Climatisation solaire

La climatisation solaire désigne tout système de climatisation (refroidissement) utilisant l’énergie solaire.

Cela peut se faire par conversion solaire passive, par énergie solaire thermique et par conversion photovoltaïque (ensoleillement en électricité). La loi de 2007 sur l’indépendance et la sécurité énergétiques des États-Unis a créé un financement pour 2008 à 2012 pour un nouveau programme de recherche et développement sur la climatisation solaire. La climatisation solaire pourrait jouer un rôle de plus en plus important dans la conception de bâtiments sans énergie et sans énergie.

Histoire
À la fin du XIXe siècle, le liquide le plus commun pour le refroidissement par absorption était une solution d’ammoniac et d’eau. Aujourd’hui, la combinaison de bromure de lithium et d’eau est également couramment utilisée. Une extrémité du système de tuyaux de dilatation / condensation est chauffée et l’autre extrémité est suffisamment froide pour fabriquer de la glace. À l’origine, le gaz naturel était utilisé comme source de chaleur à la fin du XIXe siècle. Aujourd’hui, le propane est utilisé dans les réfrigérateurs à absorption de véhicules récréatifs. Les capteurs solaires thermiques à eau chaude peuvent également être utilisés comme source de chaleur moderne à «énergie libre». Un rapport parrainé par la National Aeronautics and Space Administration (NASA) en 1976 a examiné les applications du système d’énergie solaire à la climatisation. Les techniques discutées comprenaient à la fois l’énergie solaire (cycle d’absorption et moteur thermique / cycle de Rankine) et l’énergie solaire (pompe à chaleur), ainsi qu’une bibliographie complète de la documentation connexe.

Refroidissement solaire photovoltaïque (PV)
Le photovoltaïque peut fournir l’énergie nécessaire à tout type de refroidissement électrique, qu’il soit conventionnel, basé sur un compresseur ou basé sur une adsorption / absorption, même si la mise en œuvre la plus courante concerne les compresseurs. Pour les systèmes de refroidissement résidentiels de petite taille et de petite taille (moins de 5 MWh / an), le refroidissement par énergie photovoltaïque est la technologie de refroidissement solaire la plus fréquemment mise en œuvre. La raison en est discutée, mais les raisons communément suggérées incluent la structuration des incitations, le manque d’équipement de taille résidentielle pour les autres technologies de refroidissement solaire, l’avènement de refroidisseurs électriques plus efficaces ou la facilité d’installation par rapport aux autres technologies de refroidissement solaire. refroidissement).

Étant donné que le rapport coût-efficacité du refroidissement PV dépend largement de l’équipement de refroidissement et de la faible efficacité des méthodes de refroidissement électrique jusqu’à récemment, cela n’a pas été rentable sans subventions. L’utilisation de méthodes de refroidissement électriques plus efficaces et des délais de récupération plus longs modifient ce scénario.

Par exemple, un climatiseur de 100 000 BTU aux normes américaines Energy Star [note 1] avec un rendement énergétique saisonnier élevé (SEER) de 14% nécessite environ 7 kW d’énergie électrique pour une sortie de refroidissement complète par temps chaud. Cela nécessiterait un système de production d’électricité solaire photovoltaïque de 20 kW avec stockage.

Un système photovoltaïque à suivi solaire de 7 kW aurait probablement un prix installé bien supérieur à 20 000 USD (les prix des équipements photovoltaïques étant actuellement d’environ 17% par an). Les coûts d’infrastructure, de câblage, de montage et de code NEC peuvent représenter un coût supplémentaire. Par exemple, un système de raccordement au réseau de panneaux solaires de 3120 watts a un coût en panneaux de 0,99 $ / watt de pointe, mais coûte toujours environ 2,2 $ / watt-heure. D’autres systèmes de capacité différente coûtent encore plus cher, sans parler des systèmes de sauvegarde sur batterie, qui coûtent encore plus cher.

Un système de climatisation plus efficace nécessiterait un système photovoltaïque plus petit et moins coûteux. Une installation de pompe à chaleur géothermique de haute qualité peut avoir un SEER de l’ordre de 20 (±). Un climatiseur SEER 20 de 100 000 BTU nécessiterait moins de 5 kW en fonctionnement.

Une technologie plus récente et à faible consommation, y compris les pompes à chaleur à inverseur inversé à courant continu, peut atteindre des valeurs SEER allant jusqu’à 26.

Il existe de nouveaux systèmes de climatisation électriques sans compresseur avec un SEER supérieur à 20 sur le marché. Les nouvelles versions de refroidisseurs à évaporation indirecte à changement de phase n’utilisent rien d’autre qu’un ventilateur et une alimentation en eau pour refroidir les bâtiments sans ajouter d’humidité intérieure supplémentaire (comme à l’aéroport McCarran de Las Vegas, au Nevada). Dans les climats arides secs où l’humidité relative est inférieure à 45% (environ 40% des États-Unis continentaux), les refroidisseurs évaporatifs indirects peuvent atteindre un SEER supérieur à 20 et un SEER 40. Un refroidisseur indirect à évaporation de 100 000 BTU ventilateur (plus un approvisionnement en eau).

Un système photovoltaïque à puissance partielle moins coûteux peut réduire (mais non éliminer) la quantité mensuelle d’électricité achetée sur le réseau électrique pour la climatisation (et d’autres utilisations). Avec des subventions du gouvernement des États-Unis allant de 2,50 à 5,00 USD par watt photovoltaïque, le coût amorti de l’électricité produite par PV peut être inférieur à 0,15 dollar par kWh. Ceci est actuellement rentable dans certaines zones où l’électricité des compagnies d’électricité est maintenant de 0,15 dollar ou plus. L’excès d’énergie photovoltaïque généré lorsque la climatisation n’est pas nécessaire peut être vendu au réseau électrique dans de nombreux endroits, ce qui peut réduire (ou éliminer) les besoins annuels nets en électricité. (Voir bâtiment sans énergie)

Une efficacité énergétique supérieure peut être conçue pour une nouvelle construction (ou une adaptation à des bâtiments existants). Depuis la création du Department of Energy des États-Unis en 1977, leur programme d’assistance à la climatisation a permis de réduire la charge de chauffage et de climatisation de 5,5 millions de logements abordables à faible revenu en moyenne de 31%. Une centaine de millions de bâtiments américains ont encore besoin d’être améliorés. Les pratiques de construction conventionnelles imprudentes produisent encore de nouveaux bâtiments inefficaces qui ont besoin d’être endommagés lors de leur première occupation.

Il est assez simple de réduire de moitié les besoins en chauffage et en refroidissement pour les nouvelles constructions. Cela peut souvent être fait sans coût net supplémentaire, car il y a des économies de coûts pour les petits systèmes de climatisation et d’autres avantages.

Refroidissement géothermique
Les tubes de mise à la terre ou de refroidissement de la terre peuvent tirer parti de la température ambiante de la Terre pour réduire ou éliminer les besoins en climatisation conventionnels. Dans de nombreux climats où vit la majorité des humains, ils peuvent réduire considérablement l’accumulation de chaleur estivale indésirable et aider à éliminer la chaleur de l’intérieur du bâtiment. Ils augmentent les coûts de construction, mais réduisent ou éliminent le coût des équipements de climatisation conventionnels.

Les tubes de refroidissement de la terre ne sont pas rentables dans les environnements tropicaux humides et chauds où la température ambiante de la terre se rapproche de la zone de confort de la température humaine. Une cheminée solaire ou un ventilateur photovoltaïque peut être utilisé pour évacuer la chaleur indésirable et aspirer de l’air plus frais et déshumidifié qui est passé par les surfaces de la température ambiante. Le contrôle de l’humidité et de la condensation sont des problèmes de conception importants.

Une pompe à chaleur géothermique utilise la température ambiante de la terre pour améliorer le SEER pour le chauffage et le refroidissement. Un puits profond recircule l’eau pour en extraire la température ambiante de la terre (généralement 2 gallons d’eau par tonne et par minute). Ces systèmes à «boucle ouverte» étaient les plus courants dans les premiers systèmes, mais la qualité de l’eau pouvait endommager les serpentins de la pompe à chaleur et réduire la durée de vie de l’équipement. Une autre méthode est un système en boucle fermée, dans lequel une boucle de tubulure coule dans un puits ou des puits ou dans des tranchées dans la pelouse pour refroidir un fluide intermédiaire. Lorsque des puits sont utilisés, ils sont remplis de bentonite ou d’un autre matériau de coulis pour assurer une bonne conductivité thermique à la terre.

Dans le passé, le fluide de choix était un mélange 50/50 de propylène glycol, car il était non toxique contrairement à l’éthylène glycol (utilisé dans les radiateurs automobiles). Le propylèneglycol est visqueux et finira par gommer certaines parties de la ou des boucles, de sorte qu’il est tombé en désuétude. Aujourd’hui, l’agent de transfert le plus courant est un mélange d’eau et d’alcool éthylique (éthanol).

La température de la terre ambiante est beaucoup plus basse que la température maximale de l’air en été et beaucoup plus élevée que la température de l’air extrême en hiver la plus basse. L’eau est 25 fois plus thermoconductrice que l’air, elle est donc beaucoup plus efficace qu’une pompe à chaleur à air extérieur (qui devient moins efficace lorsque la température extérieure chute en hiver).

Le même type de puits géothermique peut être utilisé sans thermopompe mais avec des résultats considérablement réduits. La température ambiante de la terre est pompée à travers un radiateur enveloppé (comme un radiateur automobile). De l’air est soufflé sur le radiateur, lequel se refroidit sans climatiseur à base de compresseur. Les panneaux électriques solaires photovoltaïques produisent de l’électricité pour la pompe à eau et le ventilateur, éliminant les factures de climatisation conventionnelles. Ce concept est rentable, à condition que la température ambiante de la Terre soit inférieure à la zone de confort thermique humaine (pas aux tropiques).

Climatisation à boucle ouverte solaire utilisant des dessicants
L’air peut être passé sur des dessiccants solides et courants (comme le gel de silice ou la zéolite) ou des dessiccants liquides (comme le bromure de lithium / chlorure) pour aspirer l’humidité afin de permettre un cycle de refroidissement mécanique ou par évaporation efficace. Le dessiccatif est ensuite régénéré en utilisant l’énergie solaire thermique pour la déshumidifier, dans un cycle rentable, à faible consommation d’énergie et à répétition continue. Un système photovoltaïque peut alimenter un ventilateur de circulation d’air à faible consommation d’énergie et un moteur pour faire tourner lentement un grand disque rempli de déshydratant.

Les systèmes de ventilation à récupération d’énergie permettent de ventiler de manière contrôlée une maison tout en minimisant les pertes d’énergie. L’air passe à travers une « roue enthalpique » (souvent au gel de silice) pour réduire le coût du chauffage de l’air ventilé en hiver en transférant la chaleur de l’air intérieur chaud évacué à l’air frais (mais froid). En été, l’air intérieur refroidit l’air entrant plus chaud pour réduire les coûts de ventilation. Ce système de ventilation ventilateur-moteur basse consommation peut être alimenté de manière rentable par le photovoltaïque, avec une convection naturelle améliorée pour évacuer une cheminée solaire – le flux d’air entrant vers le bas serait une convection forcée (advection).

Un déshydratant comme le chlorure de calcium peut être mélangé à de l’eau pour créer une cascade de recirculation attrayante, qui déshumidifie une pièce en utilisant l’énergie solaire thermique pour régénérer le liquide, et une pompe à eau à faible consommation d’énergie photovoltaïque.

Refroidissement solaire actif dans lequel les capteurs solaires thermiques fournissent de l’énergie d’entrée pour un système de refroidissement par dessicant. Il existe plusieurs systèmes disponibles dans le commerce pour souffler de l’air à travers un milieu imprégné de déshydratant, tant pour le cycle de déshumidification que pour le cycle de régénération. La chaleur solaire est l’un des moyens utilisés pour alimenter le cycle de régénération. En théorie, les tours conditionnées peuvent être utilisées pour former un flux à contre-courant de l’air et du dessiccant liquide mais ne sont normalement pas utilisées dans les machines disponibles dans le commerce. Il est démontré que le préchauffage de l’air améliore grandement la régénération de l’agent desséchant. La colonne remplie donne de bons résultats en tant que déshumidificateur / régénérateur, à condition que la chute de pression puisse être réduite en utilisant un emballage approprié.

Refroidissement solaire passif
Dans ce type de refroidissement, l’énergie thermique solaire n’est pas utilisée directement pour créer un environnement froid ou pour piloter des processus de refroidissement direct. Au lieu de cela, la conception des bâtiments solaires vise à ralentir le taux de transfert de chaleur dans un bâtiment en été et à améliorer l’élimination de la chaleur indésirable. Cela implique une bonne compréhension des mécanismes de transfert de chaleur: conduction thermique, transfert de chaleur par convection et rayonnement thermique, principalement du soleil.

Par exemple, un signe de mauvaise conception thermique est un grenier qui devient plus chaud en été que le pic de température de l’air extérieur. Cela peut être considérablement réduit ou éliminé avec un toit frais ou un toit vert, ce qui peut réduire la température de la surface du toit de 70 ° F (40 ° C) en été. Une barrière radiante et un espace d’air sous le toit bloqueront environ 97% du rayonnement descendant du revêtement de toit chauffé par le soleil.

Le refroidissement solaire passif est beaucoup plus facile à réaliser dans les nouvelles constructions qu’en adaptant les bâtiments existants. Il existe de nombreuses spécificités de conception en matière de refroidissement solaire passif. C’est un élément essentiel de la conception d’un bâtiment à zéro énergie dans un climat chaud.

Refroidissement par absorption solaire en boucle fermée
Les technologies suivantes sont couramment utilisées pour la climatisation solaire thermique en boucle fermée.

Absorption: NH 3 / H 2 O ou Ammoniac / Eau
Absorption: eau / bromure de lithium
Absorption: eau / chlorure de lithium
Adsorption: eau / gel de silice ou eau / zéolite
Adsorption: méthanol / charbon actif

Le refroidissement solaire actif utilise des capteurs solaires pour fournir de l’énergie solaire aux refroidisseurs à entraînement thermique (généralement des refroidisseurs à adsorption ou à absorption). L’énergie solaire chauffe un fluide qui fournit de la chaleur au générateur d’un refroidisseur à absorption et est recyclé vers les capteurs. La chaleur fournie à la génératrice entraîne un cycle de refroidissement qui produit de l’eau glacée. L’eau glacée produite est utilisée pour le refroidissement commercial et industriel important.

L’énergie solaire thermique peut être utilisée pour refroidir efficacement en été et pour chauffer l’eau chaude domestique et les bâtiments en hiver. Des cycles de refroidissement par absorption itératifs simples, doubles ou triples sont utilisés dans différentes conceptions de systèmes de refroidissement solaire thermique. Plus il y a de cycles, plus ils sont efficaces. Les refroidisseurs à absorption fonctionnent avec moins de bruit et de vibrations que les refroidisseurs à base de compresseur, mais leurs coûts d’investissement sont relativement élevés.

Les refroidisseurs à absorption efficaces ont généralement besoin d’eau à au moins 190 ° F (88 ° C). Les collecteurs thermiques solaires à plaques plates peu coûteux et courants ne produisent que de l’eau à environ 71 ° C (160 ° F). Des capteurs plats à haute température, à concentration (CSP) ou à tubes sous vide sont nécessaires pour produire les fluides de transfert à température élevée requis. Dans les installations à grande échelle, il existe plusieurs projets réussis à la fois techniques et économiques dans le monde entier, notamment au siège de Caixa Geral de Depósitos à Lisbonne avec des capteurs solaires de 1 579 mètres carrés et une puissance de refroidissement de 545 kW. Village olympique de voile à Qingdao / Chine. En 2011, l’usine la plus puissante du nouveau United World College à Singapour sera mise en service (1500 kW).

Ces projets ont montré que les capteurs solaires à plaques plates spécialement développés pour des températures supérieures à 93 ° C (avec double vitrage, isolation arrière renforcée, etc.) peuvent être efficaces et rentables. Lorsque l’eau peut être chauffée bien au-dessus de 190 ° F (88 ° C), elle peut être stockée et utilisée lorsque le soleil ne brille pas.

Le Centre environnemental Audubon du parc régional Ernest E. Debs à Los Angeles dispose d’un exemple d’installation de climatisation solaire, qui est tombé en panne peu après sa mise en service et n’est plus entretenu. La Southern California Gas Co. (The Gas Company) teste également le caractère pratique des systèmes de refroidissement solaire thermique à leur Energy Resource Center (ERC) à Downey, en Californie. Des capteurs solaires de Sopogy et Cogenra ont été installés sur le toit de l’ERC et produisent un système de refroidissement pour le système de climatisation du bâtiment. Masdar City, aux Émirats arabes unis, teste également une installation de refroidissement par absorption à double effet utilisant des collecteurs paraboliques Sopogy, des réseaux Mirroxx Fresnel et des panneaux solaires thermiques à vide poussé TVP Solar.

Pendant 150 ans, des refroidisseurs à absorption ont été utilisés pour fabriquer de la glace (avant l’invention des ampoules électriques). Cette glace peut être stockée et utilisée comme « batterie de glace » pour se refroidir lorsque le soleil ne brille pas, comme cela a été le cas en 1995 à l’hôtel New Otani Tokyo au Japon. Des modèles mathématiques sont disponibles dans le domaine public pour les calculs de performance de stockage d’énergie thermique sur glace.

ISAAC Solar Icemaker est un cycle solaire intermittent d’absorption d’ammoniac et d’eau. L’ISAAC utilise un capteur solaire à auge parabolique et une conception compacte et efficace pour produire de la glace sans apport de carburant ou d’électricité, et sans pièces mobiles.

Les fournisseurs de systèmes de refroidissement solaire comprennent ChillSolar, SOLID, Sopogy, Cogenra, Mirroxx et TVP Solar pour les installations commerciales et ClimateWell, Fagor-Rotartica, SorTech et Daikin principalement pour les systèmes résidentiels. Cogenra utilise la cogénération solaire pour produire de l’énergie thermique et électrique pouvant être utilisée pour le refroidissement.

Systèmes de refroidissement solaire utilisant des collecteurs de concentration
Les principales raisons de l’utilisation de collecteurs à concentration dans les systèmes de refroidissement solaire sont les suivantes: climatisation hautement efficace par couplage avec des refroidisseurs à double / triple effet; et la réfrigération solaire au service des utilisateurs finaux industriels, éventuellement en combinaison avec la chaleur et la vapeur du procédé.

En ce qui concerne les applications industrielles, plusieurs études menées ces dernières années ont mis en évidence un potentiel élevé de réfrigération (températures inférieures à 0 ° C) dans différentes régions du globe (par exemple en Méditerranée et en Amérique centrale). Cependant, ceci peut être réalisé par des refroidisseurs à absorption d’ammoniac / eau nécessitant un apport de chaleur à haute température dans le générateur, dans une plage (120 ÷ 180 ° C) qui ne peut être satisfaite qu’en concentrant les capteurs solaires. De plus, plusieurs applications industrielles nécessitent à la fois un refroidissement et de la vapeur pour les procédés, et la concentration des capteurs solaires peut être très avantageuse dans le sens où leur utilisation est maximisée.

Bâtiments sans énergie
Les objectifs des bâtiments sans énergie comprennent des technologies de construction durables et écologiques qui peuvent réduire considérablement, voire éliminer, les factures d’énergie annuelles nettes. La réalisation suprême est le bâtiment autonome totalement déconnecté des entreprises de services publics. Dans les climats chauds avec des degrés-jours de refroidissement importants, la climatisation solaire de pointe constituera un facteur de succès essentiel de plus en plus important.