La Climatisation Solaire

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1 Commission Fédérale " Technique et Prospective Réunion Plénière du mercredi 25 juin 2014 ENERGIE (P.VIEL) La Climatisation Solaire Le principe de procédé de climatisation consiste dans un premier temps à récupérer les apports solaires pour la production d eau chaude et, dans un second temps, transformer l énergie calorifique de l eau en frigorie, par l intermédiaire d une machine à absorption. Les machines frigorifiques à absorption fonctionnent grâce à la faculté de certains liquides d absorber (réaction exothermique) et de désorber (réaction endothermique) une vapeur. Elles utilisent le fait que la solubilité de cette vapeur dans le liquide dépende de la température et de la pression. Ainsi, ces machines utilisent comme fluide de travail un mélange binaire, dont l un des composants est beaucoup plus volatile que l autre, il s agit du fluide frigorigène. L autre constituant est le sorbant. Le couple généralement utilisé est le couple Eau + Bromure de Lithium (H 2 0/LiBr), l eau étant le fluide frigorigène. Schématiquement, une installation à absorption liquide comporte 4 éléments principaux : L évaporateur L absorbeur Le concentrateur (également appelé bouilleur ou désorbeur) Le condenseur

2 Dans l'évaporateur, le réfrigérant (l eau) est pulvérisé dans une ambiance à très faible pression. L'évaporateur est parcouru par un circuit à eau, lequel va transmettre sa chaleur aux gouttelettes pulvérisées permettant leur évaporation. L eau du circuit est ainsi refroidie acheminement dans les différents bâtiments du CHGR. Une partie du réfrigérant pulvérisé ne s'évapore pas et tombe dans le fond de l'évaporateur où elle est pompée pour être à nouveau pulvérisée. La vapeur d'eau créée dans l'évaporateur est amenée à l'absorbeur. Il contient la solution absorbante (LiBr) qui est continuellement pompée dans le fond du récipient pour y être pulvérisée. Le LiBr absorbe la vapeur d'eau hors de l'évaporateur et y maintient ainsi la basse pression nécessaire à a vaporisation du réfrigérant. Cependant, au fur et à mesure qu'elle absorbe la vapeur d'eau, la solution absorbante est de plus en plus diluée. Elle finirait par être saturée et ne plus rien pouvoir absorber. Il faut la régénérer. C est le rôle du concentrateur (ou générateur). Il est parcouru par un circuit à eau, chauffée grâce à l énergie solaire. Cette eau doit avoir une température comprise entre 70 C et 100 C. Ce circuit réchauffe la solution absorbante diluée et une partie de l'eau s'évapore. La solution régénérée retourne alors à l'absorbeur. Enfin, la vapeur d'eau extraite du concentrateur est amenée dans le condenseur (composant analogue à celui des machines à compression de vapeur), où elle est refroidie par une circulation d'eau froide. L'eau condensée retourne alors à l'évaporateur. Afin d améliorer l efficacité de la machine, une circulation d eau froide dans l absorbeur ainsi qu un échangeur de chaleur sur le circuit du fluide absorbant sont ajoutés. En effet, le phénomène d'absorption génère de la chaleur. Une circulation d'eau froide est donc ajoutée dans le fluide absorbant afin d éviter sa montée en température, ce qui diminuerait son efficacité. L'eau de refroidissement de l'absorbeur peut ensuite passer dans la batterie de refroidissement du condenseur. De plus l ajout d un échangeur de chaleur sur le circuit du fluide absorbant permet au fluide chaud sortant du concentrateur qui retourne à l'absorbeur de préchauffer le fluide qui va vers le concentrateur. Une partie de l'énergie nécessaire pour chauffer le fluide à régénérer est ainsi économisée. Le projet de construction du nouveau Centre Hospitalier Gérontologique du Raizet (CHGR) intègre une solution de climatisation solaire (OASIIS BET Thermique) 1 INSTALLATION PREVUE 1.1 FONCTIONNEMENT DES GROUPES A ABSORPTION Pour pouvoir fonctionner, les groupes à absorption doivent disposer d une énergie suffisante, apportée l intermédiaire de capteurs solaires sous vide, dont le rôle est de capter l énergie fournie par le soleil et de la transférer à un circuit alimenté en eau (circuit solaire).

3 Le circuit des capteurs solaire fourni donc l énergie nécessaire aux groupes à absorption afin d entretenir les cycles d évaporation et de condensation/concentration du fluide frigorigène. Ce champs de capteurs solaire de 2000m² sera installé, quasiment à l horizontal, sur les toitures des bâtiments de la Logistique. Le SMIS (Seuil Minimum d Irradiation Solaire) est ainsi le niveau de rayonnement solaire dont il faut disposer pour que les groupes à absorption puissent démarrer. En dessous de ce seuil, la température de l eau des capteurs n est pas suffisante (<75 C) au déclenchement des groupes. 1.2 GROUPES A ABSORPTION L installation prévue à ce jour sera équipée de 8 groupes à absorption de 100kWf, portant la puissance froid solaire à 800kWf. A ces 8 groupes, seront associé 2 groupes frigorifiques électriques à vis de 400kWf. Ainsi, 50% de la puissance nécessaire à la couverture des besoins de climatisation du CHGR sera assurée par l installation de climatisation solaire.

4 1.3 LE STOCKAGE D EAU CHAUDE Il existe deux grands principes de stockage : - Stockage en série : l eau des capteurs passe par un stockage avant d alimenter les groupes à absorption - Stockage en parallèle : l eau des capteurs peut circuler directement dans les groupes à absorption ou passer dans un stockage au moyen de vanne 3 voies. Dans le cas d un stockage en série, le démarrage des groupes ne peut se faire que lorsque l énergie contenue dans les cuves est suffisante pour le fonctionnement des groupes. Ceci pose un inconvénient majeur qui est la non utilisation instantanée de l énergie solaire disponible car il faut d abord «charger» le stockage. On peut ainsi avoir un décalage important entre la ressource solaire et la mise en route des groupes. La solution ici est donc de mettre le stockage en parallèle, ce qui permet le démarrage de groupes dès le SMIS atteint, par une circulation de l eau des capteurs directement dans les groupes à absorption Ce type de montage hydraulique permet également de pouvoir stocker un trop plein d énergie qui se produit lorsque la ressource solaire est trop important au regard de la demande en froid. A ce moment là, l énergie supplémentaire est stockée au moyen de vannes 3 voies. Ce stockage a 3 rôles principaux : - Stockage de calories pour les périodes pendant lesquelles le rayonnement solaire ne suffirait pas à assurer la demande de froid des bâtiments. - Tampon de sécurité en cas de fort rayonnement solaire alors que les besoins froid sont réduits. - Tampon permettant d encaisser les appels de puissance. En effet, au moment des appels de puissance, l énergie disponible à la sortie des capteurs peut chuter (chute de la température), générant un risque de mise en sécurité et donc d arrêt des groupes à absorption. Une fois en sécurité, les groupes à absorption ne peuvent redémarrer que lorsque la température de l eau dépasse de 4 C la température de consigne, ce qui engendrerait le non utilisation de la ressource solaire pendant ce temps. Les stockages peuvent ainsi permettre de compenser ces appels de puissance et maintenir une température suffisante dans les capteurs afin d éviter toute mise en sécurité. 1.4 REGULATION La régulation joue un rôle prépondérant dans l efficacité du système. En effet, les pompes de circulation ainsi que les tours de refroidissement sont les postes les plus consommateurs d une installation de climatisation solaire. Il y a donc une réelle réflexion à mener sur la gestion de la régulation afin maîtriser les consommations des auxiliaires qui pénalisent fortement le Coefficient de Performance (COP) de l installation. Cette réflexion a déjà été engagée au sein de l équipe de maîtrise d œuvre en PRO et s est finalisée pour le DCE. Cette réflexion passe par l étude précise des besoins «froid», mais également des potentialités de production des groupes à absorption et de la corrélation entre besoins et production. La corrélation

5 des besoins et de la production par la climatisation solaire nous permettra notamment d optimiser le mode de regroupement des groupes à absorption. 1.5 CHOIX DE LA PUISSANCE UNITAIRE DES GROUPES A ABSORPTION Compte tenu des puissances froid nécessaires sur le projet, se pose alors la question de la puissance du ou des groupes à absorption. Les groupes de grosses puissances fonctionnent avec des grands volumes de réfrigérant dans l évaporateur, stocké sous forme de bain, ce qui confère au machine une très grande inertie, mais nécessite également des temps de mise en route importants. Pour les petites puissances, le réfrigérant est pulvérisé, il n y a donc pas de gros volume, donnant ainsi à ces machine une grand réactivité, mais sans aucune inertie. Ces petites puissances démarrent très rapidement, mais s arrête également rapidement. Dans le cadre de la climatisation solaire, l inertie des machines serait très pénalisante car la ressource solaire est aléatoire et n est pas constante. Ainsi, il est au contraire recherché une grande réactivité du système afin de récupérer touts les apports solaires potentiels. 2 SCHEMA DE PRODUCTION Le schéma ci-après est le schéma déterminé suite à de nombreuses réunions et réflexion au sein de la maîtrise d œuvre. On a donc un circuit primaire au niveau des capteurs solaires sous vide, dont l eau chauffée par le rayonnement solaire transfèrera son énergie au circuit secondaire, au travers de l échangeur. La circulation de l eau dans les capteurs se fait par le biais de pompes à débit variable permettant de réguler le débit en fonction notamment du rayonnement et des besoins en froid.

6 Côté secondaire, les pompes sont à débit constant afin d assurer un meilleur fonctionnement des groupes à absorption. Les vannes 3 voies permettent d envoyer l eau, soit dans les ballons de stockage, soit directement dans les groupes à absorption. Comme dit précédemment, les stockages permettent : - d alimenter les groupes à absorption en cas de rayonnement solaire trop faible, - d encaisser une surcharge thermique si les besoins froid sont trop faibles par rapport au rayonnement solaire - de compenser au moment des appels de puissance, par le maintien de la température du réseau notamment Les groupes sont pour le moment rassemblés par 4. 3 COUVERTURE SOLAIRE En fonction du flux solaire et des besoins, les machines à absorption vont injecter dans le réseau d eau glacée une certaine puissance frigorifique. Cet apport est donc amputé aux besoins à couvrir par le groupe froid électrique. Notre calcul au pas de temps horaire (différence entre la production et les besoins pour chaque heure) nous amène, au niveau du site, à une couverture de la climatisation par le solaire de : 69% des besoins des besoins d heure de pointe 56% des consommations d heures pleines 60% pour les heures pleines et heure de pointes Soit un taux de couverture total de l ordre de 51,5%.