#21 - Rafraîchissement adiabatique : une alternative naturelle à la climatisation pour faire face aux enjeux climatiques
Communication GENATIS
Alors que le réchauffement climatique est désormais une évidence, l’utilisation d’une technologie accentuant le phénomène risque de nous mener dans une très chaude impasse. Le principe même de la climatisation est de prendre des calories à l’intérieur des bâtiments et de les envoyer vers l’extérieur ce qui contribue au réchauffement climatique. A la notion énergétique se rajoute la gestion des fluides frigorigènes qui peuvent contribuer à l’effet et serre. Il est donc urgent de limiter l’utilisation de la climatisation et de trouver une alternative.
Une alternative naturelle
Comme dans d’autres domaines, la solution se trouve dans la nature. Lorsqu’il y a présence d’eau et que celle-ci s’évapore, il y a création de fraîcheur. C’est pour cela qu’il fait plus frais au bord de la mer que dans les terres ; dans une forêt c’est l’évapotranspiration des arbres qui crée de la fraîcheur. Pour passer de l’état liquide à l’état de vapeur la molécule d’eau à besoin d’énergie. Elle va capter cette énergie dans l’air qui va donc se rafraîchir.
Copier la nature
Toutes les civilisations qui nous ont précédés (celleS qui avaient besoin de rafraîchir l’air en tout cas) ont utilisé cette technologie. Les perses bien avant notre ère utilisaient ce phénomène pour rafraîchir leurs habitations, les Bâdgir rafraîchissaient l’air à l’aide de tours créant un mouvement d’air au-dessus de bassins. On l’observe encore aujourd’hui avec les riads dont les fontaines sont là pour rafraîchir la cour intérieure.
L’industrialisation du phénomène
On attribue l’invention du premier rafraîchisseur adiabatique à Oscar Palmer au début du 20ème siècle. Trente ans plus tard, des milliers de rafraîchisseurs étaient vendus en Arizona pour rafraîchir les habitations. Les rafraîchisseurs par évaporation sont constitués d’une arrivée d’eau, d’un réservoir, d’une pompe permettant d’humidifier un échangeur et d’une vanne de vidange. Un ventilateur permet à la fois l’échange entre l’air et l’eau et la distribution de l’air
Un choix à la fois économique et environnemental
Un premier boom est enregistré pour cette technologie économique après les premiers chocs pétroliers. Des entreprises voient le jour à travers le monde. Des rafraîchisseurs adiabatiques sont conçus pour répondre à des besoins aussi bien résidentiels qu’industriels. Cependant les entreprises du génie climatique restent sur des technologies traditionnelles. Il faudra attendre l’arrivée de l’urgence climatique et des premières réglementations thermique pour que le rafraîchissement adiabatique apparaisse comme un complément ou une alternative viable. Les bureaux d’études doivent trouver des solutions pour atteindre le niveau de performance énergétique imposé par la réglementation. Les entreprises commencent également à réfléchir à plus long terme accordant une plus grande part aux coûts d’exploitation dans leur choix stratégique. L’apparition du rafraîchissement par évaporation dans de plus en plus d’applications permet de rassurer les utilisateurs potentiels et les prescripteurs, une nouvelle ère pouvait commencer.
Une technologie qui évolue
Les premières avancées avaient déjà été réalisées dès les années 50 avec les premiers échangeurs fabriqués en cellulose. Ce type d’échangeur est aujourd’hui utilisé pour la majorité des applications. Ce média permet via le ruissellement et d’un débit d’air calibré d’avoir une évaporation de l’eau sans passage par la forme de microgouttelette et de rendre impossible toute transmission de légionelle, la bactérie étant beaucoup trop grosse pour être contenue dans la molécule de vapeur d’eau. Les échangeurs en cellulose les plus performants permettent d’atteindre une efficacité supérieure à 80%.
Une meilleure gestion de l’eau
Bien que l’adiabatique par ruissellement ne soit pas soumise à l’ICPE 2921 un certain nombre d’éléments permet une gestion plus fine de son utilisation. Une vanne de vidange permet d’éviter toute eau stagnante. Des cycles de renouvellement d’eau sont générés pour éviter l’encrassement des échangeurs en limitant la concentration en minéraux.
Régulation
La performance du procédé adiabatique et liée à la température et à l’hygrométrie extérieure il n’est donc pas possible de choisir température de soufflage. Celle-ci pour les zones géographiques favorables est inférieure à 25° même par temps chaud, il est donc possible de maintenir une température de confort en adaptant le débit d’air aux apports calorifique. La température de soufflage étant la plupart du temps à l’alentour de 23,5°C par 35°C extérieur, il est possible de maintenir une température de confort en faisant varier le débit en fonction de la charge thermique. Une sonde de température extérieure permet de basculer du mode free-cooling (ventilation seule) au mode adiabatique (pompe de circulation d’eau en marche).
Des applications diverses
Alors qu’il est utilisé pour des applications résidentielles dans certains pays comme l’Australie ou les Etats-Unis, le rafraîchissement par évaporation en Europe se cantonne, dans un premier temps aux applications industrielles. Les grands volumes avec une charge thermique importante sont très coûteux à climatiser et l’adiabatique permet de réaliser des économies significatives. Les calories générées par les différents process ne sont pas avalées comme dans le cas d’une climatisation mais évacués et remplacés par de l’air extérieur rafraîchi. On retrouve également l’adiabatique dans de nombreux ERP ou la charge thermique interne venant des personnes et de l’éclairage se combine avec les apports solaires comme dans le cas des jardineries ou des show-rooms pour engendrer des besoins en rafraîchissement importants.
Utilisation pour les salles de serveurs
Le rafraîchissement adiabatique est également aujourd’hui utilisé pour des salles de serveurs. Les conditions recommandées par l’ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air-conditioning Engineers) sont atteignables dans la plupart des climats. De plus il est possible d’avoir une solution adiabatique prioritaire et une solution de climatisation traditionnelle en secours. En fonction de la zone géographique l’adiabatique peut remplacer totalement la climatisation ou limiter son temps de fonctionnement. Les économies réalisées sont conséquentes et les retours sur investissements sont très rapides.
Combiné à des CTA (Centrales de Traitement d’Air)
Les CTA double-flux sont de plus en plus utilisées pour ventiler les bâtiments tertiaires. La récupération des calories sur l’air repris combinée à une meilleure isolation des bâtiments permet de réduire les besoins en chauffage. Cependant une CTA double-flux ne permet pas de rafraîchir l’été. Dès qu’il fait plus chaud à l’extérieur qu’à l’intérieur et malgré la présence de l’échangeur, la CTA introduira de l’air plus chaud que la température que l’on essaye de maintenir. Le bâtiment se réchauffe. Ce phénomène est à l’origine de l’inconfort d’été. Les nuits étant de moins en moins fraîches il est également de plus en plus difficile de profiter de l’inertie du bâtiment via la ventilation nocturne. L’utilisation de modules adiabatiques gainables permet de garantir une introduction d’air neuf rafraîchi quelle que soit la température extérieure et de générer une puissance frigorifique. Celle-ci dépendra à la fois du rendement de la CTA et de celui du module adiabatique. L’utilisation combinée à une CTA double-flux permet également de faire un refroidissement adiabatique indirect lorsque le module est positionné sur la reprise. L’air neuf est alors refroidi indirectement grâce à l’échangeur à plaque ou à la roue, il n’y a alors pas d’augmentation du poids d’eau dans l’air soufflé, on parle d’adiabatique indirect. Lorsqu’il est positionné sur l’air neuf (adiabatique direct) ou au soufflage (prérafraîchissement via l’échangeur de la CTA + adiabatique direct), une sonde d’hygrométrie doit être rajoutée pour couper le fonctionnement du module si nécessaire.
Il est possible également de combiner adiabatique direct et indirect en positionnant un module sur la reprise et un module sur le soufflage. Cette solution est intéressante lorsqu’on souhaite augmenter la puissance de froid de la solution sans augmenter le débit d’air.
L’utilisation de l’adiabatique pour des installations de climatisation traditionnelle
Sur condenseurs ou aéroréfrigérants : En permettant l’abaissement de la température de l’air l’adiabatique permet non seulement l’amélioration du rendement mais aussi d’éviter des coupures souvent enregistrées lors des périodes de canicule.
Avec des roof-top : Tout roof-top ayant une fonction free-cooling peut potentiellement intégrer une fonction adiabatique. Alors que le circuit thermodynamique se met normalement en marche dès que la température extérieure augmente il sera possible grâce à la fonction adiabatique de limiter son fonctionnement aux heures les plus chaudes.
Une utilisation portée par la nouvelle réglementation
La RE2020 et le décret tertiaire vont favoriser la technologie adiabatique. L’amélioration de la performance des bâtiments avec notamment la réduction des apports thermique combinée au rafraîchissement adiabatique permettra de maintenir les bâtiments dans un niveau de confort acceptable sans avoir recours à la climatisation. L’adiabatique est d’ores et déjà disponible dans les moteurs de calcul ce qui facilite son intégration.
Un article signé Gérard Gaget, Responsable Activité Rafraîchissement Adiabatique chez Adexsi
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