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CONSTRUCTION DURABLE La climatisation solaire envoie de démocratisation
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CONSTRUCTION DURABLE La climatisation solaire envoie de démocratisation

le 27/03/2009  |  EnergieArchitectureRéalisationsPyrénées-OrientalesRhône

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Econome à l’usage, le froid solaire permet de rentabiliser intelligemment les surfaces de capteurs déjà prévues pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire. Quoique conçues initialement pour des applications industrielles éloignées du bâtiment, les machines frigorifiques utilisées s’adaptent aux contraintes du secteur.

Le froid solaire existe, nous l’avons rencontré ! C’était à Lyon, lors du dernier salon des énergies renouvelables, sur le stand de ClimateWell. Paul Kerkhofs, représentant du constructeur suédois en France, le dit sans ambages : « Faire du froid avec du chaud l’été, c’est l’avenir. Et sur le marché résidentiel, il n’y a pas de système plus intégré que le ClimateWell 10 (2 × 10 kW froid). » Encore peu connu en France, cet industriel l’est toutefois davantage en Espagne, où il a récemment inauguré une usine capable de fabriquer plusieurs milliers d’équipements de climatisation solaire par an… S’il est probable que la production se limite plutôt à quelques centaines d’appareils en 2009, ce sera malgré tout un progrès notable pour la filière compte tenu du très faible nombre d’installations actuellement en service dans le monde. En France, malgré l’intérêt croissant des majors (création d’un groupe de travail chez Bouygues Construction, projet d’équipement pour le futur siège d’ETDE…), on n’en dénombre pour l’instant qu’une douzaine.

35 kW froid avec 100 m2de capteurs

En cause, l’inadéquation entre les besoins du BTP et les caractéristiques des machines industrielles capables de transformer en frigories les calories issues d’une source chaude généralement industrielle (processus pétrochimique, centrale électrique…). « Ce n’est que récemment que les fabricants se sont attachés à réduire la taille de leurs machines, initialement très puissantes », observe Julien Heintz, chargé d’études au Centre technique des industries aérauliques et thermiques (Cetiat). Surtout sensible pour les machines thermochimiques à absorption (voir schémas page 70), à l’exemple de ClimateWell, d’EAW, de Phönix, de Rotartica ou encore de Yazaki, cette avancée existe aussi du côté des systèmes à adsorption (sorption solide), cas notamment de la machine ACS 05 de Sortech (5,5 kWf). « Les premières sont basées sur un cycle continu alors que les secondes font appel à un cycle discontinu. Mais les deux techniques se valent », juge François Boudéhenn, ingénieur de recherche au CEA, détaché à l’Institut national de l’énergie solaire. Plus en retrait, le froid évaporatif (ou DEC pour dessicant evaporative cooling) compte néanmoins quelques belles réalisations solaires comme la chambre de commerce de Fribourg, en Allemagne. Avec 100 m2 de capteurs générant 35 kWf (10 200 m3 d’air à l’heure), cette institution parvient ainsi à rafraîchir les 815 m3 de sa principale salle de réunion, d’une capacité de 120 personnes.

Mais qu’il s’agisse d’absorption, d’adsorption ou de DEC, les avantages de la climatisation solaire sont les mêmes, à commencer par l’utilisation d’une énergie renouvelable et gratuite. A l’exception des pompes et du système de contrôle-commande, l’électricité, sauf appoint éventuel, est en effet absente du processus frigorigène. D’où des coefficients de performance (COP) électrique au minimum quatre fois plus élevés que ceux des pompes à chaleur.

Guide de préconisation

L’absence de compresseur électromécanique (et par la même occasion de tout gaz à effet de serre) implique également un silence de fonctionnement appréciable ainsi qu’une longévité accrue. Enfin, c’est lorsque les besoins de rafraîchissement se font le plus sentir que la climatisation solaire s’avère la plus à même de les satisfaire. « Pour autant, c’est avec le chauffage solaire que le rafraîchissement prend tout son sens », insiste Daniel Mugnier, responsable du département climatisation et chauffage solaire au bureau d’études Tecsol. Au sens économique s’entend, les récepteurs (capteurs solaires plans ou tubes sous vide hautes performances) pouvant en l’occurrence être amortis plus rapidement par une double utilisation, tant estivale qu’hivernale. Reste toutefois à rentabiliser l’équipement frigorifique, malheureusement assez onéreux (12 500 euros pour le ClimateWell 10). « Le coût, c’est surtout une question de volume de production », tempère Julien Heintz, pour qui les systèmes de rafraîchissement solaire constitueront certainement un jour une alternative aux actuels splits et multisplits. Pour l’heure, le centre technique s’est engagé dans un programme Prebat baptisé AB-Climsol, dont l’objectif est d’étudier le couplage solaire des petites machines à absorption (5, 10 et 15 kW) susceptibles d’équiper le secteur résidentiel. « Le suivi de certains paramètres clés va nous permettre d’élaborer des modèles numériques qui nous serviront in fine à la rédaction d’un guide de préconisation. Il y a encore des pistes d’optimisation », assure l’expert. Un constat partagé par Rodolphe Morlot, coordonnateur énergies renouvelables et bâtiment à l’Ademe : « Malgré des expériences peu concluantes par le passé, la climatisation solaire mérite aujourd’hui une nouvelle évaluation. Nous allons relancer les projets, avec des financements au cas par cas. »

Les promesses des « dry coolers »

Entre autres améliorations attendues par les professionnels, figure le remplacement des coûteuses et contraignantes tours de refroidissement par des dispositifs compacts non soumis à déclaration préfectorale. « L’un des problèmes de la climatisation solaire est qu’il faut évacuer nettement plus de chaleur qu’on ne produit de froid : 11,9 kW pour 4,9 kWf avec un COP thermique de 0,7 par exemple », explique Hamid Batoul, directeur technique solaire de Schüco. S’il est possible de s’en sortir élégamment en chauffant sa piscine ou en installant des sondes géothermiques, des dissipateurs plus pratiques sont envisageables. A Rivesaltes (Pyrénées-Orientales), la société Sun Power System s’apprête ainsi à commercialiser une solution complète (chauffage, eau chaude sanitaire et climatisation solaires) sur la base de machines ClimateWell ou Sortech associées à des refroidisseurs adiabatiques brevetés (mode évaporatif). « Nous ciblons les propriétaires de maisons individuelles haut de gamme et de petits tertiaires, à qui nous proposons un temps de retour inférieur à six ans par rapport à une installation traditionnelle, subventions déduites », indique Nicolas Letourneau, directeur général de l’entreprise. Non loin de là, à Perpignan, le laboratoire CNRS des procédés, matériaux et énergie solaire (Promes), expérimente pour sa part une machine Sortech couplée à un aérorefroidisseur sec (« dry cooler ») pouvant être refroidi par brumisation d’eau de ville en cas de forte chaleur. Ce laboratoire planche aussi sur des composites à changement de phase (à base de graphite) qui seront peut-être un jour capables d’absorber tous les kWh excédentaires. Une chose est sûre : après des années de sommeil, la climatisation solaire est en ébullition. Pour s’en convaincre, il suffit de se rendre sur les sites Internet de sociétés chinoises très ambitieuses, telles que Broad, ou d’écouter Yann Fevre (Heliosystem), distributeur de la marque de tubes chinoise Apricus : « La demande de climatisation écologique est déjà là. Dans trois ou quatre ans, ce sera l’explosion. »

Rafraîchissement écologique à La Réunion

Si les besoins de chauffage sont quasi inexistants sur l’île de La Réunion, la consommation des climatiseurs pose en revanche un problème d’approvisionnement grandissant aux gestionnaires du réseau électrique local. Dans le même temps, compte tenu de l’humidité ambiante, les aménagements bioclimatiques courants ne suffisent pas à assurer un confort satisfaisant. Particulièrement sensibilisé à ce problème, le département génie civil de l’IUT de Saint-Pierre a donc fait le choix d’un rafraîchissement solaire qu’il exploite depuis l’été 2008 afin d’améliorer le confort de ses salles de travaux dirigés. « Pour qu’un système de ce type fonctionne correctement, il faut de l’eau la plus chaude possible. En l’occurrence, le toit-terrasse de l’établissement a été équipé de 90 m2 de capteurs plans à double vitrage développés spécifiquement et capables de fournir un fluide à plus de 80 °C », indique Hamid Batoul, directeur technique solaire de Schüco, le fournisseur. En aval, l’installation comporte un ballon de stockage d’eau chaude (1 500 l), une machine à absorption EAW à bromure de lithium (30 kWf, température de production de 11 °C), un ballon de stockage d’eau glacée (1 000 l), une tour de refroidissement de 80 kW et treize ventilo-convecteurs. L’électricité est utilisée uniquement pour assurer la circulation de l’eau et le fonctionnement du système de contrôle-commande, piloté à partir d’une soixantaine de points de mesure. Réalisé par Tunzini (groupe Vinci) sous la maîtrise d’œuvre de Tecsol, cet équipement a nécessité un budget de 300 000 euros environ. A noter qu’il a aussi vocation à alimenter des sujets de recherche dans le cadre du projet Rafsol.

Deux procédés de refroidissement en concurrence 1. Absorption (sorption liquide)

Grâce à la chaleur fournie par le panneau solaire, un mélange liquide de réfrigérant et d’absorbant (ammoniac/eau, eau/bromure de lithium…) est porté à ébullition dans le désorbeur. Alors que l’ab­sorbant reste en place, le réfrigérant, plus volatil, s’évapore puis se dirige vers le condenseur, où il cède de la chaleur. Après son passage par un détendeur, ce même réfrigérant, revenu à l’état liquide, peut à nouveau se vaporiser en prélevant cette fois de la chaleur dans le milieu ambiant, qu’il rafraîchit. Cette vapeur se retrouve alors aspirée par l’absorbeur, ce dernier étant dans le même temps alimenté par la solution appauvrie en réfrigérant. Ainsi reconstitué dans ses proportions initiales, le mélange est alors pompé jusqu’au désorbeur, puis le cycle recommence.

2. Adsorption (sorption solide)

L’absorbant liquide cède ici la place à un adsorbant solide, du silicagel par exemple, placé dans deux compartiments identiques jouant alternativement le rôle d’adsorbeur et de désorbeur. Après évaporation dans le compartiment 1, puis condensation et à nouveau évaporation, le réfrigérant (de l’eau dans le cas du silicagel) est adsorbé dans le compartiment 2, maintenu à basse température. Au fur et à mesure que le silicagel du compartiment 1 se libère de son eau, celui du compartiment 2 tend vers la saturation. Au bout d’un certain moment, il suffit d’inverser les caissons et la destination de la chaleur solaire pour entretenir le processus.

L’Ines teste une installationde 4,5 kW froid

Dans le cadre du projet européen Solera, l’Institut national de l’énergie solaire (Le Bourget-du-Lac, Savoie) s’est doté de l’une des plus petites machines à absorption du marché : la Rotartica 045 (4,5 kWf). Associée à 30 m2 de capteurs plans Clipsol et à six ventilo-convecteurs Ciat, elle est mise en œuvre dans une installation conçue par Tecsol qui chauffe et climatise trois bureaux de 15 m2. Point délicat s’il en est, l’évacuation de la chaleur est en l’occurrence réalisée au moyen de 2 200 mètres linéaires de sondes géothermiques horizontales disposées en deux nappes enfouies à 0,75 et 1,1 mètre de profondeur. Mise en place entre août et octobre 2008, l’expérimentation entre aujourd’hui dans sa phase active.

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L’EXPERT Daniel Mugnier, responsable du département climatisation et chauffage solaire chez Tecsol

« Des solutions adaptées au résidentiel sont possibles »

« En France, cela fait près de vingt ans qu’on expérimente la climatisation solaire. Si la technique ne s’est pas développée, cela tient en fait davantage à des raisons économiques et réglementaires, somme toute artificielles, que techniques. En premier lieu, il y a le très faible coût de l’électricité, qui n’incite pas à opter pour des solutions économes en énergie. Ce déséquilibre devrait, selon nous, être compensé par une politique fiscale plus incitative. Ensuite, il y a le prix des machines frigorifiques, certes élevé, mais sans réalité commerciale en l’absence de production de masse. Enfin, il y a le problème de l’évacuation de la chaleur solaire excédentaire, importante du fait d’un faible coefficient de performance thermique. Le stockage par géothermie est une bonne solution mais on bute là aussi sur le coût exagéré des forages. Je note en effet que les tarifs sont nettement plus avantageux en Suède ou en Espagne, par exemple, qu’en France. Comme alternative aux tours de refroidissement, acceptables pour les grandes installations mais beaucoup moins pour les petites du fait de la réglementation légionelles, nous attendons beaucoup des refroidisseurs en circuit fermé appelés ‘‘dry coolers’’. Lorsqu’il fait très chaud, il est malgré tout nécessaire d’en augmenter l’efficacité par aspersion d’eau. Ce qui conduit malheureusement les Drire à les considérer comme des tours… Nous espérons toutefois les convaincre du contraire. L’un de nos chantiers de l’été prochain, à Perpignan, sera d’ailleurs de démontrer qu’un bon réglage des buses d’aspersion permet d’assurer un contrôle parfait de l’évaporation. »

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