Faire du froid avec la chaleur du soleil

Ces dernières années, une demande de confort accrue face à des températures estivales élevées ont conduit à un fort développement de la climatisation dans les bâtiments tertiaires. Simultanément, les techniques passives ou semi actives, semblent avoir été oubliées dans un grand nombre de bâtiments récents.

Ce fort développement de la climatisation est responsable d'une surconsommation électrique menant à des rejets de gaz à effet de serre importants.

Le concept de rafraîchissement solaire constitue une alternative fiable et éprouvée qui contribue à la préservation de l'environnement.

Alors pourquoi rafraîchir avec l'énergie du soleil ?

  • Car la corrélation entre les besoins de rafraîchissement et la ressource solaire permet de réduire les pics de consommations et soulager le réseau électrique tout en faisant des économies d'énergie primaire ;
  • Car les fluides frigorigènes utilisés n’ont pas d’impact environnemental ;
  • Car l’absence de compresseur limite la pollution sonore et augmente la durée de vie des installations tout en limitant la maintenance ;
  • Car l’installation produit initialement du chaud pouvant être utilisé pour le chauffage et/ou la production d’eau chaude sanitaire ; l’énergie solaire captée est ainsi valorisée tout au long de l’année.

 

Le principe : le solaire comme source de froid

En rafraîchissement solaire thermique, l’énergie solaire est utilisée pour transmettre de la chaleur à un système de production :

  • Les systèmes dits « fermé », en eau, utilisent une machine à sorption (ABsorption ou Adsorption) qui ne contient aucun fluide frigorigène et qui transforme par un procédé physique la chaleur en froid. L’eau glacée doit alors être distribuée dans le bâtiment.
  • Les systèmes dits « ouvert », à air, utilisent des centrales de traitement d’air équipées de roues à dessication. L’air est directement réchauffé, refroidit, humidifié ou déshumidifié.

Les procédés avec machine à sorption sont les plus répandus. Une centaine d’installation sont aujourd’hui en fonctionnement en Europe et une vingtaine de fabriquant proposent des solutions allant de 10kWfroid à plusieurs centaines de kW. Les capteurs à utiliser pour ces procédés doivent avoir de bonne performance à partir de 60°C, il faut donc privilégier les capteurs plans haute performance ou les capteurs à tubes sous vide. De nombreux fournisseurs européens proposent là aussi des produits adaptés.

(c) GICB Banyuls

 

 Description de la technologie

Plusieurs différents procédés sont possibles pour rafraîchir les bâtiments en utilisant l’énergie du soleil :

  • Procédés électriques

Cette technique consiste à connecter directement des modules photovoltaïques à un système de climatisation classique à haute efficacité. Néanmoins, à l’heure actuelle, tant que le tarif de rachat de l’électricité photovoltaïque est élevé, il est plus avantageux de revendre toute l’électricité produite sur le réseau. Cette solution pourra connaître un très fort essor lorsque le coût de production d’un kWh électrique sera au même niveau du coût d’achat d’un kWh sur le réseau.

  • Procédés thermomécaniques

A la différence des autres procédés, ces systèmes ont besoin d’un fluide à plus haute température (200°C) pour assurer le fonctionnement de l’installation. Ainsi, pour atteindre ces niveaux de température, de l’huile thermique doit être utilisée des capteurs solaires à concentration. De ce fait, les procédés thermomécaniques ne sont utilisés que pour les grandes puissances frigorifiques (>100kW) et dans des régions très ensoleillées.

  • Procédés à transformation de chaleur

Ce sont ces systèmes qui sont les plus développés et utilisés. Ils se décomposent en deux grandes familles : les cycles ouverts et les cycles fermés.

  • Les cycles ouverts

Les machines à cycle ouvert sont en contact avec l’atmosphère et agissent directement sur l’air. En d’autres termes, ces installations produisent directement de l’air froid et non pas de l’eau glacée comme pour les cycles fermés. En conséquence, ces systèmes utilisent toujours l’eau comme réfrigérant. La technologie la plus utilisée pour les cycles ouverts utilise les roues dessiccatives en rotation. La dessiccation par procédé liquide n’est pas encore commercialement disponible.

  • Les cycles fermés

Les machines à cycle fermé utilisent un procédé de refroidissement à sorption (absorption si l’agent de sorption est liquide, ou adsorption s’il est solide) pour produire de l’eau glacée. Ces machines utilisent généralement de l’eau comme réfrigérant, mais d’autres fluides peuvent être utilisés comme l’ammoniac par exemple. Les installations de climatisation solaire utilisant des machines à sorption sont les plus réalisées (plus de 90%).

En été, l'énergie du soleil est collectée grâce à des capteurs solaires thermiques. Cette énergie est ensuite stockée dans un ballon qui a pour principal but de lisser les variations d'ensoleillement. Cette énergie est ensuite envoyée vers la machine à absorption qui est alors capable d'extraire de la chaleur du bâtiment. Finalement, toute l'énergie accumulée dans la machine à absorption est évacuée grâce à un système de refroidissement. Si nécessaire un appoint frigorifique (machine à compression de vapeur est utilisée pour compléter la production de frigorie. En été, l’énergie solaire peut également servir à la production d’eau chaude sanitaire.

En hiver, l'énergie du soleil est collectée par les mêmes capteurs solaires thermiques, puis stockée avant d'être distribuée au bâtiment pour le chauffage et/ou l’eau chaude sanitaire. Un appoint de chaleur permettra de couvrir les besoins en absence de la ressource solaire.

Exemples de réalisations :

 

 Le logiciel PISTACHE

Pré-dimensionnement des InSTAllations de Climatisation et cHauffage SolairE

Le logiciel PISTACHE est un outil de pré-dimensionnement et de prévision des performances des installations solaires de rafraîchissement ou climatisation et de chauffage, production d’eau chaude sanitaire avec ou sans systèmes d’appoint d’énergie.

Disponible en langues française et anglaise, intégrant des bases de données des composants, et particulièrement simple d’utilisation, le logiciel PISTACHE est utilisé par les bureaux d’étude technique, par les installateurs, par la communauté scientifique, pour de l’enseignement et même par des particuliers. Depuis sa mise à disposition fin décembre 2013, le logiciel PISTACHE a été téléchargé près de 1 200 fois à travers le monde, en faisant ainsi un outil de référence pour le pré-dimensionnement des installations de climatisation et chauffage solaire.

Le logiciel PISTACHE est mis à votre disposition gratuitement. Il a été développé par TECSOL et le CEA-INES dans le cadre du projet MeGaPICS, en partie financé l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) dans le cadre du programme HABISOL.

>> Télécharger le logiciel PISTACHE

Se lancer dans un projet de climatisation solaire thermique

ÉTAPE 1 – L’étude d’opportunité

L'étude d'opportunité permet de juger de l'intérêt éventuel d'une installation de climatisation / chauffage solaire dans un bâtiment, avant d'engager des études détaillées et coûteuses. C'est à partir d'une connaissance sommaire du site (bâtiment, implantation géographique), des besoins, et d'arguments qualitatifs que l'étude d'opportunité conclut sur la pertinence d'évaluer une telle solution technique.

Dans le cadre du programme Emergence et de la « Tâche 38 » de l’Agence Internationale de l’Energie, un outil d'évaluation a été mis gratuitement à disposition des maîtres d'ouvrage, installateurs et porteurs de projets.

L'outil comprend :

  • Un questionnaire détaillant quelques points techniques du projet
  • Une « check-list » d'une vingtaine de questions permettant d'évaluer sommairement la faisabilité du projet d'un point de vue technique, économique, et organisationnel

Évaluer la faisabilité de son projet de climatisation solaire

 

ÉTAPE 2 – L’étude de faisabilité

L'étude de faisabilité permet de proposer une ou plusieurs solutions techniques et d'en évaluer leur intérêt énergétique et économique, de manière quantitative.

Le Programme Emergence a défini que c'est à partir d'une connaissance détaillée du site et des besoins (charge horaire annuelle) que l'étude doit conduire à un dimensionnement raisonnable de l'installation solaire, respectant des performances minimums. Il est conseillé de solliciter un bureau d'études spécialisé pour réaliser cette étude, celle-ci devant se prononcer et argumenter avec des résultats quantitatifs sur :

  • L'amélioration passive des bâtiments : les mesures passives devront être en premier lieu optimisées et favorisées. Leur mise en œuvre pourra être chiffrée,
  • Les bilans thermiques pour la production solaire : l'étude devra prouver et s'engager sur un niveau de performances minimum à atteindre,
  • Les bilans économiques : La notion de coût global sera intégrée à l'étude.

Télécharger le plan d'une étude de faisabilité

C'est sur la base des résultats de l'étude de faisabilité que seront évalués et sélectionnés les projets de climatisation /chauffage solaire éventuellement financés par l’ADEME.

Dans le cadre du projet MéGaPICS, des préconisations sur la conception et le pré-dimensionnement des installations de climatisation/chauffage/ECS solaire thermique ont été établies.

Télécharger les préconisations pour le pré-dimensionnement des installations

Le logiciel PISTACHE permet quant à lui de réaliser des calculs de prévision des performances des installations solaires de rafraîchissement ou climatisation et de chauffage, production d'eau chaude sanitaire avec ou sans systèmes d'appoint d'énergie. Il permet d’effectuer des calculs pour les études de faisabilité.

Pour utiliser PISTACHE, vous aurez besoin des données horaires annuelles météorologiques du site concerné et des charges de climatisation, de chauffage et de la demande en eau chaude sanitaire utiles. Ces données devront être fournis dans un fichier texte avec une mise en forme spécifique ; le format est précisé dans l'aide pas-à-pas du logiciel.

PISTACHE est mis à votre disposition gratuitement. Il a été développé par TECSOL et le CEA à l'INES dans le cadre du projet MeGaPICS, en partie financé l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) dans le cadre du programme HABISOL.

Télécharger le logiciel PISTACHE

 

 

ÉTAPE 3 – La conception d’installation

Un guide de conception et de maitrise d’œuvre est à votre disposition. Il présente les bonnes pratiques en termes d’organisation et donne des modèles de document.

Télécharger le guide de maîtrise d’œuvre

La technologie de la climatisation solaire thermique est mature, mais les systèmes restent complexes et nécessitent une réelle expertise technique. Quelques focus techniques sont décrits dans les fiches suivantes :

 

ETAPE 4 – Maintenance, exploitation et suivi d’opération

L’entretien, la maintenance et le télésuivi de performance des installations de climatisation solaire thermique est une étape clé indispensable au bon fonctionnement de votre installation. Le télésuivi de bon fonctionnement doit permettre de détecter les dysfonctionnements de l’installation solaire et ainsi de préconiser et d’accompagner les opérations de maintenance curatives.

Télécharger le guide pour la maintenance

Télécharger le guide pour le télésuivi

 

Vers la garantie de performance ?

Aujourd’hui, grâce au logiciel PISTACHE et à la fiche Excel de synthèse de données (Télécharger la fiche de suivi des données) vous pouvez comparer les performances théoriques et les performances réelles. Ces outils, ainsi qu’une expertise sur le fonctionnement de l’installation et une maintenance adéquate permettront, à terme, aux professionnels de proposer des Garanties de Résultats Solaire.

 

Pour en savoir plus

Bibliographie générale et technique

  • H-M. Henning, Alii. 2004. Solar Assisted Air-Conditionning in buildings. Editeur : Springer.
  • H-M. Henning, M. Motta, D. Mugnier. 2013. Solar Cooling Handbook - A Guide to Solar Assisted Cooling and Dehumidification Processes, Editeur : Ambra Verlag.
  • P. Kohlenbach, U. Jakob. 2014. Solar Cooling: The Earthscan Expert Guide to Solar Cooling Systems. Editeur : Routlege.
  • AIE SHC Task 48 : Quality Assurance & Support Measures for Solar Cooling Systems
  • AIE SHC Task 38 : Solar Air-Conditioning and Refrigeration
  • AIE SHC Task 53 : New Generation Solar Cooling & Heating Systems (PV or solar thermally driven systems)
  • Site web: www.solair-project.eu

Bibliographie scientifique relative au projet MéGaPICS

  • Le Denn, F. Boudéhenn F. Lucas, A. Kaemmerlen, N. Letellier, V. Laplagne. 2011. First results of MeGaPICS project (performance guarantee method for Solar Heating and Cooling installations). OTTI Solar Air-Conditioning, Larnaka (Chypre), 12-14 Oct. 2011 and ESTEC, Marseille 20-21 Oct. 2011
  • Nowag, F. Boudéhenn, A. Le Denn, F. Lucas, O. Marc, M. Radulescu, P. Papillon. 2012. Calculation of Performance Indicators for Solar Cooling, Heating and Domestic Hot Water Systems. Energy Procedia, 30, pp. 937-946.
  • Marc, G. Anies, F. Lucas, J. Castaing-Lasvignottes. 2012. Assessing performance and controlling operating conditions of a solar driven absorption chiller using simplified numerical models. Solar Energy 86, pp. 2231–2239.
  • MarcC, F. Sinama, F. Lucas. 2012. Decision making tool to design solar cooling system coupled with building under tropical climate, Energy and Buildings 49, pp. 28-36.
  • O Marc, JP Praene, B Letexier, J. Castaing-Lasvignottes,F. Lucas. 2012. Modélisation dynamique, simulation et éléments de validation expérimentale d’une machine à absorption, utilisée dans une installation de rafraîchissement solaire. Société Française de Thermique, mai 2012.
  • O Marc, JP Praene, B Letexier, J. Castaing-Lasvignottes, F. Sinama, F. Lucas. 2012. Optimisation des performances d’une machine à absorption utilisée dans une installation de rafraichissement solaire et fonctionnant à charge partielle. IBPSA, Chambéry, 6-8 juin 2012
  • B Letexier, O Marc, JP Praene, F Lucas. 2012. Analyse de sensibilité appliquée à une installation de rafraichissement solaire. IBPSA, Chambéry, 6-8 juin 2012
  • B Letexier, O Marc, JP Praene, F Lucas. 2012. Sensitivity analysis of a solar cooling system. ASME, Nantes, 2-4 July 2012.
  • Le Denn, F. Boudéhenn, D. Mugnier, P. Papillon. 2013. A simple predesign tool for solar cooling, heating and domestic hot water production systems. IBPSA World, Chambéry (France), 25-28 Aug. 2013.
  • Le Denn, F. Boudéhenn, A. Morgenstern, D. Mugnier, P. Papillon, H-M. Henning. 2013. Design facilitator: Simplified design tools for solar heating and cooling systems. OTTI Conference Solar Air-Conditioning, Bad Krozingen (Germany), 25-27 Sept. 2013.
  • Semmari, O. Marc, J-P. Praène, A. Le Denn, F. Boudéhenn, F. Lucas. 2014. Sensitivity analysis of the new sizing tool “PISTACHE” for solar heating, cooling and domestic hot water systems, Energy Procédia, 48, pp. 997-1006.
  • Le Denn, F. Boudehenn, O. Marc, A. Kaemmerlen, V. Gavan, E. Gautier. 2014. Outils MéGaPICS pour garantir les performances des installations de climatisation, chauffage et production ECS solaire. JNES, Perpignan (France), 8-10/07/2014.
  • Le Denn, A. Kaemerlenn, F. Boudéhenn, P. Gay, O. Marc, V. Gavan. 2014. A method to guarantee the performance of solar heating and cooling systems. Eurosun, Aix les Bains (France), 16-19/09/2014.

 

 

 

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