Systèmes de refroidissement solaires

Bien que nous aimions chauffer nos maisons et nos espaces de travail, le refroidissement solaire est une autre utilisation efficace d’une technologie d’énergie renouvelable. La nécessité de climatisation pour nos maisons dans les zones chaudes du monde et l’abondance de lumière solaire dans ces régions ont entraîné une volonté de combiner les deux pour le bénéfice des personnes qui y vivent.

Contrairement à d’autres types d’applications solaires, comme le chauffage solaire, la plus grande demande de refroidissement se produit lorsque le rayonnement solaire est à son maximum, rendant ainsi l’alliance de l’énergie thermique solaire et du refroidissement solaire d’autant plus attractive.

Dans les climats ensoleillés, il peut parfois faire chaud de manière inconfortable, et nous avons tendance à utiliser la climatisation pour fournir une atmosphère intérieure fraîche et confortable. Lorsque nous parlons de refroidissement d’espace, la plupart d’entre nous pensent aux climatiseurs typiques et aux réfrigérateurs reliés à une source d’alimentation électrique pour rafraîchir l’air des espaces où nous vivons, ainsi que pour la réfrigération de nos aliments. Cependant, les systèmes de climatisation modernes laissent souvent un air trop sec ou stagnant à respirer.

Bien que les unités de climatisation à propulsion électrique aient atteint un niveau relativement élevé, leur consommation d’énergie reste relativement élevée car la plupart des systèmes de réfrigération basés sur l’électricité utilisent cette dernière pour alimenter un compresseur, donc tout système de refroidissement ou de réfrigération tourné vers l’avenir nécessite une alimentation énergétique durable provenant d’une source d’énergie renouvelable.

Cependant, utiliser l’énergie solaire pour produire de l’air frais peut sembler un peu déconcertant au début, car le soleil a tendance à être perçu comme une très grande source de chaleur plutôt que comme une source que nous pouvons utiliser à des fins de refroidissement.

En combinant l’énergie thermique solaire et la technologie d’adsorption moderne, la chaleur peut être utilisée pour refroidir nos bâtiments, car le soleil encourage les processus thermiques à se produire, produisant du froid à des fins de climatisation ou en entraînant directement une pompe à chaleur thermique.

Bien sûr, l’énorme quantité de rayonnement solaire peut également être transformée en électricité solaire par des cellules photovoltaïques pour fournir l’électricité nécessaire au fonctionnement d’un système de réfrigération conventionnel (refroidissement actif). Cependant, la plupart des systèmes de refroidissement solaire utilisent des panneaux photovoltaïques pour générer l’électricité nécessaire à l’alimentation des appareils électroniques qui contrôlent le système.

Le principe derrière la réfrigération à énergie solaire est similaire à celui de la réfrigération conventionnelle, en ce sens que le refroidissement est produit par l’évaporation d’une forme de fluide frigorigène qui absorbe la chaleur et refroidit son environnement. La différence est que l’énergie thermique solaire est utilisée au lieu de l’électricité comme énergie de propulsion. Cette idée fonctionne bien, car l’énergie solaire est abondante pendant les saisons estivales où la demande de climatisation est élevée en raison de l’augmentation momentane de l’ensoleillement et de la température ambiante.

L’avantage ici est que, comparé aux systèmes de refroidissement conventionnels, des économies d’énergie électrique énormes peuvent être réalisées en utilisant des refroidisseurs à adsorption alimentés par l’énergie solaire ou par des maisons et bâtiments hors réseau qui satisfont leurs besoins énergétiques à l’aide d’un générateur diesel. Dans ces situations, le refroidissement utilisant l’énergie solaire entraînerait une réduction de la consommation de diesel et des émissions de CO2, ce qui est bénéfique pour l’environnement. De plus, aucune substance nocive pour l’environnement n’est utilisée pour produire le froid, car de l’eau pure peut être utilisée comme fluide frigorigène.

Toutefois, il convient de faire une distinction entre le refroidissement solaire et la climatisation solaire. En général, le refroidissement solaire est la réduction de la température d’une pièce, d’un bâtiment ou d’un espace de vie en en évacuant la chaleur. La climatisation solaire, en revanche, est le conditionnement d’une pièce ou d’un espace par rapport à ses propriétés de température et d’humidité, afin que les personnes se sentent à l’aise à l’intérieur. C’est pourquoi l’on parle de “climatisation”.

Dans les systèmes de refroidissement solaire, la chaleur thermique solaire est utilisée comme force motrice derrière le processus de refroidissement. Des machines de refroidissement thermiquement entraînées, telles que des refroidisseurs à adsorption, sont utilisées depuis de nombreuses décennies. Comparé à la conception d’un système de chauffage solaire domestique, la planification et la conception d’un système de refroidissement solaire peuvent être un peu plus compliquées.

Le refroidissement et la climatisation solaires peuvent être réalisés par trois types de systèmes : cycle ouvert, absorption fermée (humide), adsorption fermée (sec) et processus mécaniques solaires comme décrit ci-dessous.

Conversion du rayonnement solaire en refroidissement ou climatisation

1. Processus de transformation thermique en cycle ouvert :

• Absorbeur liquide généralement de l’eau
• Absorbeur solide généralement du gel de silice

2. Processus de transformation thermique en cycle fermé :

• Processus d’absorption liquide utilisant des solutions d’eau/bromure de lithium ou d’eau/ammoniaque
• Adsorption solide utilisant des gels de silice, des sels ou du charbon actif d’ammoniaque

3. Processus thermo-mécanique :

• Compression de vapeur
• Cycle de Rankine

Système de refroidissement solaire de base

Refroidissement solaire en cycle ouvert

Le refroidissement solaire en cycle ouvert est un système desséchant (humide ou sec) qui utilise soit un solide, soit un liquide comme fluide frigorigène en contact direct avec l’air. Le terme “cycle ouvert” est utilisé parce que le fluide frigorigène est évacué du système après refroidissement, étant en contact direct avec l’air conditionné. Dans ce type de système, le cycle de refroidissement thermique solaire consiste en un refroidissement par évaporation avec un déshumidificateur d’air par le dessicant, ce qui explique pourquoi des matériaux solides ou liquides peuvent être utilisés.

Les systèmes secs ou solides utilisent de l’eau comme fluide frigorigène et du gel de silice comme matériau d’adsorption, mais ce matériau ne peut pas être pompé ou circulé de manière conventionnelle. Au lieu de cela, des roues rotatives sont utilisées pour déplacer le matériau adsorbant, comme le gel de silice, permettant un fonctionnement continu. Les systèmes basés sur des liquides utilisent de l’eau/bromure de lithium comme dessicant, le refroidissement pour le refroidisseur à absorption étant fourni par une tour de refroidissement humide ouverte.

Refroidissement solaire en cycle fermé

Le refroidissement solaire en cycle fermé produit de l’eau froide qui peut être utilisée en combinaison avec n’importe quel équipement de climatisation, comme un unité de traitement d’air, des systèmes de fan coils ou en pompant de l’eau froide à travers des tubes de refroidissement dans les sols, murs ou plafonds d’un bâtiment, agissant comme un système de chauffage inversé.

Dans un processus en cycle fermé, le fluide de refroidissement n’est pas en contact direct avec l’environnement, d’où son nom, mais est circulé et réutilisé dans un système de tuyauterie fermée. L’air filtré est refroidi et traité dans un déshumidificateur, passant par plusieurs étapes de refroidissement supplémentaires avant d’être fourni à l’espace conditionné. Le sorbant est régénéré avec l’air ambiant ou d’échappement chauffé à la température requise par la source de chaleur solaire.

Les refroidisseurs à absorption sont au cœur d’un système de refroidissement thermique solaire en cycle fermé, car ils éliminent la chaleur du liquide circulant soit par compression de vapeur, soit par un cycle de réfrigération par absorption. Les panneaux solaires fournissent l’énergie thermique nécessaire, mais ce sont les refroidisseurs qui sont capables de produire la quantité de refroidissement requise en utilisant l’eau chaude provenant des panneaux solaires.

Les collecteurs solaires plans standard ou les tubes de collecte à vide peuvent être utilisés pour fournir l’eau chaude chauffée thermiquement par le solaire au refroidisseur à absorption. La taille et le choix du collecteur solaire sont déterminés par la température de fonctionnement du refroidisseur à absorption et par l’énergie disponible provenant du soleil sous la forme d’irradiation solaire.

En plus d’utiliser des refroidisseurs à entraînement thermique, une autre façon d’aider à refroidir les bâtiments dans des climats ensoleillés chauds est d’utiliser des conceptions de refroidissement solaire passif. Le solaire passif exploite les flux naturels d’air froid à travers les portes ou fenêtres ouvertes, stocke la fraîcheur nocturne ou génère automatiquement un flux d’air de refroidissement par convection.

De nombreux bâtiments à travers le monde, qui souffrent de journées chaudes et de nuits fraîches, ont profité de la capacité d’absorption de chaleur des murs épais, appelés murs Trombe, ou d’autres structures en béton pour atténuer ces variations extrêmes de température quotidienne.

Si un refroidissement supplémentaire est nécessaire, des systèmes de refroidissement solaire peuvent être utilisés pour réguler les variations de rayonnement solaire par divers moyens, tels qu’un étang d’eau sur un toit plat qui se refroidit par évaporation (refroidissement passif), ou l’utilisation de l’énergie solaire pour alimenter un appareil de refroidissement (refroidissement actif).

Il existe plusieurs façons de concevoir nos maisons et bâtiments pour rester chauds pendant les mois d’hiver et frais pendant les mois d’été, en fournissant une température intérieure agréable tout au long de l’année, les empêchant de surchauffer, même pendant les mois d’été avec des systèmes de refroidissement solaire classés comme des conceptions passives ou actives.

Résumé du tutoriel

Nous avons vu ici que les refroidisseurs à entraînement thermique peuvent fournir de l’eau froide pour une utilisation dans des unités de climatisation et des déshumidificateurs, ou pour la distribution dans un bâtiment via un circuit de tuyaux de refroidissement fermé et un design d’échangeur de chaleur typique pour faire fonctionner des coils de ventilateur et des unités de traitement d’air. Les panneaux solaires sont utilisés pour fournir la chaleur nécessaire au fonctionnement des refroidisseurs de réfrigération par absorption, car ils utilisent un compresseur thermique au lieu d’un compresseur mécanique.

Les systèmes à cycle ouvert génèrent de la climatisation en fournissant de l’air déshumidifié et refroidi. Dans un système ouvert, le fluide frigorigène utilisé est presque toujours de l’eau, car il est en contact direct avec l’atmosphère. Les systèmes à cycle ouvert courants sont des systèmes de refroidissement dessicant utilisant une roue de déshumidification rotative avec des sorbants solides.

Bien que les unités de climatisation à propulsion électrique aient atteint un niveau relativement élevé en termes de consommation d’énergie, les unités standard de réfrigération à compresseur nécessitent encore beaucoup d’énergie électrique, ce qui peut provoquer des pointes de charge significatives dans le réseau électrique pendant les périodes de chaleur intense, et ainsi, les systèmes de refroidissement solaire deviennent maintenant un choix sérieux pour nous aider à réduire notre dépendance aux combustibles fossiles.

Cependant, les refroidisseurs de sorption et les technologies modernes sont encore plus coûteux par rapport aux unités de climatisation de taille résidentielle conventionnelles et donc plus d’investissement et d’effort sont nécessaires pour développer la technologie existante afin de réduire le coût unitaire et améliorer les économies annuelles.

La conception d’un système de climatisation complet ou partiel pour des bâtiments dépend des exigences de quatre fonctions distinctes : chauffage, refroidissement, humidification et déshumidification, la conception d’un système de refroidissement solaire étant plus difficile que celle d’une fourniture d’eau chaude domestique solaire thermique.

Cependant, le plus grand obstacle reste que l’utilisation de refroidisseurs de sorption à cycle ouvert nécessite l’existence de tours de refroidissement humides, qui sont couvertes par des législations spécifiques pour éviter la légionellose. L’entretien et le contrôle annuels de telles installations de refroidissement solaire sont plus coûteux à long terme.

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