WOW !! MUCH LOVE ! SO WORLD PEACE !
Fond bitcoin pour l'amélioration du site: 1memzGeKS7CB3ECNkzSn2qHwxU6NZoJ8o
  Dogecoin (tips/pourboires): DCLoo9Dd4qECqpMLurdgGnaoqbftj16Nvp


Home | Publier un mémoire | Une page au hasard

Etude et conception d'un systeme de climatisation utilisant le rayonnement solaire


par Guillaume Deguy LUMPUNGU MABEYA
Université de Lubumbashi - Ingenieur Civil Electromecanicien 2004
Dans la categorie: Sciences
   
Télécharger le fichier original

Disponible en mode multipage

INTRODUCTION

Lorsque, malgré une utilisation optimale des techniques passives, un système de climatisation s'avère nécessaire, le rafraîchissement solaire peut être une solution intéressante.

Durant les périodes de fort ensoleillement, l'utilisation de l'énergie solaire pour le rafraîchissement est un concept séduisant, puisque les besoin en froid coïncident la plupart du temps avec la disponibilité du rayonnement solaire.

Ainsi au regard de ces inspirations, c'est dans cette perspective que nous avons choisi à bon droit et cela fort et confiant de nos formations reçues en qualité d'Ingénieur Civil Electromecaniçien,de porter un regard plus attentif sur l'étude des systèmes de climatisation solaire.

L'intérêt du sujet se justifie par le fait que la climatisation utilisant l'énergie solaire supprime la quasi-totalité des nuisances dues aux techniques de climatisation classiques ou conventionnelles:

· La source d'énergie est le soleil, donc sans rejet. La consommation électrique des auxiliaires est sensiblement inférieure à celle du compresseur remplacé.

· Les fluides frigorigènes employés sont totalement inoffensifs, à la différence des fluides de type HCFC (gaz à effet de serre) utilisés dans les systèmes classiques.

· La source de bruit la plus importante (moteur et compresseur) est totalement supprimée. Et l'absence des pièces mécaniques en mouvement conduit en conséquence à une durée de vie nettement plus longue que les groupes de réfrigérations classiques

Le problème posé est tel qu'au départ nous disposons des installations de climatisation dont l'énergie motrice s'avère être de la chaleur extraite de l'eau chaude. Alors il convient de concevoir un arsenal solaire capable de produire à une certaine température désirée une eau chaude susceptible d'alimenter l'installation de climatisation.

Nous avons estimé après plusieurs réflexions que la technique la mieux adaptée consisterait à utiliser des capteurs solaires pour fournir de la chaleur qui est dirigée vers une installation de climatisation.

Pour les systèmes fermés, la chaleur fournie sera absorbée pour produire du froid .Le froid est ensuite distribué comme pour la climatisation classique.

Pour les systèmes ouverts l'énergie solaire pourra servir comme source de chaleur pour la déshumidification de l'absorbant et aussi pour alimenter les réchauffeurs.

Ce travail dont l'objet principal est le dimensionnement des composants de l'arsenal solaire, ne prendra pas en compte l'étude du climat de confort.

Le présent mémoire contient outre l'introduction et la conclusion deux grandes parties dont la première, théorique comprend les généralités, notamment sur le principe de base de la climatisation ainsi que sur l'énergie solaire. La seconde partie, expérimentale, se penchera sur la conception et le dimensionnement de l'installation solaire ainsi que l'étude technico-économique du projet

PARTIE I : PARTIE THEORIQUE

CHAPITRE I : GENERALITES

Dans ce chapitre, nous parlerons essentiellement de deux principaux points à savoir :

 

· Les principes de base de la climatisation;

· L'énergie solaire.

Le premier point comprendra :

· Le fonctionnement d'un système de climatisation ;

· L'étude du circuit frigorifique et sa représentation sur le diagramme entropique (T, s) ;

· Les techniques de climatisation.

Le second point abordera surtout l'aspect énergétique du gisement solaire.

I.1.PRINCIPES DE BASE DE LA CLIMATISATION [Cf. Bibliographie:1, 9,10]

I.1.1. Définition et principe de fonctionnement d'un système de climatisation

1. Définition

Climatiser un local, au sens le plus large et général, consiste à maîtriser de façon volontaire, les caractéristiques physico-chimiques de l'atmosphère qui y règne afin de rendre celle-ci plus agréable aux occupants ou plus adaptée aux travaux qui y sont effectués.

Ainsi la climatisation peut consister à réchauffer ou à refroidir l'air, à en augmenter ou diminuer l'hygrométrie, à le dépoussiérer...

Le but donc d'un système de climatisation est de traiter l'air dans une pièce afin de contrôler simultanément sa température, son taux d'humidité, sa pureté ainsi que sa distribution optimale.

2. Principes de fonctionnement d'un système de climatisation

a). Principe de base

La climatisation est basée sur le transport de la chaleur 
d'un endroit vers un autre.

Pour cela, que faut-il ?
Un appareil intérieur, un appareil extérieur, un circuit fermé de tuyauteries en cuivre qui relie les unités intérieures et extérieures entre elles et dans lequel circule le réfrigérant. C'est ce réfrigérant qui va transporter l'énergie produite d'un local vers un autre local

b). Fonctionnement en mode froid

La figure 1 donne le fonctionnement en mode froid


 

Figure 1: Fonctionnement en mode froid

1 Unité intérieure
Un ventilateur souffle l'air intérieur chaud vers un échangeur de chaleur dans lequel un réfrigérant froid circule. Le réfrigérant froid absorbe la chaleur de l'air et l'air ainsi rafraîchit est renvoyé dans le local.

2 Tuyauteries en cuivre
Le réfrigérant transporte la chaleur récupérée via des tuyauteries en cuivre depuis l'unité intérieure vers l'unité extérieure.

3 Unité extérieure

Par cet apport de chaleur un changement s'opère sur le réfrigérant. D'un état liquide, il se transforme en état gazeux, comme de l'eau qui se transforme en vapeur lorsqu'elle bout. De la même façon que la vapeur retrouve sa forme liquide lorsqu'elle refroidit, le réfrigérant redevient liquide grâce à la chaleur rendue par l'unité extérieure.

4 Réfrigérant
Le réfrigérant liquide retourne vers l'unité intérieure.

5 Unité intérieure
De retour dans l'unité intérieure, le réfrigérant libère la fraîcheur et recommence le circuit en boucle jusqu'à obtention de la température désirée. 

I.1.2 Etude du circuit frigorifique

Un climatiseur fonctionne de façon similaire qu'un réfrigérateur. Pendant que le réfrigérant circule à travers le système, il subit un grand nombre de changements d'état. Il y a quatre processus fondamentaux qui forment le 'cycle frigorifique'

La figure 2 montre le cycle frigorifique.

.

Figure 2 : Cycle frigorifique

1. La compression

Par l'action du compresseur, la vapeur résultant de l'évaporation est aspirée de l'évaporateur par la ligne d'aspiration jusqu'à l'entrée du compresseur. Dans le compresseur, la pression et la température de la vapeur augmentent considérablement grâce à la compression, puis la vapeur à haute température et à haute pression est rejetée par la ligne de refoulement.

2. La condensation

La vapeur traverse la ligne de refoulement vers le condenseur où elle libère la chaleur vers l'air extérieur. Dès que la vapeur a relâché sa chaleur additionnelle, sa température s'abaisse jusqu'à sa nouvelle température de saturation correspondant à sa nouvelle pression.
En libérant sa chaleur, la vapeur se condense entièrement et est ensuite sous-refroidie. Le liquide sous-refroidi arrive au détendeur et est prêt pour un nouveau cycle

3. La détente

Le cycle de la détente s'opère entre le condenseur et l'évaporateur, en effet le réfrigérant liquide sort du condenseur à haute pression et haute température, et se dirige vers l'évaporateur via le détendeur.
La pression du liquide est réduite à la pression d'évaporation quand le liquide traverse le détendeur, ainsi la température de saturation du réfrigérant entrant dans l'évaporateur sera en dessous de celle de l'espace à rafraîchir. Une partie du liquide se vaporise dès qu'il traverse le détendeur dans le but d'abaisser la température du réfrigérant à la température d'évaporation. 

4. L'évaporation

Dans l'évaporateur, le liquide se vaporise à pression et à température constante grâce à la chaleur latente fournie par l'espace au réfrigérant traversant l'évaporateur.
Tout le réfrigérant est complètement vaporisé dans l'évaporateur, et surchauffé à la fin de l'évaporateur.
Bien que la température de la vapeur augmente quelque peu à la fin de l'évaporateur à cause de la surchauffe, la pression reste constante.
Bien que la vapeur absorbe la chaleur de l'air entourant la ligne d'aspiration, augmentant sa température et diminuant légèrement sa pression à cause des pertes de charges dues au frottement dans la ligne d'aspiration, ces détails sont négligés lorsqu'on explique le fonctionnement d'un cycle frigorifique normal.

· Représentation sur le diagramme entropique (T,s)

N

0°abs

s

Q1

Q2

A

B

D

C

T1 1

T2

0°c

P1

P2

T

M

Figure 3 : Diagramme entropique

Sur le diagramme entropique ci-dessus,le fonctionnement théorique est représenté par le cycle de Carnot ABCD,évoluant entre les isothermes T1et T2 et les adiabatiques AD et BC,et sur lequel on peut lire:

· Q1:Chaleur évacuée au condenseur = Aire AMNB

· Q2:Chaleur absorbée à l'évaporateur = Aire DMNC

· Q3:Equivalent calorifique du travail consommé par la machine = Aire ADCB

Ce qui nous permet de calculer le coefficient d'effet frigorifique:

å = Q 2/Q 3 = Q 2/ (Q1-Q2) = T2/ (T1-T2)

Le cycle pratique figuré dans le diagramme entropique est le suivant:

P2

T2

6

1

2

3

4

5

s

0°C

T

T1

P1

Figure 4: Cycle pratique.

Légende:

· 1, admission dans le cylindre de vapeur saturée sèche;

· 1-2, compression adiabatique de p2 à p1;

· 2-3-4-5, refroidissement, condensation et sous refroidissement à pression constante p1 dans le condenseur;

· 5-6, détente et laminage à travers le régleur;

· 6-1, évaporation à pression constante p2 dans l'évaporateur

Ce cycle est encore modifié dans sa réalisation, principalement du fait qu'il existe toujours une certaine surchauffe des vapeur à l'aspiration et du fait que la compression ne s'effectue pas exactement suivant adiabatique en raison du refroidissement obtenu par des ailettes ou par circulation d'eau, et qui a pour effet d'abaisser la température en fin de compression.

I.1.3. Les techniques de climatisation

Dans ce paragraphe nous aborderons les principes généraux, sans entrer en détails sur la

climatisation classique notamment celle par sorption et dessiccation/évaporation.

Pour comprendre la suite du présent travail, les différentes installations seront d'une technologie adaptable aux équipements solaires.

Les systèmes de rafraîchissement les mieux adaptés utilisant le solaire thermique pour produire du froid, peuvent être classés en deux grande familles:

"Systèmes fermés et ouverts":

· Systèmes fermés

Un groupe de production de froid à sorption produit de l'eau glacée utilisable dans une centrale de traitement d'air (refroidissement et déshumidification).

· Systèmes ouverts

Dans ces systèmes l'air est directement traité (refroidissement, déshumidification) en fonction des conditions de confort souhaitées.

I.1.3.1. Installation de climatisation par sorption

Les machines à sorption (absorption et adsorption) peuvent être caractérisées par trois températures:

· Une température haute (TH) correspondant à la chaleur motrice fournie au système (circuit d'eau chaude);

· Une température basse (TF) correspondant à celle de la "production de froid"(circuit d'eau glacée);

· Une température intermédiaire (TM) au niveau de la quelle la quantité de chaleur prélevée sur l'eau glacée et la chaleur motrice doivent être évacuées, le plus souvent au moyen d'une tour de refroidissement ouverte (circuit de refroidissement).

Qchaud

La figure 5 représente le schéma de principe du processus

Qfroid

TH

Qrejetée

TM

TF

Figure 5: Schéma de principe du processus

· Qfroid est la quantité de chaleur extraite de l'eau glacée au niveau de l'évaporateur.

· Qchaud requise pour faire fonctionner le processus (chaleur motrice).

· Qrejetée, somme de Qchaud et Qfroid, est la quantité de chaleur à évacuer à la température moyenne TM.

Un paramètre clé pour décrire l'efficacité d'une machine à sorption est le coefficient de performance thermique (COP), défini par le rapport entre la chaleur extraite de l'eau glacée (production de froid) et la chaleur motrice du processus:

COP = Qfroid/Qchaud

Ce paramètre est différent du COP conventionnel (COP conv) d'un groupe de froid classique à compression électrique, défini par:

COPconv = Qfroid/Eélectricité.

Où Eélectricité représente la consommation électrique du groupe à sorption.

Il convient de signaler que dans l'optique de ce mémoire, Qchaud sera essentiellement fourni par des capteurs solaires, via, éventuellement un système d'appoint.

On peut noter que, plus le COP est faible, plus la quantité de chaleur à fournir au système et celle qui doit être évacuée dans la tour de refroidissement sont élevées. A l'inverse, une valeur élevée du COP est un avantage permettant de réduire à la fois le besoin en chaleur motrice et la consommation électrique des pompes.

La température de l'eau glacée dépend du système de distribution installé dans les pièces. Lorsqu'une déshumidification de l'air est nécessaire, la température de l'eau glacée doit être inférieure au point de rosée (6°à 9°c en général) (.Cf. Bibliographie: guide de climatisation solaire).Lorsque l'on souhaite uniquement un abaissement de température, sans déshumidification, une température d'eau glacée de 12° à 15°c est suffisante, conduisant à des meilleures performances de la machine.

a) Machines à absorption.

Schéma de principe:

La figure 6 donne le schéma de principe d'une machine à absorption.

Eau de refroidissement

Eau de refroidissement

Eau glacée

EVAPORATEUR

ABSORBEUR

Eau chaude

(Chaleur motrice)

GENERATEUR

CONDENSEUR

Vanne de détente

Pompe de circulation

Figure 6 : Schéma de principe

Le principe est tel que la "production du froid " est basée sur l'évaporation du réfrigérant (l'eau) dans l'évaporateur à très basse pression. La vapeur d'eau est alors "aspirée" dans l'absorbeur, contribuant à la dilution de la solution H20/LiBr.

L'efficacité du processus d'absorption nécessite un refroidissement de la solution. Cette dernière est pompée en continu dans le générateur où elle est chauffée (chaleur motrice). La vapeur d'eau ainsi générée est envoyée dans le condenseur, où elle se condense. L'eau liquide, après passage dans une vanne de détente, retourne ensuite à l'évaporateur.

Nous constatons que la compression thermique est obtenue en utilisant un couple réfrigérant/liquide absorbant, et source de chaleur qui remplace la consommation électrique du compresseur mécanique.

Pour de l'eau glacée au dessus de 0°c, comme c'est le cas en climatisation, c'est le couple "eau/bromure de lithium (H²O/LiBr.)Qui est utilisé, l'eau étant le réfrigérant (Cf. Bibliographie:Guide de climatisation solaire).La pompe de circulation utilisée doit être très faiblement consommatrice d'électricité.

b) Machines à adsorption

Ici, au lieu d'une solution liquide, un matériau solide (un adsorbant) est utilisé. Ces systèmes utilisent l'eau comme réfrigérant et le silica-gel comme adsorbant.

La figure 7 donne le schéma de principe d'une machine à adsorption.

Eau chaude

(Chaleur motrice)

Eau glacée

Eau de refroidissement

Eau de refroidissement

EVAPORATEUR

CONDENSEUR

2

1

Figure 7 : Schéma de principe d'une machine à adsorption.

La machine comprend deux compartiments (1 et 2), un évaporateur et un condenseur L'absorbant du premier compartiment est régénéré par chauffage (eau chaude solaire), la vapeur d'eau ainsi générée étant envoyée dans le condenseur où elle se condense. L'eau liquide via une vanne de détente est envoyée à basse pression dans l'évaporateur où elle s'évapore (phase de"production de froid").

L'adsorbant du deuxième compartiment maintient la basse pression en adsorbant cette vapeur. Ce compartiment doit être refroidi pour entretenir le processus d'adsorption. Lorsque la production du froid diminue (saturation de l'adsorbant en vapeur d'eau), les fonctions de deux compartiments sont permutées par ouverture et fermeture des clapets.

Il est impérieux d'avoir présent à l'esprit que dans le cas des installations à sorption, l'évaporateur fait office du local ou de la pièce à climatiser.

5

4

3

2

1

Air frais et sec

I.1.3.2. Installation de climatisation par dessiccation

Roue déshumidificatrice

Roue échangeur thermique

Humidification

Air chaud et humide

Eau chaude

Eau chaude

6

7

8

9

10

La figure 8 illustre le schéma d'une installation de climatisation par dessiccation

Figure 8 : Schéma d'une installation de climatisation par dessiccation.

Les systèmes à dessiccation sont des systèmes ouverts utilisant l'eau, en contact direct avec l'air comme réfrigérant.

Le rafraîchissement par dessiccation a pour principe de déshumidifier l'air au travers d'une roue à dessiccation pour pouvoir le refroidir en suite par ré humidification. Le passage de l'air au sein de la roue deshumidificatrice induit une hausse de température sèche. C'est pourquoi cet air est d'abord refroidi dans un échangeur de chaleur avant de passer dans un humidificateur. Le matériau absorbant est régénéré par l'air repris préalablement, chauffé à des températures de l'ordre de 50 à 100°c (Cf. guide de climatisation) suivant le matériau et la puissance de déshumidification requise .Nous estimons que cette technique entre dans la catégorie faible consommation lorsqu'une source de chaleur gratuite est disponible (en occurrence le soleil).

Le rafraîchissement par évaporation repose sur la chaleur latente de vaporisation de l'eau pour réduire la température sèche de l'air. Elle consiste à humidifier l'air repris du local puis à le faire passer dans un échangeur afin de refroidir l'air de soufflage.

· Rafraîchissement

Le procédé de base permettant le conditionnement d'air est le suivant:

L'air entrant, chaud et humide, traverse une roue à dessiccation en rotation lente,et est donc déshumidifié(1-2). L'air étant réchauffé par le phénomène d'adsorption, un premier refroidissement est obtenu au travers d'un échangeur thermique (2-3). L'air est ensuite humidifié,et donc refroidi dans un humidificateur(3-4),permettant d'ajuster le niveau d'humidité et de température souhaité pour l'air neuf .L' air repris dans la pièce est humidifié pratiquement jusqu'au point de saturation(6-7),pour bénéficier au maximum du potentiel de refroidissement dans l'échangeur thermique(7-8). Enfin,la roue à dessiccation doit être régénérée(9-10),en utilisant de la chaleur à un niveau de température relativement faible(50 à 70°c),permettant ainsi de poursuivre le processus continu de déshumidification.

· Chauffage

Lorsque les besoins de chauffage sont plus importants, l'énergie solaire, et le cas échéant, une énergie d'appoint sont utilisées.

· Régime d'été

En période de fort ensoleillement, la température sèche et le degré hygrométrique à l'intérieur du local sont élevés. D'où pour rendre les conditions confortables, il faudra refroidir et déshumidifier.

Représentons cela sur le diagramme (h, x):

.h1

1

2

3

4

T4

.h4

T1

.ö =1

.ö4

.ö1

.x4

.x1

Figure 9 : Diagramme psychrométrique.

Le point 1 représente l'état initial, où nous avons au sein du local t1 et ö1, respectivement la température et le degré hygrométrique internes. Le point 4 fait état des conditions optimales de confort.

On a donc t4< t1 et ö41.

Nous aurons donc au sein de l'installation de climatisation 3 appareils dont:

· Le refroidisseur R1 (1-2);

· Le déshumidificateur D (2-3);

· Le réchauffeur R 2 (3-4);

La figure 10 fait état d'une installation de climatisation à trois appareils.

4

1

2

3

R1

D

R2

Figure 10 : Installation de climatisation par dessiccation

Le réchauffeur sera de ce fait alimenté par une source de chaleur provenant des capteurs solaires.

I.2. ENERGIE SOLAIRE [Cf. Bibliographie: 4, 5,8]

I.2.1. Aperçu de la source

Le soleil est une sphère gazeuse composée presque totalement d'hydrogène. Son diamètre est de 1391000 Km (100 fois celui de la terre), sa masse est de l'ordre de 2.1027 tonnes. Toute l'énergie du soleil provient des réactions thermo nucléaires qui s' y produisent. Elles transforment à chaque seconde 564106 tonnes d'hydrogènes en 560106 tonnes d' hélium,la différence de 4 millions de tonnes est dissipée sous forme d'énergie (E = mc² ),ce qui représente une énergie totale de 36.10²² kW. La terre étant à une distance de 150.106 Km du soleil, elle reçoit une énergie de 1,8.1017 w.

La valeur du flux de rayonnement solaire E reçu par une surface perpendiculaire aux rayons solaires placée à la limite supérieure de l'atmosphère terrestre (soit à environ 80 Km d'altitude) varie au cours de l'année avec la distance Terre/Soleil. Sa valeur moyenne Eo est appelée la constante solaire, elle vaut Eo = 1353 w/m².En premier approximation, on peut calculer la valeur de E en fonction du numéro du jour de l'année j par :

E = Eo [1+0,033 Cos (0,984 j)] [w/m 2]

I.2.2. Durée et taux d'ensoleillement

a) D'urée d'ensoleillement

Selon les conditions atmosphériques, le ciel peut être plus ou moins couvert des nuages au cours d'une journée. Ceux-ci occultent le soleil, totalement ou partiellement, empêchant ainsi le rayonnement d'atteindre directement le sol. On dit que la nébulosité est plus ou moins importante selon qu'il y a beaucoup ou peux de nuages.

On appelle durée effective d'ensoleillement ou insolation SS le temps pendant lequel, au cours d'une journée, le rayonnement solaire direct a atteint le sol du lieu considéré .On appelle rayonnement direct,le rayonnement qui atteint la surface terrestre sans avoir subit des déviations depuis son émission par le soleil

b) Taux d'ensoleillement

Par ciel clair sans nuages, le sol reçoit le rayonnement solaire direct pendant toute la durée journée, ou plus précisément pendant la durée maximale d'ensoleillement SSo. On appelle taux d'ensoleillement ou taux d'insolation le rapport entre la durée effective et la durée maximale d'ensoleillement.

ó = SS/SSo (1.1)

I.2.3. Aspects géométriques

Nous allons nous intéresser ici aux aspects géométriques du rayonnement solaire intercepté par la terre dans le but ultérieur de calculer le flux reçu par un plan incliné placé à la surface de la terre et orienté dans une direction fixée. La connaissance de ce flux est la base du dimensionnement de tout système solaire.

a) Mouvement apparent du soleil

Le mouvement apparent du soleil vu par un observateur fixe en un point de la latitude L au nord de l'équateur est représenté par la figure suivante:

Figure 11: Mouvement apparent du soleil

Le repérage du soleil s'effectue par l'intermédiaire de deux angles :

· L'azimut"a" :C'est l'angle que fait la direction de la projection du soleil sur le plan horizontal avec la direction Sud, cet angle étant orienté positivement vers l'Ouest.

· La hauteur "h" du soleil ou l'altitude : C'est l'angle que fait la direction du soleil avec la projection sur un plan horizontal

Ces deux angles sont fonctions de :

· La latitude L du lieu;

· La date j;

· L'heur solaire TS dans la journée

On défini l'heure solaire TS en fixant TS = 12 h lorsque la hauteur du soleil est maximale.

· La hauteur "h" vaut alors : Sin (h) = Sin (L).Sin (ä) +Cos (L).Cos (ä).Cos (ù)

Où : ä = Déclinaison : C'est l'angle formé par la direction du soleil avec le plan

équatorial.

ä = 23,45° Sin [0,980 (j+284)]. (1.2)

ù = L'angle horaire

ù = 15° (TS-12), ù est compté positivement l'après midi

· L'azimut "a" a pour relation :

Sin (a) = Cos (ó) .Sin (ù)/ Cos (h)

I.2.4. Aspects énergétiques

L'atmosphère terrestre est constituée de plusieurs couches de caractéristiques différentes, ce

sont :

· La troposphère, entre le sol et 15 Km d'altitude;

· La stratosphère entre 15 Km et 80 Km d'altitude;

· L'ionosphère entre 80 Km et 2000 Km d'altitude.

Le flux rayonné par le ciel et l'atmosphère vers la terre peut être calculé par :

W = óT4ciel

Où : Tciel est la température équivalente du ciel. Tciel = Ta -12 [k]

Ta est la température de l'air en k

a) Rayonnement solaire au sol

L'atmosphère ne transmet pas au sol la totalité du rayonnement solaire qu'elle reçoit :

· Le rayonnement direct S;

· Le rayonnement diffus D ; est la part du rayonnement solaire diffusée par les particules solides ou liquides en suspension dans l'atmosphère;

· Le rayonnement global G est la somme du rayonnement direct et diffus.

On entend par :"Irradiation solaire" l'énergie reçue pendant une certaine durée. Elle est exprimée en w.m-2.durée-1 ou kw.m-2.durée-1.

"L' Eclairement solaire"est le flux instantané, il s'exprime en w/m 2

L'irradiation globale journalière sur un plan horizontale vaut :

G = G0 [0,29 Cos (L) + 0,52ó] : En zone tropicale (1.3)

Où G0 étant l'irradiation journalière sur un plan horizontal placé au dessus de l'atmosphère calculable par :

G0 = 3,795.104. Cos (L) Cos (ä) [Sin (ù1) - ð.ù1/180.Cos (ù1)]. [Kj/m2] (1.4)

ù1 est l'angle horaire au lever du soleil : Cos (ù1 ) = -tan (L) Tan (ä ) [°c] (1.5)

PARTIE II : PARTIE EXPERIMENTALE

CHAPITRE II : CONCEPTION ET DIMENSIONNEMENT DES

COMPOSANTS DE L'INSTALLATION SOLAIRE

Etant donné qu'il est difficile aujourd'hui de trouver un logiciel facile d'emploi qui permette un choix simple rapide de la technologie de rafraîchissement solaire la plus adaptée et du dimensionnement du système, pour cette raison, une étude de faisabilité est fortement recommandée au début du projet.

L'étude peut comporter les étapes suivantes :

· Détermination des besoins en froid et en chauffage;

· Sélection de la technologie de rafraîchissement la plus adaptée ;

· Conception et dimensionnement des composants :

- Taille du champ des capteurs ;

- Taille des dispositifs de stockage ;

- Etc....

· Analyse du système de régulation;

· Calculs des consommations (électricité, eau et gaz)

Les cinq points énumérés feront l'objet du développement de notre sujet.

II.1. Calcul de la charge thermique [Cf. Bibliographie: 2, 3,11]

Ce calcul conduit à la détermination des besoins en froid et en chauffage.

Il s'agit d'établir le bilant de toutes les charges thermiques d'origine extérieur et intérieure au bâtiment à climatiser. Il faut noter que la puissance installée pour la production du froid est évaluée sur base de la charge thermique, qui est la somme de toutes les charges internes et externes qui affectent l'équilibre entre l'environnement intérieure à rafraîchir et l'environnement immédiat

Le "programme bilan therm" (Cf. Bibliographie), nous permet d'effectuer les calculs de bilans thermiques et de déperditions pour les locaux à climatiser et notamment d'en estimer la puissance frigorifique et thermique nécessaire

a) Description du bâtiment à climatiser

Pour être plus réaliste nous nous proposons de concevoir l'installation d'un système de conditionnement d'air à énergie solaire pour la climatisation d'une salle de conférence dont la capacité d'accueil totale est estimée à 100 personnes, la surface totale du bâtiment à climatiser est de 400 m² et le volume total vaut 1200 m 3 .

Les deux façades latérales sont munies chacune de deux parois vitrées de 3 m² de surface. La couverture est assurée par une toiture en tôles d'acier (acier inox. 15%Cr, 10%Ni) de 600 m² de surface .L'intérieur est éclairé par 4 tubes suspendus au plafond dont la puissance d'éclairage est de 20 w/m² chacun (éclairage fluorescent).

Il est impérativement utile de prévoir au stade de la conception du bâtiment, un local appelé "local technique" destiné à abriter les matériels de l'installation

b) Puissance frigorifique

La charge frigorifique est la somme des gains de chaleur d'origine interne est externe au local à climatiser.

Ainsi donc la puissance frigorifique est celle que la centrale de climatisation va mettre en oeuvre pour les besoins de la climatisation elle est donc estimée à une valeur supérieure à la charge frigorifique.

Hypothèses des calculs

Dans le cadre de ce travail, nous nous situerons dans la ville de Lubumbashi, qui est une station dont :

- La latitude vaut 11°29 Sud ;

- La longitude vaut 27°28 ;

- L'altitude vaut 1298 m.

Les mesures faites à Lubumbashi sur une période allant du 18 Avril au 20 Octobre, font état des résultats suivants :

- La température maximale absolue est de 36,9°c ;

- La température maximale moyenne est de 31,9°c ;

- L'humidité relative minimale absolue est de 10% ;

- L'humidité relative journalière moyenne est de 48% ;

Nous noterons également que la valeur de la vitesse de l'air estimée par M .A .MISSENARD en ambiance calme est comprise entre 0,1 m/sec et 0,25 m/sec.

Généralement la différence de température maximale entre l'intérieur et l'extérieur du local rencontrée dans la littérature est estimée à ?T = 4°c.

Calculs

1) Apports extérieurs par conduction

a) Gains de chaleur des surfaces vitrées Qvit.

Qvit = k.S.?T

La salle comporte 4 surfaces vitrées de 3 m² chacune, d'où S = 12 m².

Le coefficient de transfert thermique k du vitrage (en verre) vaut 0,78 w/m² °c

Qvit = 0,78.12.4 = 37,47 w

b) Gains de chaleur au travers des parois extérieures opaques :

· Mur : Surface S = 588 m²

Kmur = 1,15 w/m² °c (Brique terre cuite)

?T = 4°c

Qext1 = 1,15.588.4 = 2704,8 w

· Toiture : Surface S = 600 m²

K = 20 w/m² °c (Acier inox.15%Cr, 10%Ni)

?T = 4 °c

Qext2 = 20.600.4 = 48000 w

Qext = Qext1 + Qext2 =2704,8+ 48000 = 50704,8 w (chaleur sensible)

2) Apport par ventilation,infiltration d'air

Les apports thermiques (énergie sensible et latente) provenant de l'infiltration d'air dû à la perméabilité des ouvrants dans la salle conditionnée et de l'introduction d'air neuf extérieur pour la ventilation doivent être pris en compte.

Ces apports thermiques se décomposent en chaleur sensible et chaleur latente:

Chaleur sensible = 0,284.p.q.?T

Chaleur latente = 679.p.q.?Hs

Avec: p, Masse volumique de l'air [kg/m 3]

q, Débit volumique de l'air [m 3/h ]

?Hs, est la différence entre l'humidité spécifique extérieure et intérieure du local

[kg/h.kg air]

Le débit d'air volumique recommandé pour une salle de conférence est de 18m3/h. personne

(Cf.Bibliographie:Conception et calcul des procèdes de climatisation) : Il s'agit du débit d'air neuf introduit par ventilation et non par infiltration

Le nombre d'occupants étant fixé à 100 personnes, ce qui conduit à un débit total de:

Q = 18.100 = 1800 m 3/h

La masse volumique, à une température donnée t, est déterminée par la formule suivante:

p = (Cf. Bibliographie)

Or, dans le cas d'espèce la température maximale moyenne est de 31,9 °c ; d'où:

p = = 1,15775 kg/m 3

Nous aurons ainsi:

Chaleur sensible = 0,284.1, 15775.1800.4 = 2367,36 w

3) Apports internes

a) Occupants

En rapports avec les apports internes, nous signalons que l'homme est aussi assimilé à un générateur thermique dont l'énergie est produite par son activité physique et par la combustion lente des aliments.

Le métabolisme est donc fonction du type d'activité. Et dans le cas d'espèce, l'activité est du type: "assis et mouvement modéré", ce qui conduit à un bilan thermique dont la chaleur sensible est estimée à 76,8 w/personnes et la chaleur latente à 51,2 w/personnes (Cf. Bibliographie:Bilan therm)

Ainsi donc pour un total de 100 personnes nous aurons :

· Chaleur sensible = 76,8.100 = 7680 w

· Chaleur latente = 51,2.100 = 5120 w

b) Eclairage électrique

Les éclairages contribuent aux apports sensibles seulement. La chaleur sensible relâchée par les éclairage est calculée comme suit:

Q = Pc.Fb.Am.tx

Où :

· Pc: Puissance en watts totale obtenue à partir des estimations de tous les équipements

installés

Dans le cas d'espèce il y a au sein du local 4 tubes dont chacun a une puissance d'éclairage de 20 w/m².

La puissance totale sera donc égale à:

Pc = 80.400 = 32000 w

· Fb = 1,15 (éclairage fluorescent) :

· Am = 0,88 : Coefficient d'amortissement

· tx = 0,6 : Coefficient de simultanéité

D'où Q vaut : Q = 32000.1,15.0,88.0,6 = 19430,4 w

4) Estimation de la valeur de la puissance

Il est impératif de s'assurer que lors de la sélection d'un appareil de climatisation dans un local donné, la puissance froid soit donnée en chaleur sensible et que cette puissance soit égale ou supérieure au bilan thermique calculé en chaleur sensible.

Ainsi donc concernant notre salle de conférence, la puissance frigorifique de l'appareil de climatisation ou de production d'eau glacée sera estimée à :

P = 50704,8+2367,36+7680+19430,4 = 80182,56 w

Pour couvrir certains apports thermiques dus à une éventuelle présence des équipements divers (équipements informatiques, machines, moteurs,...) ce résultat est majoré par un coefficient de sécurité s = 1,2.

D'où la capacité sera de : P = 80182,56.1,2 = 96219,072 w froid

Soit, P = 96,219 kW froid

II.2. Sélection de la technologie de rafraîchissement

a) Exposé

Tout part de l'hypothèse du contrôle de la température et de l'humidité intérieures. Le point de départ est toujours le calcul, au cas par cas des besoins en froid. Selon ces besoins et les attentes des utilisateurs, on optera pour un système de climatisation par sorption, par dessiccation ou mixte pour extraire chaleur et humidité du bâtiment

La principale question sur le plan technique est :"le taux de renouvellement d'air"minimum qui garantit de bonnes conditions hygiéniques est-il suffisant pour couvrir les besoins en froid (chaleur sensible et chaleur latente)?

b) Taux de ventilation de base

On appelle taux de ventilation ou taux de renouvellement d'air la quantité horaire d'air neuf à introduire dans un local. On rapporte généralement ce taux :

- Soit au nombre d'occupants;

- Soit au volume du local.

Dans le premier cas, le taux de ventilation s'exprime en mètre cubes d'air neuf par heure et par personne [m 3/h.pers].

Dans le second cas, il s'agit du taux de renouvellement d'air N qui est défini par le rapport :

N =

Q : débit de ventilation nécessaire [m 3/h]

V : volume du local [m 3]

N : taux de renouvellement d'air [h-1] ou [m 3 air neuf / h.m3]

Dans le cas d'espèce :

- q = 18m3/h.pers;

- V = 1200 m 3

Or Q = 1800 m 3/h

Nous aurons ainsi N = 1800/1200 = 1,5[h-1]

Partant de la valeur de N il convient d'utiliser un système double flux (air soufflé / air repris) [Cf.Guide de climatisation solaire]

Eu égard à la valeur de la puissance froid et celle du taux de renouvellement, les deux technologies sont applicables à savoir "la climatisation par sorption et celle par dessiccation"

II.2. Conception et dimensionnement des composants [Cf. Bibliographie: 1, 3, 5, 7,11]

II.2.1. Schéma fonctionnel d'une installation de climatisation par sorption

La technique consiste à utiliser des capteurs solaires pour fournir de la chaleur qui sera ensuite dirigée vers une machine à sorption.

Une conception réalisée et bien adaptée, pour la production d'eau chaude comme chaleur motrice des machines à sorption; est représentée sur la figure 12 suivante:

Figure 12 : Schéma d'une installation de climatisation par sorption

II.2.2. Schéma fonctionnel d'une installation de climatisation par dessiccation /

évaporation

Sur cette installation l'eau chaude issue des capteurs solaires est utilisée pour alimenter les réchauffeurs (échangeurs thermiques) 4-5 et 8-9.(Cf. Fig.8)

La figure 13 montre le schéma d'une installation de climatisation par dessiccation/évaporation

Insolation

Capteur solaire

Stockage

Appoint

4

5

8

9

Salle à climatiser

Figure 13: Schéma fonctionnel d'une installation de climatisation par dessiccation

Pour tous les deux cas nous comprenons que le principe de départ est basé sur le chauffage de l'eau. Il s'agit donc d'un chauffe-eau solaire qu'il convient de dimensionner.

II.2.3. Chauffe eau solaire

Un chauffe-eau solaire est généralement constitué de trois parties :

· Un capteur (A), qui transforme le rayonnement solaire en chaleur,

· Un groupe de transfert (B), qui assure la circulation et la régulation,

· Une unité de stockage(C).

Schéma : les trois parties d'un chauffe-eau solaire

Figure 14: Les trois parties d'un chauffe-eau

Un chauffe-eau solaire peut fonctionner " en thermosiphon " sans groupe de transfert. Dans un tel système, le fluide caloporteur réchauffé par le soleil dans les capteurs se dilate et, plus légère, monte naturellement vers le ballon de stockage situé au dessus. Les systèmes en thermosiphon sont généralement moins chers puisqu'ils ne nécessitent aucun dispositif de circulation ou de contrôle, mais l'unité de stockage doit être obligatoirement positionnée au dessus du capteur.

 Schéma : Chauffe-eau solaire en " thermosiphon 

Figure 15: Chauffe-eau solaire en thermosiphon

Les capteurs solaires

Les capteurs solaires peuvent être classés en trois catégories : le capteur plan, le capteur sous vide et les capteurs simplifiés.

 Le capteur plan

Figure 16 : Capteur plan.

C'est le capteur solaire le plus couramment utilisé. Il comprend un coffre isolant(C), à l'intérieur duquel est disposée une feuille métallique noire (B) destinée à absorber l'énergie solaire. Un fluide caloporteur circule dans des tuyaux (D), en contact avec cette surface absorbante, et prélève la chaleur reçue du soleil. Le coffre est fermé par une couverture transparente (A) afin de réduire les déperditions thermiques.

La plupart des capteurs plans vitrés permettent des gains de température allant jusqu'à 70°C par rapport à la température ambiante et sont de ce fait parfaitement adaptés à la production d'eau chaude.

 Le capteur sous vide

Figure 17 : Capteur sous vide

Le capteur sous vide est constitué d'une série de tubes de verre sous vide à l'intérieur desquels se trouve un absorbeur avec un circuit hydraulique, qui capte l'énergie solaire et la transfère au fluide caloporteur. Grâce aux propriétés isolantes du vide, les déperditions de chaleur sont faibles. Ainsi, on peut obtenir des gains de température de 100°C et plus. Ce type de capteur est particulièrement bien adapté aux applications nécessitant des hautes températures.

Les capteurs simplifiés

Les capteurs simplifiés sont généralement constitués d'un absorbeur noir en matière synthétique sans coffre ni couverture transparente.

Le groupe de transfert

Le groupe de transfert est composé de tous les éléments nécessaires pour transférer la chaleur des capteurs à l'unité de stockage dans les meilleures conditions. Il est composé d'une pompe pour faire circuler le fluide caloporteur et d'un système de régulation pour mettre en marche la pompe quand cela est nécessaire.

L'unité de stockage

Un ballon de stockage bien isolé maintient l'eau en température jusqu'à ce qu'elle soit utilisée.

Un chauffe-eau solaire ne peut pas fournir de l'eau chaude en cas de faible ensoleillement. Dans ce cas, il faut se servir d'un chauffe-eau d'appoint utilisant une source d'énergie conventionnelle (gaz, fioul, électricité, bois). Il est préférable de séparer le chauffe-eau d'appoint du système solaire et l'utiliser ponctuellement pour remonter la température de l'eau sortant de l'unité de stockage.

II.2.3. Dimensionnement des composants

Présentation du chauffe-eau solaire

Le circuit est tel que le soleil chauffe un liquide antigel qui circule entre le capteur solaire et un échangeur thermique (serpentin) placé dans un réservoir. Celui-ci, bien sûr, rempli d'eau"sanitaire" qui donc est chauffée par l'autre liquide. La source d'appoint ne démarre que si l'eau à l'entrée n'atteint pas une certaine température de consigne. L'eau chaude produite est directement acheminée pour alimenter l'appareil de climatisation. En voici, les détails sur la figure ci- dessous.

La figure 18 montre le schéma d'un chauffe-eau solaire.

Figure 18 : Chauffe-eau solaire à appoint électrique séparé

a) Capteur solaire

Nous pouvons définir le capteur solaire comme étant un dispositif destiné à recueillir le rayonnement solaire pour le convertir en énergie thermique et le transférer à un fluide caloporteur (eau, air). La paroi absorbante doit comporter deux qualités:"Capter le plus possible et émettre le moins possible". Pour la suite de notre travail nous dimensionnerons le capteur solaire plan.

Implantation

Les capteurs solaires peuvent être installés sur un toit, sur une terrasse d'un immeuble ou sur un emplacement réservé au sol. Dans tous les cas il est bien évident qu'il doit être orienté le plus possible face au soleil; cet emplacement doit donc être dégagé vers le Sud sans ombres portées par des arbres ou d'autres bâtiments pendant toute l'année. Le champ des capteurs doit être incliné selon que le soleil est plus ou moins haut dans le ciel

Schéma : La figure 19 montre le schéma d'une implantation des capteurs.

Figure 19 : Schéma d'une implantation des capteurs

Légende :   

        A. Hauteur du soleil en hiver
        B. Hauteur du soleil en été
        C. Implantation de capteurs en toiture terrasse
        D. Implantation de capteurs au sol
        E. Local technique
        F. Liaison hydraulique entre les capteurs et le local technique

La bonne inclinaison

L'inclinaison peut se calculer avec précision en faisant le rapport entre la puissance captée sur une surface verticale et celle qui tombe sur la même surface placée horizontalement à chaque période de l'année. L'idéal serait une double inclinaison pour l'été et l'hiver. Mais comme la chose n'est guerre praticable, il vaut mieux adopter un compromis plus proche de la solution de l'hiver plutôt que celle de l'été dans la mesure où il est préférable que la captation soit optimale quand la chaleur est plus rare. C'est ainsi qu'il est conseillé une inclinaison égale à la latitude de l'endroit (car le soleil est d'autant plus haut dans le ciel qu'on est proche de l'équateur) augmenté de 10°

Dans le cas d'espèce l'inclinaison sera de:

Ù = 11°29+10°=21°29

Les capteurs solaires implantés sur un toit incliné comme dans le cas d'espèce seront mieux perçus s'ils sont intégrés dans la toiture même. Ainsi, les capteurs solaires seront utilisés pour remplacer la couverture traditionnelle.

Schéma

Coupe du dit capteur solaire intégré au toit incliné de 21°29

Figure 20 : Capteur solaire intégré au toit.
Légende :

        A. Vitrage intégré dans la couverture du toit
        B. Absorbeur du capteur solaire
        C. Isolation thermique
        D. Couverture traditionnelle
        E. Charpente
        F. Arrivée d'eau froide
        G. Départ d'eau chaude

Dimensionnement

Calculons d'abord l'irradiation globale journalière sur un plan horizontale par la formule (1.3)

G = Go [0,29.Cos (L) +0,25ó]

(1.1) Donne: ó =

Dans notre contrée SS est estimé à 7h alors que SSo vaut 12h;

Ainsi : ó = = 0,58

L'expression (1.2) donne ä = 23,45° Sin [0,980(j+284)]

La date j est celle du 8 / Juin, d'où j = 8.

ä = 23,45 Sin [0,980.292] = - 22,52°

Par la relation (1.5) on a: Cos (ù1) = - tan (L).tan (ä)

= -tan (11°29).tan (-22,52)

Cos (ù1) = 0,08423

.ù1 = 85,16°

L'expression (1.4) donne Go = 3,795.104.Cos (L).Cos (ä)[Sin(ù1) - ð.ù1/180.Cos(ù1)]

Go = 3,795.104.Cos(11°29).Cos(-22,52)[Sin(85,16) - 3,14.85,16/180.Cos(85,16)]

Go = 29925, 84 kj/m²

D'où G = 29925,84.[0,29.Cos(11°29)+0,52.0,58] = 17530,406 kJ/m²

Sur une surface inclinée de 21°29 G sera de:

G = 17530,406/Cos (21°29) = 18839,281 kJ/m²

Or la durée effective d'ensoleillement est de 7h soit 25200 secondes, d'où la densité de flux correspondante sera de:

G* = 18839,281/25200 = 0,747590 kW/m²

G* = 747,59 w/m²

Nous dimensionnons un capteur solaire plan capable d'élever la température d'un débit d'eau de Tfe égale à 20°c à Tfs égale à 90°c et dont on connaît:

· Le coefficient d'absorption de la paroi î = 0,8;

· Le coefficient de transmission de la couverture transparente æ = 0,7;

· Le coefficient caractéristique de gains du capteur B = 0,75;

· Le coefficient caractéristique de pertes du capteur K = 7 w/m²/°c;

· La conductivité thermique de la paroi absorbante â= 22,7 w/m/°c

L'eau circule à la vitesse v = 1,2 m/sec, sa capacité calorifique cf est de 4180 J/kg°c

Le capteur comporte 14 tubes (n = 14) de 25mm de diamètre extérieur (De) et dont la distance entre 2 tubes vaut x = 10mm

La principale question consiste à calculer la surface du capteur. Le problème se resoud par la méthode itérative:

· On se fixe une valeur"réaliste "de S

· On calcule le flux solaire absorbée par le capteur: Ôa = G*.î.æ. ;

· On calcule la puissance absorbée par le capteur Pa = Ôa.S ;

· On calcule la puissance utile du capteur:Pu = S. [B.G* - K (Tfs - Tfe)];

· On calcule le coefficient global de perte hp = (Pa - Pu)/S (Tfs - Tfe) ;

· On calcule le rendement de l'ailette F =

l² = ; avec ep = 5mm:épaisseur de la paroi;

· On calcule le facteur de conductance de l'absorbeur FR = Où: qe:Débit total du fluide dans l'absorbeur

Constitué de n tubes en parallèle [kg/ sec]. Dans ce cas qe=n.v.s.ö =,14.(0,025)².3,14.1,2.1000/4 =8,12 kg/sec

· On recalcule S=

· On compare la valeur recalculée à la valeur de départ. Si la différence dépasse un critère de convergence (#177;O, 1) on réitère la boucle de calcul en prenant comme valeur initiale la valeur recalculée. Sinon on arrête les calculs en retenant le résultat de la dernière boucle effectuée.

Calculs

Nous effectuons les calculs à l'aide d'un programme en Excel :

Tableau 1 : Programme en Excel

D'où la surface du capteur est de : Sc = 6,7 m²

Ainsi donc le rendement optique du capteur est donné par :

o =Pa/G*.Sc = 2834,26/747,59.6,7= 0,5658

ç0 = 56,58%

Le rendement globale du capteur est donné par :

g = Pu/G*.Sc = 478,58/747,59.6,7= 0,0955

çg = 9,55%

b) Groupe de transfert

Le groupe de transfert sera essentiellement composé d'un système de régulation et d'une pompe de circulation.

Principe

Le principe de base de la régulation de cette installation solaire est simple. Une sonde est située dans le capteur solaire, une autre dans le bas du ballon d'eau chaude solaire (au 1/9 de la hauteur de la virole).

Dès que le capteur est plus chaud que le ballon solaire de quelques degrés, la pompe de circulation est mise en service; des que les température s'équilibrent la pompe s'arrête. Le régulateur différentiel est bien approprié pour ces opérations.

Le rôle du dispositif de régulation est de commander le transfert de l'énergie captée, seulement si la température du fluide caloporteur dans le capteur est supérieure à celle de l'eau contenue dans le ballon de stockage.

Réglage du régulateur différentiel

Le fonctionnement du régulateur dépend essentiellement des réglages des différentiels de températures.

Appelons:

· ?T1:valeur ajustable du différentiel d'enclenchement du régulateur;

· ?T2:valeur ajustable du différentiel d'arrêt du régulateur

La circulation du fluide dans le capteur ne peut s'établir que quand Tcapteur>Tstockage+?T1

La pompe de circulation s'arrête quand Tcapteur<Tstockage+?T2

Dans le cas d'espèce notre installation est équipée d'un échangeur extérieur. Dans ce cas la mise en circulation de l'eau dans le circuit secondaire de l'échangeur (échangeur - ballon de stockage) nécessite la mise en oeuvre d'un second circulateur. Ainsi donc la régulation de l'installation sera assurée par deux régulateurs différentiels R1 et R2.

Schéma de principe

La figure 21 montre le schéma complet de l'installation solaire.

Ballon de stockage

R1

R2

Tc

T1

Echangeur

Circulateur 1

Circulateur 2

Eau chaude

Capteur solaire

Tstockage

Figure 21 : Schéma complet de l'installation solaire

Le circulateur du circuit primaire (1) est mis en service lorsque Tcapteur>Tstockage+?T1 :

· Si T1(température d'homogénéisation du circuit primaire)>Tstockage+?T1, le régulateur R2 commande la mise en service du circulateur du circuit secondaire.

· Si T1<Tstockage+?T2, la circulation de l'eau dans le circuit secondaire est interrompue

De manière à assurer les bonnes conditions de fonctionnement de l'installation, il est conseillé de prendre ?T1=6k et ?T2=2k

L'unité de stockage

Le stockage de l'énergie captée permet de palier le caractère discontinu de l'énergie solaire.

Pour le dimensionnement du stock, on définit le volume du stock en fonction de la quantité d'eau chaude nécessaire pour le besoin de climatisation

Le débit massique d'eau qui circule a été calculé à:qe=8,12kg/sec; soit qe= 29232kg/h

On a donc un débit de 29,2 litres/h.

Ainsi donc le volume du stock V doit être supérieur ou égal à 29,2 litres

D'où V = 30 litres

CHAPITRE III : ETUDE TECHNICO-ECONOMIQUE

Au stade de l'étude préalable, l'évaluation technico-économique doit être réalisée dans une perspective de garanties de résultats sur l'installation solaire.

Cette étude consiste à évaluer l'investissement pour l'installation solaire, pour la distribution et l'émission de froid dans le cas de la machine à sorption ou soit l'investissement pour la centrale de traitement d'air dans le cas du système à dessiccation.

III. 1. Estimation du chiffre d'investissement

L'investissement comprend l'ensemble des coûts relatifs à la conception de l'installation, aux équipements et leurs transport,à leur installation et à la formation des personnels d'exploitation et de maintenance.

En raison des économies qu'on peut réaliser sur l'installation des capteurs solaires à eau, le coût spécifique des capteurs et supports est d'environ 700€/m² de surface [Cf. Bibliographie 11]

Or dans le cas d'espèce, nous avons 6,7m² de surface du champ des capteurs solaires. D'où le coût des capteurs est de: 700 x 6,7 = 4690€

a) Système fermé

Le coût propre d'une machine à sorption est d'environ 25000€.

Pour une période d'observation de 12 mois, le coût annuel de fonctionnement et de maintenance vaut environ 12000€. [Cf. Bibliographie 11]

Ainsi donc le coût d'investissement du système, hors mis coût de télé suivi sera de :

Cinv = 4690+25000+12000 = 41690€

Il est bien claire qu'en incluant le coût de l'énergie utilisée par le système d'appoint et les équipements auxiliaires (pompes, réchauffeurs,...) et en tenant compte des surcoûts spécifiques liés à l'implantation géographique,le chiffre d'investissement sera revu à la hausse.

Ainsi donc dans le cas de notre travail, en tenant compte du coût additionnel,si nous optons pour le système fermé le chiffre d'investissement total sera d'environ: 65000€.

b) Système ouvert

Le coût spécifique de l'unité d'air conditionné est d'environ 9,5€/m 3 de débit nominal d'air (hors mis coût d'installation). [Cf. Bibliographie 11]

Or le débit nominal d'air est de 1800 m 3/h.

D'où le coût sera de: 9,5 x 1800 = 17100€

Le coût annuel de fonctionnement et de maintenance étant de 12000€.

Le coût d'investissement est d'environ : 4690+17100+12000 = 33790€.

Ainsi donc en tenant compte du coût additionnel, lorsque nous optons pour un système ouvert, le coût d'investissement sera d'environ : 60.000 €.

III. 2. Conclusion

Nous disons que les coûts d'investissement de ces systèmes, hors subventions, sont assez sensiblement au-dessus des équipements conventionnels. Ceci peut être moins vrai pour les systèmes à dessiccation, puisqu'une grande partie de la centrale de traitement d'air d'une installation de rafraîchissement solaire se rapproche de celle d'une installation classique;le coût additionnel du champ des capteurs est partiellement compensé par l'absence du groupe de froid qui est nécessaire dans un système classique.

En général et bien que le bilan économique soit propre à chaque installation, le coût complet annuel (incluant l'investissement, les coûts de fonctionnement et de maintenance) est supérieur à celui d'une installation conventionnelle.

CONCLUSION ET SUGGESTIONS

De nos résultats, nous pouvons dire qu'il est possible de concevoir au moyen du

rayonnement solaire un système de climatisation d'une salle de conférence, localisée

à Lubumbashi, dont la surface du champ des capteurs a été dimensionnée à 6,7m², la

technologie choisie est soit l'une ou l'autre de deux techniques décrites, ayant une

capacité de 96,219 KW froid.

Le ballon de stockage tampon, dimensionné à une capacité de 30 litres a pour

mission d'éviter l'arrêt de la machine pendant le passage des nuages. Il faut noter que

la tour de refroidissement, ainsi que les techniques de distribution du froid, non

abordées ici, sont les mêmes que celles utilisées pour la climatisation classique.

Particulièrement pour ces types d'installation l'absence des pièces mécaniques en

mouvement conduit en conséquence à une durée de vie nettement plus longue que les

groupes de réfrigération classique.

Il convient de suggérer que pour la réalisation de ce projet, il faudra également

envisager la mise au point d'un système de télé suivi pour le contrôle direct et global

de l'installation, aussi se pencher sur l'étude relative à l'aménagement du site et à

l'implantation du système solaire. Il faudrait aussi penser à la formation d'un

personnel de maintenance pour garantir la longévité de l'installation.

Certes, nous sommes conscients de n'avoir pas tout épuisé, mais nous pensons que

certaines idées que nous avons émises au cours de ce travail, pourront servir

modestement de base à quiconque tentera de faire une étude approfondie en rapport

avec ce sujet.

Sachant que toute oeuvre humaine,ne manque jamais d'imperfections; nous restons

ouverts aux suggestions et critiques, de nos lecteurs, afin d'enrichir nos prochaines

publications.

BIBLIOGRAPHIE

1. Production du froid,

Par

Jean CONAN

Ingénieur Agronome

Ingénieur Frigoriste

Directeur technico- commercial de Brissonneau -Yorck S.A

2. Conception et calcul des proçedés de climatisation:

Par

M. BRUN et G. PORCHER

Anciens élèves de l'ENSET

3. Guide de climatisation solaire:

Par

- MARC DELORME, REINHARD SIX: Rhonalpenergie-Environnement (France)

- DANIEL MUGNIER, JEAN-YVES:TECSOL (France)

- NADJA RICHLER:O Ö Energiesparverband(Autriche)

Actaes éditions (Lyon): Septembre 2004

10 rue des Archers -69002Lyon

TEL:0478372914 /FAX:0478376491

4. Thermiques solaires: MODULE I;

Yves Jeannot

Octobre 2003

5. Thermiques solaires: MODULE II;

Yves Jeannot

2005

6. Air humide:

Yves Jeannot

Septembre 2005

7. Le manuel du chauffe-eau solaire collectif en 3 parties:

- ECS Solaire 1;

- ECS Solaire 2;

- ECS Solaire 3.

8. Le soleil Energie de L'Espoir: JACQUES PONCIN; 1980 by Rossel Edition.

9. Cours de climatisation: Par, Prof. SUMUNA (polytechnique; Grade).

10. Cours de machines frigorifiques: Par, Prof. MULAPI (polytechnique; Grade)

11. Sites Internet:

-Programme bilantherm (calculs bilans thermiques):

http://www.thermexcel.com/french/program/psychrom.htm

-Programme Psychro.SI (calcul psychrométrique):

http://www.thermexcel.com/french/program/psychrom.htm

-Chauffe- Eau Solaire:

http://www.tecsol.fr/lettres/articles/documents/ECS

-Climatisation solaire:

http://www.rhonalpenergie-environnement.asso.fr/climatisation

-EU Project SACE- Solar Air Conditioning in Europe:

http://www.ocp.tudelft.nl/ev/res/sace.htm

-Projet Européen Altener:Promotion de la climatisation solaire

http://www.raee.org/climatisationsolaire/

TABLE DES MATIERES

Pages

DEDICACE ....................................................................... I

AVANT-PROPOS ....................................................................... II

INTRODUCTION ....................................................................... 1

Ière Partie : Partie Théorique

Chapitre I : GENERALITE ............................................................... 3

- Principes de base de la climatisation ......................................... 3

- Energie solaire ..................................................................... 14

IIème Partie : Partie Expérimentale

Chapitre II : CONCEPTION ET DIMENSIONNEMENT DES

COMPOSANTS DE L'INSTALLATION SOLAIRE .................. 18

II.1. Calcul de la charge thermique ....................................................... 18

II.2. Sélection de la technologie de rafraîchissement la plus adaptée ........... 23

II.3. Dimensionnement des composants .................................................. 27

Chapitre III : ETUDE TECHNICO-ECONOMIQUE ...................................... 36

CONCLUSION & SUGGESTIONS .......................................................... 38

BIBLIOGRAPHIE ................................................................................. 39

TABLE DES MATIERES ......................................................................... 40