INTRODUCTION
Lorsque, malgré une utilisation optimale des techniques
passives, un système de climatisation s'avère nécessaire,
le rafraîchissement solaire peut être une solution
intéressante.
Durant les périodes de fort ensoleillement,
l'utilisation de l'énergie solaire pour le rafraîchissement est un
concept séduisant, puisque les besoin en froid coïncident la
plupart du temps avec la disponibilité du rayonnement solaire.
Ainsi au regard de ces inspirations, c'est dans cette
perspective que nous avons choisi à bon droit et cela fort et confiant
de nos formations reçues en qualité d'Ingénieur Civil
Electromecaniçien,de porter un regard plus attentif sur l'étude
des systèmes de climatisation solaire.
L'intérêt du sujet se justifie par le fait que la
climatisation utilisant l'énergie solaire supprime la
quasi-totalité des nuisances dues aux techniques de climatisation
classiques ou conventionnelles:
· La source d'énergie est le soleil, donc sans
rejet. La consommation électrique des auxiliaires est sensiblement
inférieure à celle du compresseur remplacé.
· Les fluides frigorigènes employés sont
totalement inoffensifs, à la différence des fluides de type HCFC
(gaz à effet de serre) utilisés dans les systèmes
classiques.
· La source de bruit la plus importante (moteur et
compresseur) est totalement supprimée. Et l'absence des pièces
mécaniques en mouvement conduit en conséquence à une
durée de vie nettement plus longue que les groupes de
réfrigérations classiques
Le problème posé est tel qu'au départ
nous disposons des installations de climatisation dont l'énergie motrice
s'avère être de la chaleur extraite de l'eau chaude. Alors il
convient de concevoir un arsenal solaire capable de produire à une
certaine température désirée une eau chaude susceptible
d'alimenter l'installation de climatisation.
Nous avons estimé après plusieurs
réflexions que la technique la mieux adaptée consisterait
à utiliser des capteurs solaires pour fournir de la chaleur qui est
dirigée vers une installation de climatisation.
Pour les systèmes fermés, la chaleur fournie
sera absorbée pour produire du froid .Le froid est ensuite
distribué comme pour la climatisation classique.
Pour les systèmes ouverts l'énergie solaire
pourra servir comme source de chaleur pour la déshumidification de
l'absorbant et aussi pour alimenter les réchauffeurs.
Ce travail dont l'objet principal est le dimensionnement des
composants de l'arsenal solaire, ne prendra pas en compte l'étude du
climat de confort.
Le présent mémoire contient outre l'introduction
et la conclusion deux grandes parties dont la première, théorique
comprend les généralités, notamment sur le principe de
base de la climatisation ainsi que sur l'énergie solaire. La seconde
partie, expérimentale, se penchera sur la conception et le
dimensionnement de l'installation solaire ainsi que l'étude
technico-économique du projet
PARTIE I : PARTIE THEORIQUE
CHAPITRE I : GENERALITES
Dans ce chapitre, nous parlerons essentiellement de deux
principaux points à savoir :
· Les principes de base de la climatisation;
· L'énergie solaire.
Le premier point comprendra :
· Le fonctionnement d'un système de
climatisation ;
· L'étude du circuit frigorifique et sa
représentation sur le diagramme entropique (T, s) ;
· Les techniques de climatisation.
Le second point abordera surtout l'aspect
énergétique du gisement solaire.
I.1.PRINCIPES DE BASE DE LA CLIMATISATION [Cf.
Bibliographie:1, 9,10]
I.1.1. Définition et principe de fonctionnement
d'un système de climatisation
1. Définition
Climatiser un local, au sens le plus large et
général, consiste à maîtriser de façon
volontaire, les caractéristiques physico-chimiques de
l'atmosphère qui y règne afin de rendre celle-ci plus
agréable aux occupants ou plus adaptée aux travaux qui y sont
effectués.
Ainsi la climatisation peut consister à
réchauffer ou à refroidir l'air, à en augmenter ou
diminuer l'hygrométrie, à le dépoussiérer...
Le but donc d'un système de climatisation est de
traiter l'air dans une pièce afin de contrôler
simultanément sa température, son taux d'humidité, sa
pureté ainsi que sa distribution optimale.
2. Principes de fonctionnement d'un système de
climatisation
a). Principe de base
La climatisation est basée sur le transport de
la chaleur
d'un endroit vers un autre.
Pour cela, que faut-il ?
Un appareil intérieur, un
appareil extérieur, un circuit fermé de tuyauteries en cuivre qui
relie les unités intérieures et extérieures entre elles et
dans lequel circule le réfrigérant. C'est ce
réfrigérant qui va transporter l'énergie produite d'un
local vers un autre local
b). Fonctionnement en mode froid
La figure 1 donne le fonctionnement en mode froid
Figure 1: Fonctionnement en mode froid
1 Unité intérieure
Un
ventilateur souffle l'air intérieur chaud vers un échangeur de
chaleur dans lequel un réfrigérant froid circule. Le
réfrigérant froid absorbe la chaleur de l'air et l'air ainsi
rafraîchit est renvoyé dans le local.
2 Tuyauteries en cuivre
Le
réfrigérant transporte la chaleur récupérée
via des tuyauteries en cuivre depuis l'unité intérieure vers
l'unité extérieure.
3 Unité extérieure
Par cet apport de chaleur un changement s'opère sur le
réfrigérant. D'un état liquide, il se transforme en
état gazeux, comme de l'eau qui se transforme en vapeur lorsqu'elle
bout. De la même façon que la vapeur retrouve sa forme liquide
lorsqu'elle refroidit, le réfrigérant redevient liquide
grâce à la chaleur rendue par l'unité extérieure.
4 Réfrigérant
Le
réfrigérant liquide retourne vers l'unité
intérieure.
5 Unité intérieure
De retour
dans l'unité intérieure, le réfrigérant
libère la fraîcheur et recommence le circuit en boucle
jusqu'à obtention de la température
désirée.
I.1.2 Etude du circuit frigorifique
Un climatiseur fonctionne de façon similaire qu'un
réfrigérateur. Pendant que le réfrigérant circule
à travers le système, il subit un grand nombre de changements
d'état. Il y a quatre processus fondamentaux qui
forment le 'cycle frigorifique'
La figure 2 montre le cycle frigorifique.
.
Figure 2 : Cycle frigorifique
1. La compression
Par l'action du compresseur, la vapeur résultant de
l'évaporation est aspirée de l'évaporateur par la ligne
d'aspiration jusqu'à l'entrée du compresseur. Dans le
compresseur, la pression et la température de la vapeur augmentent
considérablement grâce à la compression, puis la vapeur
à haute température et à haute pression est rejetée
par la ligne de refoulement.
2. La condensation
La vapeur traverse la ligne de refoulement vers le condenseur
où elle libère la chaleur vers l'air extérieur. Dès
que la vapeur a relâché sa chaleur additionnelle, sa
température s'abaisse jusqu'à sa nouvelle température de
saturation correspondant à sa nouvelle pression.
En libérant
sa chaleur, la vapeur se condense entièrement et est ensuite
sous-refroidie. Le liquide sous-refroidi arrive au détendeur et est
prêt pour un nouveau cycle
3. La détente
Le cycle de la détente s'opère entre le condenseur
et l'évaporateur, en effet le réfrigérant liquide sort du
condenseur à haute pression et haute température, et se dirige
vers l'évaporateur via le détendeur.
La pression du liquide
est réduite à la pression d'évaporation quand le liquide
traverse le détendeur, ainsi la température de saturation du
réfrigérant entrant dans l'évaporateur sera en dessous de
celle de l'espace à rafraîchir. Une partie du liquide se
vaporise dès qu'il traverse le détendeur dans le but d'abaisser
la température du réfrigérant à la
température d'évaporation.
4. L'évaporation
Dans l'évaporateur, le liquide se vaporise à
pression et à température constante grâce à la
chaleur latente fournie par l'espace au réfrigérant traversant
l'évaporateur.
Tout le réfrigérant est
complètement vaporisé dans l'évaporateur, et
surchauffé à la fin de l'évaporateur.
Bien que la
température de la vapeur augmente quelque peu à la fin de
l'évaporateur à cause de la surchauffe, la pression reste
constante.
Bien que la vapeur absorbe la chaleur de l'air entourant la ligne
d'aspiration, augmentant sa température et diminuant
légèrement sa pression à cause des pertes de charges dues
au frottement dans la ligne d'aspiration, ces détails sont
négligés lorsqu'on explique le fonctionnement d'un cycle
frigorifique normal.
· Représentation sur le diagramme entropique
(T,s)
N
0°abs
s
Q1
Q2
A
B
D
C
T1 1
T2
0°c
P1
P2
T
M
![]()
Figure 3 : Diagramme entropique
Sur le diagramme entropique ci-dessus,le fonctionnement
théorique est représenté par le cycle de Carnot
ABCD,évoluant entre les isothermes T1et T2 et les adiabatiques AD et
BC,et sur lequel on peut lire:
· Q1:Chaleur évacuée au condenseur = Aire
AMNB
· Q2:Chaleur absorbée à l'évaporateur =
Aire DMNC
· Q3:Equivalent calorifique du travail consommé par
la machine = Aire ADCB
Ce qui nous permet de calculer le coefficient d'effet
frigorifique:
å = Q 2/Q 3 = Q 2/ (Q1-Q2)
= T2/ (T1-T2)
Le cycle pratique figuré dans le diagramme entropique est
le suivant:
P2
T2
6
1
2
3
4
5
s
0°C
T
T1
P1
![]()
Figure 4: Cycle pratique.
Légende:
· 1, admission dans le cylindre de vapeur saturée
sèche;
· 1-2, compression adiabatique de p2 à p1;
· 2-3-4-5, refroidissement, condensation et sous
refroidissement à pression constante p1 dans le condenseur;
· 5-6, détente et laminage à travers le
régleur;
· 6-1, évaporation à pression constante p2
dans l'évaporateur
Ce cycle est encore modifié dans sa réalisation,
principalement du fait qu'il existe toujours une certaine surchauffe des vapeur
à l'aspiration et du fait que la compression ne s'effectue pas
exactement suivant adiabatique en raison du refroidissement obtenu par des
ailettes ou par circulation d'eau, et qui a pour effet d'abaisser la
température en fin de compression.
I.1.3. Les techniques de climatisation
Dans ce paragraphe nous aborderons les principes
généraux, sans entrer en détails sur la
climatisation classique notamment celle par sorption et
dessiccation/évaporation.
Pour comprendre la suite du présent travail, les
différentes installations seront d'une technologie adaptable aux
équipements solaires.
Les systèmes de rafraîchissement les mieux
adaptés utilisant le solaire thermique pour produire du froid, peuvent
être classés en deux grande familles:
"Systèmes fermés et ouverts":
· Systèmes fermés
Un groupe de production de froid à sorption produit de
l'eau glacée utilisable dans une centrale de traitement d'air
(refroidissement et déshumidification).
· Systèmes ouverts
Dans ces systèmes l'air est directement traité
(refroidissement, déshumidification) en fonction des conditions de
confort souhaitées.
I.1.3.1. Installation de climatisation par sorption
Les machines à sorption (absorption et adsorption) peuvent
être caractérisées par trois températures:
· Une température haute (TH) correspondant à
la chaleur motrice fournie au système (circuit d'eau chaude);
· Une température basse (TF) correspondant à
celle de la "production de froid"(circuit d'eau glacée);
· Une température intermédiaire (TM) au niveau
de la quelle la quantité de chaleur prélevée sur l'eau
glacée et la chaleur motrice doivent être évacuées,
le plus souvent au moyen d'une tour de refroidissement ouverte (circuit de
refroidissement).
Qchaud
La figure 5 représente le schéma de principe du
processus
Qfroid
TH
Qrejetée
TM
TF
![]()
Figure 5: Schéma de principe du
processus
· Qfroid est la quantité de chaleur extraite de l'eau
glacée au niveau de l'évaporateur.
· Qchaud requise pour faire fonctionner le processus
(chaleur motrice).
· Qrejetée, somme de Qchaud et Qfroid, est la
quantité de chaleur à évacuer à la
température moyenne TM.
Un paramètre clé pour décrire
l'efficacité d'une machine à sorption est le coefficient de
performance thermique (COP), défini par le rapport entre la chaleur
extraite de l'eau glacée (production de froid) et la chaleur motrice du
processus:
COP = Qfroid/Qchaud
Ce paramètre est différent du COP conventionnel
(COP conv) d'un groupe de froid classique à compression
électrique, défini par:
COPconv = Qfroid/Eélectricité.
Où Eélectricité représente la
consommation électrique du groupe à sorption.
Il convient de signaler que dans l'optique de ce mémoire,
Qchaud sera essentiellement fourni par des capteurs solaires, via,
éventuellement un système d'appoint.
On peut noter que, plus le COP est faible, plus la
quantité de chaleur à fournir au système et celle qui doit
être évacuée dans la tour de refroidissement sont
élevées. A l'inverse, une valeur élevée du COP est
un avantage permettant de réduire à la fois le besoin en chaleur
motrice et la consommation électrique des pompes.
La température de l'eau glacée dépend du
système de distribution installé dans les pièces.
Lorsqu'une déshumidification de l'air est nécessaire, la
température de l'eau glacée doit être inférieure au
point de rosée (6°à 9°c en général) (.Cf.
Bibliographie: guide de climatisation solaire).Lorsque l'on souhaite uniquement
un abaissement de température, sans déshumidification, une
température d'eau glacée de 12° à 15°c est
suffisante, conduisant à des meilleures performances de la machine.
a) Machines à absorption.
Schéma de principe:
La figure 6 donne le schéma de principe d'une machine
à absorption.
Eau de refroidissement
Eau de refroidissement
Eau glacée
EVAPORATEUR
ABSORBEUR
Eau chaude
(Chaleur motrice)
GENERATEUR
CONDENSEUR
Vanne de détente
Pompe de circulation
![]()
Figure 6 : Schéma de principe
Le principe est tel que la "production du froid " est
basée sur l'évaporation du réfrigérant (l'eau) dans
l'évaporateur à très basse pression. La vapeur d'eau est
alors "aspirée" dans l'absorbeur, contribuant à la dilution de la
solution H20/LiBr.
L'efficacité du processus d'absorption nécessite un
refroidissement de la solution. Cette dernière est pompée en
continu dans le générateur où elle est chauffée
(chaleur motrice). La vapeur d'eau ainsi générée est
envoyée dans le condenseur, où elle se condense. L'eau liquide,
après passage dans une vanne de détente, retourne ensuite
à l'évaporateur.
Nous constatons que la compression thermique est obtenue en
utilisant un couple réfrigérant/liquide absorbant, et source de
chaleur qui remplace la consommation électrique du compresseur
mécanique.
Pour de l'eau glacée au dessus de 0°c, comme c'est le
cas en climatisation, c'est le couple "eau/bromure de lithium
(H²O/LiBr.)Qui est utilisé, l'eau étant le
réfrigérant (Cf. Bibliographie:Guide de climatisation solaire).La
pompe de circulation utilisée doit être très faiblement
consommatrice d'électricité.
b) Machines à adsorption
Ici, au lieu d'une solution liquide, un matériau solide
(un adsorbant) est utilisé. Ces systèmes utilisent l'eau comme
réfrigérant et le silica-gel comme adsorbant.
La figure 7 donne le schéma de principe d'une machine
à adsorption.
Eau chaude
(Chaleur motrice)
Eau glacée
Eau de refroidissement
Eau de refroidissement
EVAPORATEUR
CONDENSEUR
2
1
![]()
Figure 7 : Schéma de principe d'une machine à
adsorption.
La machine comprend deux compartiments (1 et 2), un
évaporateur et un condenseur L'absorbant 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 deuxième compartiment maintient la basse
pression en adsorbant cette vapeur. Ce compartiment doit être refroidi
pour entretenir le processus d'adsorption. Lorsque la production du froid
diminue (saturation de l'adsorbant en vapeur d'eau), les fonctions de deux
compartiments sont permutées par ouverture et fermeture des clapets.
Il est impérieux d'avoir présent à
l'esprit que dans le cas des installations à sorption,
l'évaporateur fait office du local ou de la pièce à
climatiser.
5
4
3
2
1
Air frais et sec
I.1.3.2. Installation de climatisation par dessiccation
Roue déshumidificatrice
Roue échangeur thermique
Humidification
Air chaud et humide
Eau chaude
Eau chaude
6
7
8
9
10
La figure 8 illustre le schéma d'une installation de
climatisation par dessiccation
![]()
Figure 8 : Schéma d'une installation de climatisation par
dessiccation.
Les systèmes à dessiccation sont des
systèmes ouverts utilisant l'eau, en contact direct avec l'air comme
réfrigérant.
Le rafraîchissement par dessiccation a pour principe de
déshumidifier l'air au travers d'une roue à dessiccation pour
pouvoir le refroidir en suite par ré humidification. Le passage de l'air
au sein de la roue deshumidificatrice induit une hausse de température
sèche. C'est pourquoi cet air est d'abord refroidi dans un
échangeur de chaleur avant de passer dans un humidificateur. Le
matériau absorbant est régénéré par l'air
repris préalablement, chauffé à des températures de
l'ordre de 50 à 100°c (Cf. guide de climatisation) suivant le
matériau et la puissance de déshumidification requise .Nous
estimons que cette technique entre dans la catégorie faible consommation
lorsqu'une source de chaleur gratuite est disponible (en occurrence le
soleil).
Le rafraîchissement par évaporation repose sur la
chaleur latente de vaporisation de l'eau pour réduire la
température sèche de l'air. Elle consiste à humidifier
l'air repris du local puis à le faire passer dans un échangeur
afin de refroidir l'air de soufflage.
· Rafraîchissement
Le procédé de base permettant le conditionnement
d'air est le suivant:
L'air entrant, chaud et humide, traverse une roue à
dessiccation en rotation lente,et est donc déshumidifié(1-2).
L'air étant réchauffé par le phénomène
d'adsorption, un premier refroidissement est obtenu au travers d'un
échangeur thermique (2-3). L'air est ensuite humidifié,et donc
refroidi dans un humidificateur(3-4),permettant d'ajuster le niveau
d'humidité et de température souhaité pour l'air neuf .L'
air repris dans la pièce est humidifié pratiquement jusqu'au
point de saturation(6-7),pour bénéficier au maximum du potentiel
de refroidissement dans l'échangeur thermique(7-8). Enfin,la roue
à dessiccation doit être
régénérée(9-10),en utilisant de la chaleur à
un niveau de température relativement faible(50 à
70°c),permettant ainsi de poursuivre le processus continu de
déshumidification.
· Chauffage
Lorsque les besoins de chauffage sont plus importants,
l'énergie solaire, et le cas échéant, une énergie
d'appoint sont utilisées.
· Régime
d'été
En période de fort ensoleillement, la
température sèche et le degré hygrométrique
à l'intérieur du local sont élevés. D'où
pour rendre les conditions confortables, il faudra refroidir et
déshumidifier.
Représentons cela sur le diagramme (h, x):
.h1
1
2
3
4
T4
.h4
T1
.ö =1
.ö4
.ö1
.x4
.x1
![]()
Figure 9 : Diagramme psychrométrique.
Le point 1 représente l'état initial, où
nous avons au sein du local t1 et ö1, respectivement la
température et le degré hygrométrique internes. Le point 4
fait état des conditions optimales de confort.
On a donc t4< t1 et ö4
<ö1.
Nous aurons donc au sein de l'installation de climatisation 3
appareils dont:
· Le refroidisseur R1 (1-2);
· Le déshumidificateur D (2-3);
· Le réchauffeur R 2 (3-4);
La figure 10 fait état d'une installation de climatisation
à trois appareils.
4
1
2
3
R1
D
R2
Figure 10 : Installation de climatisation par
dessiccation
![]()
Le réchauffeur sera de ce fait alimenté par une
source de chaleur provenant des capteurs solaires.
I.2. ENERGIE SOLAIRE [Cf. Bibliographie: 4, 5,8]
I.2.1. Aperçu de la source
Le soleil est une sphère gazeuse composée
presque totalement d'hydrogène. Son diamètre est de 1391000 Km
(100 fois celui de la terre), sa masse est de l'ordre de 2.1027
tonnes. Toute l'énergie du soleil provient des réactions thermo
nucléaires qui s' y produisent. Elles transforment à chaque
seconde 564106 tonnes d'hydrogènes en 560106 tonnes d' hélium,la
différence de 4 millions de tonnes est dissipée sous forme
d'énergie (E = mc² ),ce qui représente une énergie
totale de 36.10²² kW. La terre étant à une distance de
150.106 Km du soleil, elle reçoit une énergie de
1,8.1017 w.
La valeur du flux de rayonnement solaire E reçu par une
surface perpendiculaire aux rayons solaires placée à la limite
supérieure de l'atmosphère terrestre (soit à environ 80 Km
d'altitude) varie au cours de l'année avec la distance Terre/Soleil. Sa
valeur moyenne Eo est appelée la constante solaire, elle vaut Eo = 1353
w/m².En premier approximation, on peut calculer la valeur de E en fonction
du numéro du jour de l'année j par :
E = Eo [1+0,033 Cos (0,984 j)] [w/m
2]
I.2.2. Durée et taux d'ensoleillement
a) D'urée d'ensoleillement
Selon les conditions atmosphériques, le ciel peut
être plus ou moins couvert des nuages au cours d'une journée.
Ceux-ci occultent le soleil, totalement ou partiellement, empêchant ainsi
le rayonnement d'atteindre directement le sol. On dit que la
nébulosité est plus ou moins importante selon qu'il y a beaucoup
ou peux de nuages.
On appelle durée effective d'ensoleillement ou
insolation SS le temps pendant lequel, au cours d'une journée, le
rayonnement solaire direct a atteint le sol du lieu considéré .On
appelle rayonnement direct,le rayonnement qui atteint la surface terrestre sans
avoir subit des déviations depuis son émission par le soleil
b) Taux d'ensoleillement
Par ciel clair sans nuages, le sol reçoit le
rayonnement solaire direct pendant toute la durée journée, ou
plus précisément pendant la durée maximale
d'ensoleillement SSo. On appelle taux d'ensoleillement ou taux d'insolation le
rapport entre la durée effective et la durée maximale
d'ensoleillement.
ó = SS/SSo
(1.1)
I.2.3. Aspects géométriques
Nous allons nous intéresser ici aux aspects
géométriques du rayonnement solaire intercepté par la
terre dans le but ultérieur de calculer le flux reçu par un plan
incliné placé à la surface de la terre et orienté
dans une direction fixée. La connaissance de ce flux est la base du
dimensionnement de tout système solaire.
a) Mouvement apparent du soleil
Le mouvement apparent du soleil vu par un observateur fixe en
un point de la latitude L au nord de l'équateur est
représenté par la figure suivante:
Figure 11: Mouvement apparent du soleil
Le repérage du soleil s'effectue par
l'intermédiaire de deux angles :
· L'azimut"a" :C'est l'angle que fait la direction de la
projection du soleil sur le plan horizontal avec la direction Sud, cet angle
étant orienté positivement vers l'Ouest.
· La hauteur "h" du soleil ou l'altitude : C'est l'angle
que fait la direction du soleil avec la projection sur un plan horizontal
Ces deux angles sont fonctions de :
· La latitude L du lieu;
· La date j;
· L'heur solaire TS dans la journée
On défini l'heure solaire TS en fixant TS = 12 h lorsque
la hauteur du soleil est maximale.
· La hauteur "h" vaut alors : Sin (h) = Sin
(L).Sin (ä) +Cos (L).Cos (ä).Cos (ù)
Où : ä = Déclinaison : C'est l'angle
formé par la direction du soleil avec le plan
équatorial.
ä = 23,45° Sin [0,980 (j+284)].
(1.2)
ù = L'angle horaire
ù = 15° (TS-12), ù est
compté positivement l'après midi
· L'azimut "a" a pour relation :
Sin (a) = Cos (ó) .Sin (ù)/ Cos (h)
I.2.4. Aspects énergétiques
L'atmosphère terrestre est constituée de plusieurs
couches de caractéristiques différentes, ce
sont :
· La troposphère, entre le sol et 15 Km
d'altitude;
· La stratosphère entre 15 Km et 80 Km d'altitude;
· L'ionosphère entre 80 Km et 2000 Km d'altitude.
Le flux rayonné par le ciel et l'atmosphère vers
la terre peut être calculé par :
W =
óT4ciel
Où : Tciel est la température
équivalente du ciel. Tciel = Ta -12 [k]
Ta est la température de l'air en k
a) Rayonnement solaire au sol
L'atmosphère ne transmet pas au sol la totalité
du rayonnement solaire qu'elle reçoit :
· Le rayonnement direct S;
· Le rayonnement diffus D ; est la part du rayonnement
solaire diffusée par les particules solides ou liquides en suspension
dans l'atmosphère;
· Le rayonnement global G est la somme du rayonnement
direct et diffus.
On entend par :"Irradiation solaire" l'énergie
reçue pendant une certaine durée. Elle est exprimée en
w.m-2.durée-1 ou
kw.m-2.durée-1.
"L' Eclairement solaire"est le flux instantané, il
s'exprime en w/m 2
L'irradiation globale journalière sur un plan
horizontale vaut :
G = G0 [0,29 Cos (L) +
0,52ó] : En zone tropicale (1.3)
Où G0 étant l'irradiation
journalière sur un plan horizontal placé au dessus de
l'atmosphère calculable par :
G0 = 3,795.104. Cos (L)
Cos (ä) [Sin (ù1) - ð.ù1/180.Cos
(ù1)]. [Kj/m2] (1.4)
ù1 est l'angle
horaire au lever du soleil : Cos (ù1 ) = -tan (L) Tan (ä
) [°c] (1.5)
PARTIE II : PARTIE EXPERIMENTALE
CHAPITRE II : CONCEPTION ET DIMENSIONNEMENT DES
COMPOSANTS DE
L'INSTALLATION SOLAIRE
Etant donné qu'il est difficile aujourd'hui de trouver
un logiciel facile d'emploi qui permette un choix simple rapide de la
technologie de rafraîchissement solaire la plus adaptée et du
dimensionnement du système, pour cette raison, une étude de
faisabilité est fortement recommandée au début du
projet.
L'étude peut comporter les étapes suivantes :
· Détermination des besoins en froid et en
chauffage;
· Sélection de la technologie de
rafraîchissement la plus adaptée ;
· Conception et dimensionnement des composants :
- Taille du champ des capteurs ;
- Taille des dispositifs de stockage ;
- Etc....
· Analyse du système de régulation;
· Calculs des consommations (électricité, eau
et gaz)
Les cinq points énumérés feront l'objet du
développement de notre sujet.
II.1. Calcul de la charge thermique [Cf. Bibliographie:
2, 3,11]
Ce calcul conduit à la détermination des besoins
en froid et en chauffage.
Il s'agit d'établir le bilant de toutes les charges
thermiques d'origine extérieur et intérieure au bâtiment
à climatiser. Il faut noter que la puissance installée pour la
production du froid est évaluée sur base de la charge thermique,
qui est la somme de toutes les charges internes et externes qui affectent
l'équilibre entre l'environnement intérieure à
rafraîchir et l'environnement immédiat
Le "programme bilan therm" (Cf. Bibliographie), nous permet
d'effectuer les calculs de bilans thermiques et de déperditions pour les
locaux à climatiser et notamment d'en estimer la puissance frigorifique
et thermique nécessaire
a) Description du bâtiment à
climatiser
Pour être plus réaliste nous nous proposons de
concevoir l'installation d'un système de conditionnement d'air à
énergie solaire pour la climatisation d'une salle de conférence
dont la capacité d'accueil totale est estimée à 100
personnes, la surface totale du bâtiment à climatiser est de 400
m² et le volume total vaut 1200 m 3 .
Les deux façades latérales sont munies chacune
de deux parois vitrées de 3 m² de surface. La couverture est
assurée par une toiture en tôles d'acier (acier inox. 15%Cr,
10%Ni) de 600 m² de surface .L'intérieur est éclairé
par 4 tubes suspendus au plafond dont la puissance d'éclairage est de 20
w/m² chacun (éclairage fluorescent).
Il est impérativement utile de prévoir au stade
de la conception du bâtiment, un local appelé "local technique"
destiné à abriter les matériels de l'installation
b) Puissance frigorifique
La charge frigorifique est la somme des gains de chaleur
d'origine interne est externe au local à climatiser.
Ainsi donc la puissance frigorifique est celle que la centrale de
climatisation va mettre en oeuvre pour les besoins de la climatisation elle est
donc estimée à une valeur supérieure à la charge
frigorifique.
Hypothèses des calculs
Dans le cadre de ce travail, nous nous situerons dans la ville
de Lubumbashi, qui est une station dont :
- La latitude vaut 11°29 Sud ;
- La longitude vaut 27°28 ;
- L'altitude vaut 1298 m.
Les mesures faites à Lubumbashi sur une période
allant du 18 Avril au 20 Octobre, font état des résultats
suivants :
- La température maximale absolue est de 36,9°c
;
- La température maximale moyenne est de 31,9°c
;
- L'humidité relative minimale absolue est de 10% ;
- L'humidité relative journalière moyenne est de
48% ;
Nous noterons également que la valeur de la vitesse de
l'air estimée par M .A .MISSENARD en ambiance calme est comprise entre
0,1 m/sec et 0,25 m/sec.
Généralement la différence de
température maximale entre l'intérieur et l'extérieur du
local rencontrée dans la littérature est estimée à
?T = 4°c.
Calculs
1) Apports extérieurs par
conduction
a) Gains de chaleur des surfaces vitrées
Qvit.
Qvit = k.S.?T
La salle comporte 4 surfaces vitrées de 3 m² chacune,
d'où S = 12 m².
Le coefficient de transfert thermique k du vitrage (en verre)
vaut 0,78 w/m² °c
Qvit = 0,78.12.4 = 37,47 w
b) Gains de chaleur au travers des parois
extérieures opaques :
· Mur : Surface S = 588 m²
Kmur = 1,15 w/m² °c (Brique
terre cuite)
?T = 4°c
Qext1 = 1,15.588.4 = 2704,8
w
· Toiture : Surface S = 600 m²
K = 20 w/m² °c (Acier
inox.15%Cr, 10%Ni)
?T = 4 °c
Qext2 = 20.600.4
= 48000 w
Qext = Qext1
+ Qext2 =2704,8+ 48000 = 50704,8 w (chaleur sensible)
2) Apport par ventilation,infiltration
d'air
Les apports thermiques (énergie sensible et latente)
provenant de l'infiltration d'air dû à la
perméabilité des ouvrants dans la salle conditionnée et de
l'introduction d'air neuf extérieur pour la ventilation doivent
être pris en compte.
Ces apports thermiques se décomposent en chaleur
sensible et chaleur latente:
Chaleur sensible = 0,284.p.q.?T
Chaleur latente = 679.p.q.?Hs
Avec: p, Masse volumique de l'air [kg/m 3]
q, Débit volumique de l'air [m 3/h
]
?Hs, est la différence entre
l'humidité spécifique extérieure et intérieure du
local
[kg/h.kg air]
Le débit d'air volumique recommandé pour une salle
de conférence est de 18m3/h. personne
(Cf.Bibliographie:Conception et calcul des procèdes de
climatisation) : Il s'agit du débit d'air neuf introduit par ventilation
et non par infiltration
Le nombre d'occupants étant fixé à 100
personnes, ce qui conduit à un débit total de:
Q = 18.100 = 1800 m 3/h
La masse volumique, à une température donnée
t, est déterminée par la formule suivante:
p =   (Cf.
Bibliographie)
Or, dans le cas d'espèce la température maximale
moyenne est de 31,9 °c ; d'où:
p =  = 1,15775
kg/m 3
Nous aurons ainsi:
Chaleur sensible = 0,284.1, 15775.1800.4 = 2367,36
w
3) Apports internes
a) Occupants
En rapports avec les apports internes, nous signalons que
l'homme est aussi assimilé à un générateur
thermique dont l'énergie est produite par son activité physique
et par la combustion lente des aliments.
Le métabolisme est donc fonction du type
d'activité. Et dans le cas d'espèce, l'activité est du
type: "assis et mouvement modéré", ce qui conduit à un
bilan thermique dont la chaleur sensible est estimée à 76,8
w/personnes et la chaleur latente à 51,2 w/personnes (Cf.
Bibliographie:Bilan therm)
Ainsi donc pour un total de 100 personnes nous aurons :
· Chaleur sensible = 76,8.100 = 7680 w
· Chaleur latente = 51,2.100 = 5120 w
b) Eclairage électrique
Les éclairages contribuent aux apports sensibles
seulement. La chaleur sensible relâchée par les éclairage
est calculée comme suit:
Q =
Pc.Fb.Am.tx
Où :
· Pc: Puissance en watts totale obtenue à
partir des estimations de tous les équipements
installés
Dans le cas d'espèce il y a au sein du local 4 tubes dont
chacun a une puissance d'éclairage de 20 w/m².
La puissance totale sera donc égale à:
Pc = 80.400 =
32000 w
· Fb = 1,15 (éclairage fluorescent) :
· Am = 0,88 : Coefficient d'amortissement
· tx = 0,6 : Coefficient de
simultanéité
D'où Q vaut : Q = 32000.1,15.0,88.0,6 = 19430,4 w
4) Estimation de la valeur de la
puissance
Il est impératif de s'assurer que lors de la
sélection d'un appareil de climatisation dans un local donné, la
puissance froid soit donnée en chaleur sensible et que cette puissance
soit égale ou supérieure au bilan thermique calculé en
chaleur sensible.
Ainsi donc concernant notre salle de conférence, la
puissance frigorifique de l'appareil de climatisation ou de production d'eau
glacée sera estimée à :
P =
50704,8+2367,36+7680+19430,4 = 80182,56 w
Pour couvrir certains apports thermiques dus à une
éventuelle présence des équipements divers
(équipements informatiques, machines, moteurs,...) ce résultat
est majoré par un coefficient de sécurité s = 1,2.
D'où la capacité sera de :
P = 80182,56.1,2 = 96219,072 w froid
Soit, P =
96,219 kW froid
II.2. Sélection de la technologie de
rafraîchissement
a) Exposé
Tout part de l'hypothèse du contrôle de la
température et de l'humidité intérieures. Le point de
départ est toujours le calcul, au cas par cas des besoins en froid.
Selon ces besoins et les attentes des utilisateurs, on optera pour un
système de climatisation par sorption, par dessiccation ou mixte pour
extraire chaleur et humidité du bâtiment
La principale question sur le plan technique est :"le taux de
renouvellement d'air"minimum qui garantit de bonnes conditions
hygiéniques est-il suffisant pour couvrir les besoins en froid (chaleur
sensible et chaleur latente)?
b) Taux de ventilation de base
On appelle taux de ventilation ou taux de
renouvellement d'air la quantité horaire d'air neuf à
introduire dans un local. On rapporte généralement ce taux :
- Soit au nombre d'occupants;
- Soit au volume du local.
Dans le premier cas, le taux de ventilation s'exprime en
mètre cubes d'air neuf par heure et par personne [m
3/h.pers].
Dans le second cas, il s'agit du taux de renouvellement d'air
N qui est défini par le rapport :
N =  
Q : débit de ventilation nécessaire [m
3/h]
V : volume du local [m 3]
N : taux de renouvellement d'air [h-1] ou [m
3 air neuf / h.m3]
Dans le cas d'espèce :
- q = 18m3/h.pers;
- V = 1200 m 3
Or Q = 1800 m 3/h
Nous aurons ainsi N = 1800/1200 =
1,5[h-1]
Partant de la valeur de N il convient d'utiliser un
système double flux (air soufflé / air repris) [Cf.Guide de
climatisation solaire]
Eu égard à la valeur de la puissance
froid et celle du taux de renouvellement, les deux
technologies sont applicables à savoir "la climatisation par
sorption et celle par dessiccation"
II.2. Conception et dimensionnement des composants [Cf.
Bibliographie: 1, 3, 5, 7,11]
II.2.1. Schéma fonctionnel d'une installation de
climatisation par sorption
La technique consiste à utiliser des capteurs solaires
pour fournir de la chaleur qui sera ensuite dirigée vers une machine
à sorption.
Une conception réalisée et bien adaptée,
pour la production d'eau chaude comme chaleur motrice des machines à
sorption; est représentée sur la figure 12 suivante:
Figure 12 : Schéma d'une installation de climatisation par
sorption
II.2.2. Schéma fonctionnel d'une installation de
climatisation par dessiccation /
évaporation
Sur cette installation l'eau chaude issue des capteurs solaires
est utilisée pour alimenter les réchauffeurs (échangeurs
thermiques) 4-5 et 8-9.(Cf. Fig.8)
La figure 13 montre le schéma d'une installation de
climatisation par dessiccation/évaporation
Insolation
Capteur solaire
Stockage
Appoint
4
5
8
9
Salle à climatiser
![]()
Figure 13: Schéma fonctionnel d'une installation de
climatisation par dessiccation
Pour tous les deux cas nous comprenons que le principe de
départ est basé sur le chauffage de l'eau. Il s'agit donc d'un
chauffe-eau solaire qu'il convient de dimensionner.
II.2.3. Chauffe eau solaire
Un chauffe-eau solaire est généralement
constitué de trois parties :
· Un capteur (A), qui transforme le rayonnement solaire en
chaleur,
· Un groupe de transfert (B), qui assure la circulation et
la régulation,
· Une unité de stockage(C).
Schéma : les trois parties d'un chauffe-eau
solaire
Figure 14: Les trois parties d'un chauffe-eau
Un chauffe-eau solaire peut fonctionner " en
thermosiphon " sans groupe de transfert. Dans un tel système, le
fluide caloporteur réchauffé par le soleil dans les capteurs se
dilate et, plus légère, monte naturellement vers le ballon de
stockage situé au dessus. Les systèmes en thermosiphon sont
généralement moins chers puisqu'ils ne nécessitent aucun
dispositif de circulation ou de contrôle, mais l'unité de stockage
doit être obligatoirement positionnée au dessus du capteur.
Schéma : Chauffe-eau solaire en
" thermosiphon
Figure 15: Chauffe-eau solaire en thermosiphon
Les capteurs solaires
Les capteurs solaires peuvent être classés en
trois catégories : le capteur plan, le capteur sous vide et les
capteurs simplifiés.
Le capteur plan
Figure 16 : Capteur plan.
C'est le capteur solaire le plus couramment utilisé. Il
comprend un coffre isolant(C), à l'intérieur duquel est
disposée une feuille métallique noire (B) destinée
à absorber l'énergie solaire. Un fluide caloporteur circule dans
des tuyaux (D), en contact avec cette surface absorbante, et
prélève la chaleur reçue du soleil. Le coffre est
fermé par une couverture transparente (A) afin de réduire les
déperditions thermiques.
La plupart des capteurs plans vitrés permettent des
gains de température allant jusqu'à 70°C par rapport
à la température ambiante et sont de ce fait parfaitement
adaptés à la production d'eau chaude.
Le capteur sous vide
Figure 17 : Capteur sous vide
Le capteur sous vide est constitué d'une série
de tubes de verre sous vide à l'intérieur desquels se trouve un
absorbeur avec un circuit hydraulique, qui capte l'énergie solaire et la
transfère au fluide caloporteur. Grâce aux
propriétés isolantes du vide, les déperditions de chaleur
sont faibles. Ainsi, on peut obtenir des gains de température de
100°C et plus. Ce type de capteur est particulièrement bien
adapté aux applications nécessitant des hautes
températures.
Les capteurs simplifiés
Les capteurs simplifiés sont généralement
constitués d'un absorbeur noir en matière synthétique sans
coffre ni couverture transparente.
Le groupe de transfert
Le groupe de transfert est composé de tous les
éléments nécessaires pour transférer la chaleur des
capteurs à l'unité de stockage dans les meilleures conditions. Il
est composé d'une pompe pour faire circuler le fluide caloporteur et
d'un système de régulation pour mettre en marche la pompe quand
cela est nécessaire.
L'unité de stockage
Un ballon de stockage bien isolé maintient l'eau en
température jusqu'à ce qu'elle soit utilisée.
Un chauffe-eau solaire ne peut pas fournir de l'eau chaude en
cas de faible ensoleillement. Dans ce cas, il faut se servir d'un chauffe-eau
d'appoint utilisant une source d'énergie conventionnelle (gaz, fioul,
électricité, bois). Il est préférable de
séparer le chauffe-eau d'appoint du système solaire et l'utiliser
ponctuellement pour remonter la température de l'eau sortant de
l'unité de stockage.
II.2.3. Dimensionnement des composants
Présentation du chauffe-eau solaire
Le circuit est tel que le soleil chauffe un liquide antigel
qui circule entre le capteur solaire et un échangeur thermique
(serpentin) placé dans un réservoir. Celui-ci, bien sûr,
rempli d'eau"sanitaire" qui donc est chauffée par l'autre liquide. La
source d'appoint ne démarre que si l'eau à l'entrée
n'atteint pas une certaine température de consigne. L'eau chaude
produite est directement acheminée pour alimenter l'appareil de
climatisation. En voici, les détails sur la figure ci- dessous.
La figure 18 montre le schéma d'un chauffe-eau solaire.
Figure 18 : Chauffe-eau solaire à appoint
électrique séparé
a) Capteur solaire
Nous pouvons définir le capteur solaire comme
étant un dispositif destiné à recueillir le rayonnement
solaire pour le convertir en énergie thermique et le transférer
à un fluide caloporteur (eau, air). La paroi absorbante doit comporter
deux qualités:"Capter le plus possible et émettre le moins
possible". Pour la suite de notre travail nous dimensionnerons le capteur
solaire plan.
Implantation
Les capteurs solaires peuvent être installés sur
un toit, sur une terrasse d'un immeuble ou sur un emplacement
réservé au sol. Dans tous les cas il est bien évident
qu'il doit être orienté le plus possible face au soleil; cet
emplacement doit donc être dégagé vers le Sud sans ombres
portées par des arbres ou d'autres bâtiments pendant toute
l'année. Le champ des capteurs doit être incliné selon que
le soleil est plus ou moins haut dans le ciel
Schéma : La figure 19 montre le
schéma d'une implantation des capteurs.
Figure 19 : Schéma d'une implantation des capteurs
Légende :
A. Hauteur du soleil
en hiver
B. Hauteur du soleil en
été
C. Implantation
de capteurs en toiture terrasse
D. Implantation de capteurs au
sol
E. Local
technique
F. Liaison hydraulique
entre les capteurs et le local technique
La bonne
inclinaison
L'inclinaison peut se calculer avec précision en
faisant le rapport entre la puissance captée sur une surface verticale
et celle qui tombe sur la même surface placée horizontalement
à chaque période de l'année. L'idéal serait une
double inclinaison pour l'été et l'hiver. Mais comme la chose
n'est guerre praticable, il vaut mieux adopter un compromis plus proche de la
solution de l'hiver plutôt que celle de l'été dans la
mesure où il est préférable que la captation soit optimale
quand la chaleur est plus rare. C'est ainsi qu'il est conseillé une
inclinaison égale à la latitude de l'endroit (car le soleil est
d'autant plus haut dans le ciel qu'on est proche de l'équateur)
augmenté de 10°
Dans le cas d'espèce l'inclinaison sera de:
Ù =
11°29+10°=21°29
Les capteurs solaires implantés sur un toit incliné
comme dans le cas d'espèce seront mieux perçus s'ils sont
intégrés dans la toiture même. Ainsi, les capteurs solaires
seront utilisés pour remplacer la couverture traditionnelle.
Schéma
Coupe du dit capteur solaire intégré au toit
incliné de 21°29
Figure 20 : Capteur solaire intégré au
toit.
Légende :
A. Vitrage
intégré dans la couverture du
toit
B. Absorbeur du capteur
solaire
C. Isolation
thermique
D. Couverture
traditionnelle
E.
Charpente
F. Arrivée d'eau
froide
G. Départ d'eau
chaude
Dimensionnement
Calculons d'abord l'irradiation globale journalière sur un
plan horizontale par la formule (1.3)
G = Go [0,29.Cos (L) +0,25ó]
(1.1) Donne: ó = 
Dans notre contrée SS est estimé à 7h alors
que SSo vaut 12h;
Ainsi : ó = 
= 0,58
L'expression (1.2) donne ä = 23,45° Sin
[0,980(j+284)]
La date j est celle du 8 / Juin, d'où j = 8.
ä = 23,45 Sin
[0,980.292] = - 22,52°
Par la relation (1.5) on a: Cos (ù1) = - tan
(L).tan (ä)
= -tan
(11°29).tan (-22,52)
Cos
(ù1) = 0,08423
.ù1 = 85,16°
L'expression (1.4) donne Go = 3,795.104.Cos
(L).Cos (ä)[Sin(ù1) -
ð.ù1/180.Cos(ù1)]
Go =
3,795.104.Cos(11°29).Cos(-22,52)[Sin(85,16) -
3,14.85,16/180.Cos(85,16)]
Go = 29925, 84 kj/m²
D'où G = 29925,84.[0,29.Cos(11°29)+0,52.0,58] =
17530,406 kJ/m²
Sur une surface inclinée de 21°29 G sera de:
G = 17530,406/Cos (21°29) =
18839,281 kJ/m²
Or la durée effective d'ensoleillement est de 7h soit
25200 secondes, d'où la densité de flux correspondante sera
de:
G* = 18839,281/25200 = 0,747590 kW/m²
G* = 747,59 w/m²
Nous dimensionnons un capteur solaire plan capable
d'élever la température d'un débit d'eau de Tfe
égale à 20°c à Tfs égale à
90°c et dont on connaît:
· Le coefficient d'absorption de la paroi î = 0,8;
· Le coefficient de transmission de la couverture
transparente æ = 0,7;
· Le coefficient caractéristique de gains du capteur
B = 0,75;
· Le coefficient caractéristique de pertes du capteur
K = 7 w/m²/°c;
· La conductivité thermique de la paroi absorbante
â= 22,7 w/m/°c
L'eau circule à la vitesse v = 1,2 m/sec, sa
capacité calorifique cf est de 4180 J/kg°c
Le capteur comporte 14 tubes (n = 14) de 25mm de diamètre
extérieur (De) et dont la distance entre 2 tubes vaut x = 10mm
La principale question consiste à calculer la surface du
capteur. Le problème se resoud par la méthode
itérative:
· On se fixe une valeur"réaliste "de S
· On calcule le flux solaire absorbée par le capteur:
Ôa = G*.î.æ. ;
· On calcule la puissance absorbée par le capteur Pa
= Ôa.S ;
· On calcule la puissance utile du capteur:Pu =
S. [B.G* - K (Tfs - Tfe)];
· On calcule le coefficient global de perte hp = (Pa - Pu)/S
(Tfs - Tfe) ;
· On calcule le rendement de l'ailette F =
Où l² =  ; avec ep
= 5mm:épaisseur de la paroi;
· On calcule le facteur de conductance de l'absorbeur
FR = 
Où: qe:Débit total du fluide dans l'absorbeur
Constitué de n tubes en parallèle [kg/ sec]. Dans
ce cas qe=n.v.s.ö =,14.(0,025)².3,14.1,2.1000/4 =8,12 kg/sec
· On recalcule S= 
· On compare la valeur recalculée à la valeur
de départ. Si la différence dépasse un critère de
convergence (#177;O, 1) on réitère la boucle de calcul en prenant
comme valeur initiale la valeur recalculée. Sinon on arrête les
calculs en retenant le résultat de la dernière boucle
effectuée.
Calculs
Nous effectuons les calculs à l'aide d'un programme en
Excel :
Tableau 1 : Programme en Excel
D'où la surface du capteur est de : Sc
= 6,7 m²
Ainsi donc le rendement optique du capteur est
donné par :
.ço
=Pa/G*.Sc = 2834,26/747,59.6,7= 0,5658
ç0 =
56,58%
Le rendement globale du capteur est donné
par :
.çg =
Pu/G*.Sc = 478,58/747,59.6,7= 0,0955
çg =
9,55%
b) Groupe de transfert
Le groupe de transfert sera essentiellement composé
d'un système de régulation et d'une pompe de circulation.
Principe
Le principe de base de la régulation de cette
installation solaire est simple. Une sonde est située dans le capteur
solaire, une autre dans le bas du ballon d'eau chaude solaire (au 1/9 de la
hauteur de la virole).
Dès que le capteur est plus chaud que le ballon solaire
de quelques degrés, la pompe de circulation est mise en service; des que
les température s'équilibrent la pompe s'arrête. Le
régulateur différentiel est bien approprié pour ces
opérations.
Le rôle du dispositif de régulation est de
commander le transfert de l'énergie captée, seulement si la
température du fluide caloporteur dans le capteur est supérieure
à celle de l'eau contenue dans le ballon de stockage.
Réglage du régulateur
différentiel
Le fonctionnement du régulateur dépend
essentiellement des réglages des différentiels de
températures.
Appelons:
· ?T1:valeur ajustable du différentiel
d'enclenchement du régulateur;
· ?T2:valeur ajustable du différentiel
d'arrêt du régulateur
La circulation du fluide dans le capteur ne peut s'établir
que quand Tcapteur>Tstockage+?T1
La pompe de circulation s'arrête quand
Tcapteur<Tstockage+?T2
Dans le cas d'espèce notre installation est
équipée d'un échangeur extérieur. Dans ce cas la
mise en circulation de l'eau dans le circuit secondaire de l'échangeur
(échangeur - ballon de stockage) nécessite la mise en oeuvre d'un
second circulateur. Ainsi donc la régulation de l'installation sera
assurée par deux régulateurs différentiels R1
et R2.
Schéma de principe
La figure 21 montre le schéma complet de l'installation
solaire.
Ballon de stockage
R1
R2
Tc
T1
Echangeur
Circulateur 1
Circulateur 2
Eau chaude
Capteur solaire
Tstockage
![]()
Figure 21 : Schéma complet de l'installation solaire
Le circulateur du circuit primaire (1) est mis en service lorsque
Tcapteur>Tstockage+?T1 :
· Si T1(température
d'homogénéisation du circuit
primaire)>Tstockage+?T1, le régulateur
R2 commande la mise en service du circulateur du circuit
secondaire.
· Si T1<Tstockage+?T2,
la circulation de l'eau dans le circuit secondaire est interrompue
De manière à assurer les bonnes conditions de
fonctionnement de l'installation, il est conseillé de prendre
?T1=6k et ?T2=2k
L'unité de stockage
Le stockage de l'énergie captée permet de palier
le caractère discontinu de l'énergie solaire.
Pour le dimensionnement du stock, on définit le volume
du stock en fonction de la quantité d'eau chaude nécessaire pour
le besoin de climatisation
Le débit massique d'eau qui circule a été
calculé à:qe=8,12kg/sec; soit qe=
29232kg/h
On a donc un débit de 29,2 litres/h.
Ainsi donc le volume du stock V doit être supérieur
ou égal à 29,2 litres
D'où V = 30 litres
CHAPITRE III : ETUDE TECHNICO-ECONOMIQUE
Au stade de l'étude préalable,
l'évaluation technico-économique doit être
réalisée dans une perspective de garanties de résultats
sur l'installation solaire.
Cette étude consiste à évaluer
l'investissement pour l'installation solaire, pour la distribution et
l'émission de froid dans le cas de la machine à sorption ou soit
l'investissement pour la centrale de traitement d'air dans le cas du
système à dessiccation.
III. 1. Estimation du chiffre d'investissement
L'investissement comprend l'ensemble des coûts relatifs
à la conception de l'installation, aux équipements et leurs
transport,à leur installation et à la formation des personnels
d'exploitation et de maintenance.
En raison des économies qu'on peut réaliser sur
l'installation des capteurs solaires à eau, le coût
spécifique des capteurs et supports est d'environ 700€/m² de
surface [Cf. Bibliographie 11]
Or dans le cas d'espèce, nous avons 6,7m² de
surface du champ des capteurs solaires. D'où le coût des capteurs
est de: 700 x 6,7 = 4690€
a) Système fermé
Le coût propre d'une machine à sorption est
d'environ 25000€.
Pour une période d'observation de 12 mois, le
coût annuel de fonctionnement et de maintenance vaut environ 12000€.
[Cf. Bibliographie 11]
Ainsi donc le coût d'investissement du système,
hors mis coût de télé suivi sera de :
Cinv = 4690+25000+12000 = 41690€
Il est bien claire qu'en incluant le coût de
l'énergie utilisée par le système d'appoint et les
équipements auxiliaires (pompes, réchauffeurs,...) et en tenant
compte des surcoûts spécifiques liés à
l'implantation géographique,le chiffre d'investissement sera revu
à la hausse.
Ainsi donc dans le cas de notre travail, en tenant compte du
coût additionnel,si nous optons pour le système fermé le
chiffre d'investissement total sera d'environ: 65000€.
b) Système ouvert
Le coût spécifique de l'unité d'air
conditionné est d'environ 9,5€/m 3 de débit
nominal d'air (hors mis coût d'installation). [Cf. Bibliographie 11]
Or le débit nominal d'air est de 1800 m
3/h.
D'où le coût sera de: 9,5 x 1800 = 17100€
Le coût annuel de fonctionnement et de maintenance
étant de 12000€.
Le coût d'investissement est d'environ :
4690+17100+12000 = 33790€.
Ainsi donc en tenant compte du coût additionnel, lorsque
nous optons pour un système ouvert, le coût d'investissement sera
d'environ : 60.000 €.
III. 2. Conclusion
Nous disons que les coûts d'investissement de ces
systèmes, hors subventions, sont assez sensiblement au-dessus des
équipements conventionnels. Ceci peut être moins vrai pour les
systèmes à dessiccation, puisqu'une grande partie de la centrale
de traitement d'air d'une installation de rafraîchissement solaire se
rapproche de celle d'une installation classique;le coût additionnel du
champ des capteurs est partiellement compensé par l'absence du groupe de
froid qui est nécessaire dans un système classique.
En général et bien que le bilan
économique soit propre à chaque installation, le coût
complet annuel (incluant l'investissement, les coûts de fonctionnement et
de maintenance) est supérieur à celui d'une installation
conventionnelle.
CONCLUSION ET SUGGESTIONS
De nos résultats, nous pouvons dire qu'il est possible
de concevoir au moyen du
rayonnement solaire un système de climatisation d'une
salle de conférence, localisée
à Lubumbashi, dont la surface du champ des capteurs a
été dimensionnée à 6,7m², la
technologie choisie est soit l'une ou l'autre de deux
techniques décrites, ayant une
capacité de 96,219 KW froid.
Le ballon de stockage tampon, dimensionné à une
capacité de 30 litres a pour
mission d'éviter l'arrêt de la machine pendant le
passage des nuages. Il faut noter que
la tour de refroidissement, ainsi que les techniques de
distribution du froid, non
abordées ici, sont les mêmes que celles
utilisées pour la climatisation classique.
Particulièrement pour ces types d'installation
l'absence des pièces mécaniques en
mouvement conduit en conséquence à une
durée de vie nettement plus longue que les
groupes de réfrigération classique.
Il convient de suggérer que pour la réalisation
de ce projet, il faudra également
envisager la mise au point d'un système de
télé suivi pour le contrôle direct et global
de l'installation, aussi se pencher sur l'étude
relative à l'aménagement du site et à
l'implantation du système solaire. Il faudrait aussi
penser à la formation d'un
personnel de maintenance pour garantir la
longévité de l'installation.
Certes, nous sommes conscients de n'avoir pas tout
épuisé, mais nous pensons que
certaines idées que nous avons émises au cours
de ce travail, pourront servir
modestement de base à quiconque tentera de faire une
étude approfondie en rapport
avec ce sujet.
Sachant que toute oeuvre humaine,ne manque jamais
d'imperfections; nous restons
ouverts aux suggestions et critiques, de nos lecteurs, afin
d'enrichir nos prochaines
publications.
BIBLIOGRAPHIE
1. Production du froid,
Par
Jean CONAN
Ingénieur Agronome
Ingénieur Frigoriste
Directeur technico- commercial de Brissonneau -Yorck S.A
2. Conception et calcul des proçedés de
climatisation:
Par
M. BRUN et G. PORCHER
Anciens élèves de l'ENSET
3. Guide de climatisation solaire:
Par
- MARC DELORME, REINHARD SIX: Rhonalpenergie-Environnement
(France)
- DANIEL MUGNIER, JEAN-YVES:TECSOL (France)
- NADJA RICHLER:O Ö Energiesparverband(Autriche)
Actaes éditions (Lyon): Septembre 2004
10 rue des Archers -69002Lyon
TEL:0478372914 /FAX:0478376491
4. Thermiques solaires: MODULE I;
Yves Jeannot
Octobre 2003
5. Thermiques solaires: MODULE II;
Yves Jeannot
2005
6. Air humide:
Yves Jeannot
Septembre 2005
7. Le manuel du chauffe-eau solaire collectif en 3 parties:
- ECS Solaire 1;
- ECS Solaire 2;
- ECS Solaire 3.
8. Le soleil Energie de L'Espoir: JACQUES PONCIN; 1980 by Rossel
Edition.
9. Cours de climatisation: Par, Prof. SUMUNA (polytechnique;
Grade).
10. Cours de machines frigorifiques: Par, Prof. MULAPI
(polytechnique; Grade)
11. Sites Internet:
-Programme bilantherm (calculs bilans thermiques):
http://www.thermexcel.com/french/program/psychrom.htm
-Programme Psychro.SI (calcul
psychrométrique):
http://www.thermexcel.com/french/program/psychrom.htm
-Chauffe- Eau Solaire:
http://www.tecsol.fr/lettres/articles/documents/ECS
-Climatisation solaire:
http://www.rhonalpenergie-environnement.asso.fr/climatisation
-EU Project SACE- Solar Air Conditioning in
Europe:
http://www.ocp.tudelft.nl/ev/res/sace.htm
-Projet Européen Altener:Promotion de la
climatisation solaire
http://www.raee.org/climatisationsolaire/
TABLE DES MATIERES
Pages
DEDICACE
....................................................................... I
AVANT-PROPOS
....................................................................... II
INTRODUCTION
....................................................................... 1
Ière Partie : Partie Théorique
Chapitre I : GENERALITE
............................................................... 3
- Principes de base de la climatisation
......................................... 3
- Energie solaire
..................................................................... 14
IIème Partie : Partie
Expérimentale
Chapitre II : CONCEPTION ET DIMENSIONNEMENT DES
COMPOSANTS DE L'INSTALLATION SOLAIRE
.................. 18
II.1. Calcul de la charge thermique
....................................................... 18
II.2. Sélection de la technologie de
rafraîchissement la plus adaptée ........... 23
II.3. Dimensionnement des composants
.................................................. 27
Chapitre III : ETUDE TECHNICO-ECONOMIQUE
...................................... 36
CONCLUSION & SUGGESTIONS
.......................................................... 38
BIBLIOGRAPHIE
.................................................................................
39
TABLE DES MATIERES
.........................................................................
40
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