Refroidissement naturel: les solutions alternatives à la climatisation

Le parc de bâtiments climatisés en France est encore faible, mais il est en constante augmentation dans le secteur tertiaire et l'industrie. Et il se développe rapidement dans le secteur résidentiel malgré son interdiction. Cette tendance à la hausse, se poursuivra dans les années à venir,  et risque même de s’accélérer par les effets du changement climatique. 

Les DJU* de chauffe et de refroidissement, calculés à partir des observations météo et moyennés sur la période 1971-2006 mettent en évidence, avec le climat actuel, des besoins importants en chauffage pendant l'hiver, alors que les besoins en climatisation restent comparativement assez faibles. L’impact du changement climatique sur la température de l’air est différent suivant le degré d’urbanisation (milieu urbain, péri-urbain et rural).

Les conséquences de l'isolation des parois

Au-delà de la résistance thermique, les isolants ont une capacité à augmenter le déphasage thermique. Ils améliorent ainsi le niveau de confort à l'intérieur de l'habitation en été : c’est la diffusivité thermique. Plus la diffusivité sera faible, et plus la vitesse de transmission sera lente, ce qui permettra de lisser les besoins frigorifiques et donc d'installer des matériels de puissance moindre fonctionnant avec un meilleur taux de charge.

Avec un isolant adapté, des protections solaires extérieures efficaces et en gérant correctement la ventilation ou le rafraîchissement, on gagnera facilement les quelques degrés qui génèrent de l’inconfort en été. Et on évitera peut être le recours à la climatisation !

Alors, surchauffe ou pas ?

L’instrumentation sur des bâtiments bien isolés corrobore les STD**, il est prouvé que la puissance de refroidissement n'a pas augmentée du fait de l'isolation des parois, elle a même légèrement diminuée lors des fortes températures.

Par contre, avec le changement climatique, on constate qu'au cours de la majeure partie de la demi-saison et de l’été, la température extérieure en France se situe entre 12 et 18°C. Comme la température intérieure se situe entre 21 et 24°C, le profil de la demande de puissance de refroidissement est différent.

Free cooling, rafraîchissement adiabatique indirect ou free chilling ? 

Free cooling

  • avec ∆Ts 5K : 1,65 Wf/m3 soufflé.
  • avec ∆Ts 10K : 3,30 Wf/m3 soufflé.
    --->Pour un maintien à 26°C nuit et jour, le potentiel de fonctionnement annuel est de 22% et moins, s‘il posséde une régulation enthalpique (datacenter, salle à atmosphère contrôlée, etc.).

Rafraîchisement adiabatique indirect

  • avec ∆Ts 5K sur le double échangeur à plaques et avec un rendement thermique de 84% pour récupérer la chaleur latente : 1,83 Wf/m3 soufflé.
  • avec ∆Ts 10K sur le double échangeur à plaques et avec un rendement thermique de 84% pour récupérer la chaleur latente : 3,65 Wf/m3 soufflé.
    ---> Pour un maintien à 26°C nuit et jour, le potentiel de fonctionnement annuel est de 22%.

Free chilling mixte

  • avec ∆Ts 5K sur l’aéroréfrigérant sec : 5,80 Wf par m3/h d’eau glacée, soit avec un ∆Ts de 10K sur la batterie froide ayant un rendement thermique de 84% : 4,84 Wf/m3 soufflé.
    ---> Pour de l’eau glacée produite à 13/18°C nuit et jour, le potentiel de fonctionnement annuel est d’environ 50%.
  • avec ∆Th 2K sur l’aéroréfrigérant mixte (alternativement sec et adiabatique) : 7,00 Wf par m3/h d’eau glacée, soit avec un ∆Ts de 10K sur la batterie froide ayant un rendement thermique de 84% : 5,88 Wf/m3 soufflé.
    ---> Pour de l’eau glacée produite à 13/18°C nuit et jour, le potentiel de fonctionnement annuel est d’environ 62%.

--> Synthèse des résultats : Avantage net au free chilling

Comment améliorer considérablement les performances du free chilling tel qu’il est utilisé aujourd’hui ?

Schéma d’une production de froid performante recourant à un échangeur de prérefroidissement pour un fonctionnement bivalent où on rendra prioritaire le free chilling par rapport à la machine thermodynamique - Solution A. GARNIER.Les charges de froid ne seront pas les mêmes toute l’année. Elles ne seront stables que dans certains cas, par exemple pour la climatisation des data centers ou le refroidissement de process.

Mais, même si du fait d’une augmentation de la température extérieure, le dry cooler n’arrive plus à produire l’eau à 13°C, comme les émetteurs ont été dimensionnés pour du 13/18°C, on aura intérêt à venir soulager le travail du groupe de froid. Et tant qu’il pourra produire du 17°C, on le conservera en fonctionnement free chilling.

C’est alors un second dry cooler adiabatique qui réalisera la dissipation de la chaleur de réjection du groupe de froid. Et on pourra valoriser la chaleur de réjection du groupe de froid comme c’est le cas en industrie ou dans les hôpitaux (préchauffage process ou ECS).

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Alain GARNIER Directeur Scientifique & Innovation du Bureau d'Etudes GARNIER Ingénierie des Fluides à Reims. Filiale de Phosphoris

 

* DJU = Degrés Jours Unifiés

** STD : Simulation Thermique Dynamique

Schéma d’une production de froid performante recourant à un échangeur de prérefroidissement pour un fonctionnement bivalent où on rendra prioritaire le free chilling par rapport à la machine thermodynamique - Solution A. GARNIER.

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