compte des heures d’ensoleillement exploitables. Cette évaluation dépend de nombreuses valeurs à estimer :
  • rendement de la chaudière,
  • rendement de la machine frigorifique à absorption ou des différents échangeurs de la roue dessicante
  • proportion de la demande de froid qu’on peut produire avec l’énergie solaire (X) qui dépend du nombre d’heures d’ensoleillement exploitables,
  • rendement moyen de la production électrique en centrale,
  • COP de la machine frigorifique à compression.

Avec les hypothèses prises dans le schéma ci-dessus, le bilan au niveau de la consommation d’énergie primaire est favorable au système de refroidissement solaire si au moins 51 % de la demande de froid peut être satisfaite par l’énergie solaire. Pour évaluer la rentabilité économique du système, il faudrait tenir compte des prix de l’énergie et des coûts d’investissement.
Est-il envisageable d’atteindre ce ratio ? A priori non : dans notre climat peu ensoleillé, les surchauffes sont en grande partie liées aux dégagements intérieurs de chaleur. Encore plus si le bâtiment est équipé de protections solaires.
Faisons l’exercice inverse : pour que la climatisation solaire soit pertinente, il faudrait que :

  • Les locaux soient peu sujets à des gains internes : des grands espaces peu occupés
  • Les locaux soient sujets à une surchauffe au moment où le soleil brille : donc des espaces qui présentent une faible inertie thermique
  • Les locaux disposent d’une stratégie alternative lorsque cette surchauffe apparait pour un ensoleillement moyen (en mi-saison, quand la température dans le capteur ne sera pas suffisante) : locaux que l’on peut ventiler intensivement en été.

Cela pourrait nous faire penser à des espaces d’exposition, pour autant que l’éclairage artificiel n’y représente pas une charge trop importante, ou à des atriums. On le voit, la climatisation solaire doit, chez nous, être considérée comme un produit de ‘niche’, pour lequel une étude technico-économique détaillée est indispensable.

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Le geocooling est une technique de valorisation de la fraicheur du sol grâce à un réseau véhiculant un fluide caloporteur. En principe, le champ d’application du geocooling est large. Tout bâtiment qui présente un besoin de froid pourrait théoriquement en bénéficier, quitte à compléter cette source d’un appoint par une machine frigorifique plus traditionnelle.
Les limites d’utilisation du geocooling seront :
  • Réglementaires : les forages doivent faire l’objet d’une demande de permis unique en Région Wallonne, pour laquelle il faut fournir notamment une coupe géologique probable du puits avec profondeur estimée de la nappe aquifère, la description des méthodes de forage et les équipements du puits avec coupe technique, un rapport technique sur la nature de la nappe aquifère éventuelle et un plan de situation des puits. Le sens de cette demande de permis est bien évidemment d’éviter tout risque de pollution d’une nappe aquifère, ce qui peut limiter le développement de cette technologie dans certaines zones sensibles.
  • Technologiques : Décharger d’année en année une quantité d’énergie dans le sol mène à son échauffement progressif. Il en découle une perte de performance liée à des moindres écarts de température entre le sol, la boucle d’eau et le bâtiment. On privilégiera donc le geocooling dans les situations où le sol est également utilisé comme source de chaleur en hiver (géothermie), t en particulier lorsque les besoins de chauffage et de refroidissement du bâtiment sont dans une certaine proportion. Puisqu’en géothermie l’énergie utile (la demande de chaud) = l’énergie extraite du sol + l’énergie consommée au compresseur de la pompe à chaleur, alors qu’en geocooling, l’énergie utile (la demande de froid) = l’énergie injectée dans le sol, on déduit que le geocooling sera particulièrement pertinent lorsque la demande de froid = la demande de chaud / (1-(1/COPpac)). Autrement dit, si on considère qu’une pompe à chaleur à un COP de l’ordre de 4, il faut que les besoins de froid soient environ 133 % des besoins de chaleur.

Simulation de la température d’un sol dont on retire du froid chaque été. Après 240 mois (20 ans), la température moyenne a grimpé de 3°C, rendant difficile la production d’eau froide à destination du système de climatisation du bâtiment.

  • Économiques : La pertinence économie qu’un geocooling dépend de la nature du sol et de l’équilibre entre besoins de chaleur et de froid. Pour ce qui est de la nature du sol, il est évident qu’un forage dans une roche demandera un investissement plus important qu’un forage dans du sable. Certains sols offrent également une plus grande diffusivité thermique, ce qui améliore leur rôle de tampon thermique. Un test de réponse thermique (TRT) permet de chiffrer la qualité d’un sol relativement à des applications thermiques. L’équilibre chaud-froid dans les proportions discutées au point précédent permet de limiter le recours à des technologies d’appoint (chaudière ou machine frigorifique à compression) pour valoriser au maximum l’investissement fait au niveau du forage.

Pour illustrer tout cela, voici un exemple de bilan réalisé pour un bâtiment de bureaux (source : MATRIciel sa). Il s’agit de la comparaison entre la géothermie/geocooling et des installations de production traditionnelles, pour plusieurs combinaisons d’enveloppe (coefficient de déperdition des murs de 0,2 à 0,4 W/m²K et facteur solaire des vitrages de 22 à 39 %). Certaines combinaisons ne sont pas possibles si on désire installer une géothermie, car elles entraînent un trop grand déséquilibre entre les besoins de chauffage et de refroidissement et donc une mauvaise dynamique du sol d’une saison à l’autre. Dans ces cas, la stabilité de la température du sol à long terme n’est pas garantie. Globalement, lorsqu’elle est possible, la valorisation du sol permet une division par 2 des émissions de CO2 et une économie d’un tiers de l’énergie primaire liée au chauffage et refroidissement. Mais, on constate que la combinaison qui minimise la consommation d’énergie primaire pour des techniques traditionnelles ne permettait pas, pour ce cas-là, d’opter pour le geocooling ! Même si cela peut paraître paradoxal, il est alors préférable d’aller un peu moins loin dans la réduction des besoins (de froid dans ce cas-ci) pour rendre possible l’investissement dans une technique qui minimisera l’impact global du bâtiment.

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Le régime de température d’un système de climatisation influence directement la quantité d’énergie produite en valorisant la fraicheur de l’environnement. À titre d’exemple, le tableau suivant reprend les gains énergétiques potentiels par free-chilling et par géocooling qui ont été simulés en fonction du régime de température, pour un bâtiment de bureaux nécessitant 302 MWh de besoin en froid.

  Géocooling
Régime 09°C-14°C 15°C-17°C 17°C-19°C
Gain énergétique potentiel 33% 66% 75%

Free-chilling

Régime 09°C-14°C 15°C-17°C 17°C-19°C
Gain énergétique potentiel 0.5% 8.6% 15.5%

Le géocooling consiste à refroidir directement l’eau avec le sol, la température du sol  doit donc être inférieure à la température de départ de l’eau. Dans cette exemple, le choix d’un régime 17-19 °C au lieu de 9 °C – 14 °C permet bénéficier de 2 fois plus d’énergie gratuite et d’ainsi couvrir 75 % des besoins en froid du bâtiment !
Pour un régime de température de 9 °C – 14 °C, l’utilisation d’énergie gratuite de l’air est quasi nulle (0.5 % de la consommation annuelle).  Dans cet exemple, l’augmentation du régime de température de 2 °C (17-19 au lieu de 15-17) permet d’utiliser 1.8 fois plus d’énergie gratuite.
En outre, un régime plus élevé diminue fortement le risque de condensation et peut permettre de se passer de la déshumidification de l’air. Il est dès lors possible d’utiliser des émetteurs de types plafond froid.