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La climatisation solaire
Réalisé par : Helali Ahmed
Année Universitaire:2021/2022
Production de la chaleur: chauffage
 Les capteurs solaires thermiques plans :
 Principe de fonctionnement:
- Une partie du rayonnement qui arrive sur le vitrage traverse celui-ci pour atteindre l’absorbeur.
- Ce dernier s’échauffe et transmet la chaleur au fluide caloporteur qui circule dans les tubes.
- L’absorbeur émet ainsi un rayonnement qui est d’une part absorbé par le vitrage, d’autre part réfléchi par le film placé sur l’isolant.
- L’isolant a pour fonction de limiter les déperditions thermiques avec l’extérieur. En effet, le maximum d’énergie doit être transmis au fluide, il
faut donc limiter les pertes avec l’environnement proche.
Figure 01: Schéma du capteur solaire thermique plan Figure 02:Echanges des flux de chaleur dans le capteur solaire plan
1
 Les capteurs solaires thermiques à air :
-Le principe de fonctionnement est le même mis à part qu’il n’y a pas de pompe de circulation mais des ventilateurs permettant de faire circuler
l’air.
 Les capteurs solaires thermiques sous- vide:
- Un capteur solaire "sous vide" est composé d'une série de tubes transparents en verre de 5 à 15 cm de diamètre.
- Dans chaque tube il y a un absorbeur pour capter le rayonnement solaire et un échangeur pour permettre le transfert de l'énergie thermique.
- Les tubes sont mis sous vide pour éviter les déperditions thermiques convectives de l'absorbeur. Le fluide caloporteur passe successivement dans
chaque tube pour y être chauffé.
- De par sa forme, il peut capter plus de rayons et plus longtemps et permet une montée en température plus importante de 75 à 100°C et Le vide
créé à l’intérieur des tubes permet de réduire conséquemment les déperditions en chaleur.
Figure 03:Photo du capteur solaire "sous vide
2
Systèmes de production de froid/ Partie
frigorifique de installation
 Groupe de production frigorifique conventionnel :
 Principe générale:
- Le principe de base d’une machine frigorifique consiste à extraire de la chaleur d’un milieu à refroidir (air ou eau), et à la
transférer vers un milieu extérieur (eau ou air extérieur).
- Ce transfert d'énergie est réalisé par l'intermédiaire d'un fluide frigorigène soumis en continu à un cycle thermodynamique de
succession de changements d'états liquide/vapeur.
Figure 04:Schéma de la machine frigorifique
3
- Au niveau de l’évaporateur, le fluide frigorigène liquide entre en ébullition et s'évapore
en absorbant la chaleur du fluide extérieur, Ensuite, le gaz formé est légèrement
réchauffé par le fluide extérieur, c'est la phase de surchauffe.
-Le compresseur va aspirer le gaz frigorigène à basse pression et à basse température.
L'énergie mécanique apportée par le compresseur va permettre d'élever la pression et la
température du gaz frigorigène. Une augmentation d'enthalpie en résultera.
-Au niveau du condenseur, le gaz chaud provenant du compresseur va céder sa chaleur
au fluide extérieur. Les vapeurs de fluide frigorigène se refroidissent ("désurchauffe"),
avant l'apparition de la première goutte de liquide. Puis la condensation s'effectue
jusqu'à la disparition de la dernière bulle de vapeur. Le fluide liquide peut alors se
refroidir de quelques degrés (sous-refroidissement) avant de quitter le condenseur.
- La différence de pression entre le condenseur et l'évaporateur nécessite d'insérer un
dispositif "abaisseur de pression" dans le circuit. C'est le rôle du détendeur. Le fluide
frigorigène se vaporise partiellement dans le détendeur pour abaisser sa température.
5
5
 Groupes de production de froid à
absorption:
 Principe de fonctionnement:
• Dans le cas d’une machine à absorption, la compression de
la vapeur n’est pas effectuée via un compresseur, mais
grâce au couplage de deux composants : l’absorbeur et le
générateur.
• Ainsi, la compression du réfrigérant est effectuée en
utilisant une solution liquide réfrigérant/sorbant
(H2O/LiBr;NH3/H2O) et une source de chaleur qui
remplace la consommation électrique d’un compresseur
électrique.
• Evaporation du réfrigérant dans l’évaporateur.
• Le réfrigérant est ensuite dirigé vers l’absorbeur dans
lequel il est absorbé par une solution concentrée
d’absorbant.
• La solution diluée est ensuite pompée vers le générateur
dans lequel l’énergie solaire est utilisée pour chauffer la
solution au dessus de son point d’ébullition .Ainsi, le
réfrigérant et l’absorbant sont séparés .
• Le réfrigérant sous forme vapeur et sous haute pression est envoyé vers le condenseur, et la
quantité restante du mélange dans le générateur est appauvrie en réfrigérant passe vers
l'absorbeur .
• La vapeur du réfrigérant se condense dans le condenseur.
• La pression du réfrigérant est ensuite brutalement réduite en passant à travers une vanne de
détente avant de retourner dans l’évaporateur.
6
 Construction des cycles et utilisation des diagrammes :
 Diagramme d'Oldham:  Diagramme de Merkel:
7
Bilan
massique
débit d’eau : m°
Débit solution pauvre : d°
Débit solution pauvre : c°
Bilan
entahlpique
Condenseur:
m°(h1-h7)
Évaporateur:
m°(h3-h2)
Générateur:
m°h7+c°h6-d°h5
L’absorbeur:
d°h4-m°h3-c°h8
Pompe :
d°(h5-h4)
8
Pas de fluide
frigoporteur nocif
pour l’environnement
Pas de compression
mécanique (et peu de
pièces en mouvement)
donc limitation du
bruit et des vibrations
Coût énergétique
intéressant par
rapport à l’électricité.
Maintenance
simplifiée
Avantages
Rendement énergétique
faible de l’ordre de 0,5 à
0,8
Nécessité de grande
surface de captation
Coût d’investissement
important à cause de la
cherté des capteurs à
haute
performance
Utiliser à l’heure actuelle
uniquement pour produire
des grandes puissances
frigorifiques.
Inconvénients
9
 Groupes de production de froid à adsorption:
 Principe de fonctionnement:
• Au début de cycle, les vannes V1, V2 et V3 sont fermées, l’adsorbeur se trouve à sa
température minimale, l’adsorbant est chargé d’une masse maximale d’adsorbat.
• En chauffant l'adsorbeur, la pression du gaz adsorbé augmente au fur et à mesure que sa température
augmente, la masse adsorbée reste constante.
• Lorsque la pression atteint celle du condenseur(pression haute), la vanne V2 s’ouvre, la vapeur désorbée
circule vers le condenseur où elle se liquéfie à la température de condensation et le condensât est stocké dans le réservoir.
• Le chauffage continue jusqu’à ce que l’adsorbeur soit en équilibre avec la température de la source chaude où la température atteint sa valeur maximale. À ce moment, le
refroidissement de l’adsorbeur commence. Sa pression diminue et la vanne V2 se ferme.
• La vanne V3 s’ouvre, le condensât stocké dans le réservoir se détend et entre dans l’évaporateur .
• Lorsque la pression qui règne dans l’adsorbeur atteint celle de l’évaporateur, la vanne V1 s’ouvre et l’adsorbeur qui se trouve en légère dépression, aspire la vapeur
produite dans l’évaporateur.
• L’effet utile de refroidissement se produit lors de l’évaporation . Le refroidissement de l’adsorbeur continue jusqu’à ce qu’il atteint sa température minimale, où
l’adsorbant est saturé en adsorbat. Les vannes V1et V3 se ferment et un autre cycle commence .
•
10
Il n’y a pas de
pompe à solution
Les consommations
électriques sont
donc
particulièrement
réduites
La température
requise au
générateur est
généralement plus
faible
Robustesse
Avantages
Taille et poids
élevés --------------------
------------------
Coefficient de
performance est
plus faible (de
l’ordre de 0,4 à 0,6)
Inconvénients
11
 Le rafraîchissement évaporatif potentialisé par Dessiccation :
 Principe général:
• Les dispositifs à dessiccation (DEC : Desiccant Evaporative Cooling) sont des systèmes de déshydratation ou de
refroidissement de l’air, utilisant de l’eau et une source de chaleur.
• Ce procédé repose sur le principe physique suivant : l’évaporation de la vapeur d’eau dans l’air sec réduit la température et
augmente l’humidité absolue de l’air.
• La dessiccation exploite un double échange de frigories et d’humidité entre les flux d’air entrant et sortant (air de
régénération) d’un bâtiment. Cette circulation d’air est généralement assurée par une centrale de traitement d’air.
12
 Principe de fonctionnement:
Air entrant:
 Filtration de l’air .
 Déshumidification: l’air passe dans une roue dessiccatrice qui lui retire une
grande partie de son humidité et augmente par là même sa température.
 Passage dans un échangeur de chaleur : l’air entrant et sec revient à
température de l’air extrait, lui-même refroidit au maximum de l’air
sortant.
 Réhumidification: au contact avec l’air sec, l’eau pulvérisée s’évapore en
prenant à l’air la chaleur latente de vaporisation nécessaire, ce qui se
traduit par une diminution de sa température et permet de rétablir un taux
d’humidité acceptable .
 Ventilation.
Air sortant:
 Rafraîchissement par humidification: l’air extrait est saturé en humidité
afin d’abaisser au maximum sa température, et donc abaisser au maximum
la température de l’air entrant à l’étape suivante.
 l’air extrait est chauffé afin de lui permettre d’absorber encore plus
d’humidité; d’abord par récupération de la chaleur de l’air entrant, puis
par chauffage dans le radiateur au travers d’une boucle solaire.
 Régénération de la roue dessiccatrice: l’air extrait, chauffé de 45 à 90 °C
permet de vaporiser les molécules d’eau retenues dans les pores de la
roue à sorption. De cette manière, la roue dessiccatrice peut de nouveau
absorber l’humidité de l’air entrant.
13
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  • 1. La climatisation solaire Réalisé par : Helali Ahmed Année Universitaire:2021/2022
  • 2. Production de la chaleur: chauffage  Les capteurs solaires thermiques plans :  Principe de fonctionnement: - Une partie du rayonnement qui arrive sur le vitrage traverse celui-ci pour atteindre l’absorbeur. - Ce dernier s’échauffe et transmet la chaleur au fluide caloporteur qui circule dans les tubes. - L’absorbeur émet ainsi un rayonnement qui est d’une part absorbé par le vitrage, d’autre part réfléchi par le film placé sur l’isolant. - L’isolant a pour fonction de limiter les déperditions thermiques avec l’extérieur. En effet, le maximum d’énergie doit être transmis au fluide, il faut donc limiter les pertes avec l’environnement proche. Figure 01: Schéma du capteur solaire thermique plan Figure 02:Echanges des flux de chaleur dans le capteur solaire plan 1
  • 3.  Les capteurs solaires thermiques à air : -Le principe de fonctionnement est le même mis à part qu’il n’y a pas de pompe de circulation mais des ventilateurs permettant de faire circuler l’air.  Les capteurs solaires thermiques sous- vide: - Un capteur solaire "sous vide" est composé d'une série de tubes transparents en verre de 5 à 15 cm de diamètre. - Dans chaque tube il y a un absorbeur pour capter le rayonnement solaire et un échangeur pour permettre le transfert de l'énergie thermique. - Les tubes sont mis sous vide pour éviter les déperditions thermiques convectives de l'absorbeur. Le fluide caloporteur passe successivement dans chaque tube pour y être chauffé. - De par sa forme, il peut capter plus de rayons et plus longtemps et permet une montée en température plus importante de 75 à 100°C et Le vide créé à l’intérieur des tubes permet de réduire conséquemment les déperditions en chaleur. Figure 03:Photo du capteur solaire "sous vide 2
  • 4. Systèmes de production de froid/ Partie frigorifique de installation  Groupe de production frigorifique conventionnel :  Principe générale: - Le principe de base d’une machine frigorifique consiste à extraire de la chaleur d’un milieu à refroidir (air ou eau), et à la transférer vers un milieu extérieur (eau ou air extérieur). - Ce transfert d'énergie est réalisé par l'intermédiaire d'un fluide frigorigène soumis en continu à un cycle thermodynamique de succession de changements d'états liquide/vapeur. Figure 04:Schéma de la machine frigorifique 3
  • 5. - Au niveau de l’évaporateur, le fluide frigorigène liquide entre en ébullition et s'évapore en absorbant la chaleur du fluide extérieur, Ensuite, le gaz formé est légèrement réchauffé par le fluide extérieur, c'est la phase de surchauffe. -Le compresseur va aspirer le gaz frigorigène à basse pression et à basse température. L'énergie mécanique apportée par le compresseur va permettre d'élever la pression et la température du gaz frigorigène. Une augmentation d'enthalpie en résultera. -Au niveau du condenseur, le gaz chaud provenant du compresseur va céder sa chaleur au fluide extérieur. Les vapeurs de fluide frigorigène se refroidissent ("désurchauffe"), avant l'apparition de la première goutte de liquide. Puis la condensation s'effectue jusqu'à la disparition de la dernière bulle de vapeur. Le fluide liquide peut alors se refroidir de quelques degrés (sous-refroidissement) avant de quitter le condenseur. - La différence de pression entre le condenseur et l'évaporateur nécessite d'insérer un dispositif "abaisseur de pression" dans le circuit. C'est le rôle du détendeur. Le fluide frigorigène se vaporise partiellement dans le détendeur pour abaisser sa température. 5
  • 6. 5
  • 7.  Groupes de production de froid à absorption:  Principe de fonctionnement: • Dans le cas d’une machine à absorption, la compression de la vapeur n’est pas effectuée via un compresseur, mais grâce au couplage de deux composants : l’absorbeur et le générateur. • Ainsi, la compression du réfrigérant est effectuée en utilisant une solution liquide réfrigérant/sorbant (H2O/LiBr;NH3/H2O) et une source de chaleur qui remplace la consommation électrique d’un compresseur électrique. • Evaporation du réfrigérant dans l’évaporateur. • Le réfrigérant est ensuite dirigé vers l’absorbeur dans lequel il est absorbé par une solution concentrée d’absorbant. • La solution diluée est ensuite pompée vers le générateur dans lequel l’énergie solaire est utilisée pour chauffer la solution au dessus de son point d’ébullition .Ainsi, le réfrigérant et l’absorbant sont séparés . • Le réfrigérant sous forme vapeur et sous haute pression est envoyé vers le condenseur, et la quantité restante du mélange dans le générateur est appauvrie en réfrigérant passe vers l'absorbeur . • La vapeur du réfrigérant se condense dans le condenseur. • La pression du réfrigérant est ensuite brutalement réduite en passant à travers une vanne de détente avant de retourner dans l’évaporateur. 6
  • 8.  Construction des cycles et utilisation des diagrammes :  Diagramme d'Oldham:  Diagramme de Merkel: 7
  • 9. Bilan massique débit d’eau : m° Débit solution pauvre : d° Débit solution pauvre : c° Bilan entahlpique Condenseur: m°(h1-h7) Évaporateur: m°(h3-h2) Générateur: m°h7+c°h6-d°h5 L’absorbeur: d°h4-m°h3-c°h8 Pompe : d°(h5-h4) 8
  • 10. Pas de fluide frigoporteur nocif pour l’environnement Pas de compression mécanique (et peu de pièces en mouvement) donc limitation du bruit et des vibrations Coût énergétique intéressant par rapport à l’électricité. Maintenance simplifiée Avantages Rendement énergétique faible de l’ordre de 0,5 à 0,8 Nécessité de grande surface de captation Coût d’investissement important à cause de la cherté des capteurs à haute performance Utiliser à l’heure actuelle uniquement pour produire des grandes puissances frigorifiques. Inconvénients 9
  • 11.  Groupes de production de froid à adsorption:  Principe de fonctionnement: • Au début de cycle, les vannes V1, V2 et V3 sont fermées, l’adsorbeur se trouve à sa température minimale, l’adsorbant est chargé d’une masse maximale d’adsorbat. • En chauffant l'adsorbeur, la pression du gaz adsorbé augmente au fur et à mesure que sa température augmente, la masse adsorbée reste constante. • Lorsque la pression atteint celle du condenseur(pression haute), la vanne V2 s’ouvre, la vapeur désorbée circule vers le condenseur où elle se liquéfie à la température de condensation et le condensât est stocké dans le réservoir. • Le chauffage continue jusqu’à ce que l’adsorbeur soit en équilibre avec la température de la source chaude où la température atteint sa valeur maximale. À ce moment, le refroidissement de l’adsorbeur commence. Sa pression diminue et la vanne V2 se ferme. • La vanne V3 s’ouvre, le condensât stocké dans le réservoir se détend et entre dans l’évaporateur . • Lorsque la pression qui règne dans l’adsorbeur atteint celle de l’évaporateur, la vanne V1 s’ouvre et l’adsorbeur qui se trouve en légère dépression, aspire la vapeur produite dans l’évaporateur. • L’effet utile de refroidissement se produit lors de l’évaporation . Le refroidissement de l’adsorbeur continue jusqu’à ce qu’il atteint sa température minimale, où l’adsorbant est saturé en adsorbat. Les vannes V1et V3 se ferment et un autre cycle commence . • 10
  • 12. Il n’y a pas de pompe à solution Les consommations électriques sont donc particulièrement réduites La température requise au générateur est généralement plus faible Robustesse Avantages Taille et poids élevés -------------------- ------------------ Coefficient de performance est plus faible (de l’ordre de 0,4 à 0,6) Inconvénients 11
  • 13.  Le rafraîchissement évaporatif potentialisé par Dessiccation :  Principe général: • Les dispositifs à dessiccation (DEC : Desiccant Evaporative Cooling) sont des systèmes de déshydratation ou de refroidissement de l’air, utilisant de l’eau et une source de chaleur. • Ce procédé repose sur le principe physique suivant : l’évaporation de la vapeur d’eau dans l’air sec réduit la température et augmente l’humidité absolue de l’air. • La dessiccation exploite un double échange de frigories et d’humidité entre les flux d’air entrant et sortant (air de régénération) d’un bâtiment. Cette circulation d’air est généralement assurée par une centrale de traitement d’air. 12
  • 14.  Principe de fonctionnement: Air entrant:  Filtration de l’air .  Déshumidification: l’air passe dans une roue dessiccatrice qui lui retire une grande partie de son humidité et augmente par là même sa température.  Passage dans un échangeur de chaleur : l’air entrant et sec revient à température de l’air extrait, lui-même refroidit au maximum de l’air sortant.  Réhumidification: au contact avec l’air sec, l’eau pulvérisée s’évapore en prenant à l’air la chaleur latente de vaporisation nécessaire, ce qui se traduit par une diminution de sa température et permet de rétablir un taux d’humidité acceptable .  Ventilation. Air sortant:  Rafraîchissement par humidification: l’air extrait est saturé en humidité afin d’abaisser au maximum sa température, et donc abaisser au maximum la température de l’air entrant à l’étape suivante.  l’air extrait est chauffé afin de lui permettre d’absorber encore plus d’humidité; d’abord par récupération de la chaleur de l’air entrant, puis par chauffage dans le radiateur au travers d’une boucle solaire.  Régénération de la roue dessiccatrice: l’air extrait, chauffé de 45 à 90 °C permet de vaporiser les molécules d’eau retenues dans les pores de la roue à sorption. De cette manière, la roue dessiccatrice peut de nouveau absorber l’humidité de l’air entrant. 13