etude du potentiel de rafraichissement dun systeme evaporatif par desorption avec regeneration...
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ETUDE DU POTENTIEL DE RAFRAICHISSEMENT D’UN SYSTEME EVAPORATIF PAR
DESORPTION AVEC REGENERATION SOLAIRE
Chadi Maalouf
LEPTAB- Université de La Rochelle
Dirigée par : E. Wurtz
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PLAN DE L’EXPOSÉ
Description du système
Modélisation et simulations
Suivi expérimental
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PROBLEMATIQUE
Climatiseurs traditionnels
Augmentation de la consommation d’électricité
Réfrigérants nuisibles a l’environnement
Rafraîchissement passif
Limité en période de canicule
Insuffisant pour les bâtiments à charge latente élevée
Solution:
Rafraichissement évaporatif avec régénération solaire
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DESCRIPTION DU SYSTEME
Collecteur solaire
Façade sud vitrée avec protection solaire
Charge interne = occupants + éclairage
Installation de traitement de l’air
Ballon de stockage
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DETAILS DU SYSTEME
Capteur solaire
Roue dessiccante
Echangeur rotatif
Ventilateur
Ballon de stockage
Humidificateurs Local
Air rejeté
Air extérieur Air soufflé
Air extrait
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VENTILATION ET HUMIDIFICATION DIRECTE
Ventilation Humidification directe
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Humidification indirecte
HUMIDIFICATION INDIRECTE
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Mode combiné
HUMIDIFICATION COMBINEE
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Mode dessiccant
FONCTIONNEMENT DU SYSTEME
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MODÉLISATION DES COMPOSANTS DU SYSTÈME
Humidificateurs à température humide constante
Méthode de NUT pour l’échangeur rotatif non hygroscopique et pour l’échangeur de régénération
Ballon de stockage: modèle à température uniforme
Capteur solaire modèle quasi-dynamique prenant en compte la capacité du capteur
Roue dessiccante: modèle développé par Stabat (2002) et utilisé dans ECOCLIM
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0
200
600
1000
1400
1800
air
à la surface du dessiccant
Pression partielle de vapeur d'eau (Pa)
entrée sortie
Air extérieur
FONCTIONNEMENT EN DESHUMIDIFICATION
Air déshumidifié
20 tr/h
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Régénération
Pression partielle de vapeur d'eau (Pa)
1500
2500
3500
air
entréesortie
à la surface du dessiccant
Réchauffeur
FONCTIONNEMENT EN REGENERATION
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a ad
a
w wW 1M V u 0
t v t z
eqamd wwSht
WM
01
z
hu
t
hV
vt
HM aa
ad
macapvfgeqamd TTShTchwwSht
HM
Equation de conservation de masse
Equation de transfert de masse
Equation de transfert d’énergie
Equation de conservation d’énergie
WfwT eqeq ,Equation de l’isotherme de sorption
MISE EN EQUATION
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a meq a.
a
a cm a.
a pa pv a
w h *Sw w
x m
T h *ST T
x m c c w
taps eq -NUT
ape eq
T -T=e
T -T
waps eq -NUT
ape eq
w -w=e
w -w
Deux efficacités par rapport au point d’équilibre de la matrice sont considérées
Pt d’équilibre déterminé en se basant sur la méthode des caractéristiques appliquées aux équations de la roue desiccante (Banks, Close et Maclaine-Cross 1972)
MODELE D’ECOCLIM
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Cas idéal, coefficients d’échanges thermique et massique infinis
T et h sont remplacés par F1 et F2 (les potentiels caractéristiques)
F1, et F2 ne peuvent être déterminés explicitement, seules les trajectoires isopotentielles peuvent être déterminées
MÉTHODE DES CARACTÉRISTIQUES
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Hum. Abs. Kg/kg
Température, °C
SORTIE IDEALE
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OBJECTIFS DES SIMULATIONS
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COUPLAGE AVEC LE BATIMENT
L’air est supposé comme un gaz parfait et il est représenté par un nœud
Le modèle des parois est implémenté en utilisant la méthode des différences finies
Les échanges par rayonnement sont faits en utilisant la méthode de l’enceinte fictive (Walton 1980)
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SIMULATIONS
Etudes paramétriques pour une journée de référence
Utilisation des lignes limites
Simulations saisonnières
Couplage avec l’installation solaire
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ETUDES PARAMETRIQUES EN MODE DESSICCANT
Installation dessiccante couplée à un modèle de bâtiment à un nœud (température de régénération constante)
Conditions de référence:
Efficacité des humidificateurs 0,85
Echangeur rotatif 0,8
Rendement des ventilateurs 0,8
Température de régénération 50°C
Local contient 40 personnes
Eclairage de 600 W
Energie de régénération supposée gratuite
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•Température de régénération
•Efficacité de l’humidificateur de soufflage
•Efficacité de l’humidificateur de retour
•Efficacité de l’échangeur rotatif
•Rendement des ventilateurs
•Débit de régénération autour de la roue dessiccante
•Occupation du local
•Vitesse de l’air dans la roue dessiccante
•Prise en compte des transferts hygrothermiques dans le local
PARAMETRES DE LA SIMULATION
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EFFET DE LA TEMPERATURE DE REGENERATION
18
20
22
24
26
40 45 50 55 60 65 70
T régénération , °C
Tem
pér
atu
re,°
C
0,65
0,675
0,7
0,725
0,75
Hu
mid
ité
rela
tive
, *10
0%
T de soufflage, °C T local, °C Hum. relative local, *100%
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0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
40 45 50 55 60 65 70
T régénération, °C
CO
Pth
erm
iqu
e
0
1,2
2,4
3,6
4,8
6
CO
Pé
lec
triq
ue
COP thermique COP électrique
COEFFICIENTS DE PERFORMANCE
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EFFET DE L’ECHANGEUR ROTATIF
0
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Efficacité de l'échangeur rotatif
CO
Pth
erm
iqu
e
0
1,2
2,4
3,6
4,8
6
CO
Pél
ectr
iqu
e
COPthermiqueCOPélectrique
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UTILISATION DES LIGNES LIMITES
Objectif: Etude du potentiel de l’installation dessiccante en fonction des conditions extérieures.
Définition d’une ligne limite:Dans le diagramme de l’air humide et pour un mode de fonctionnement donné, elle délimite les états de l’air extérieur à partir desquels l’air peut être refroidi à une température de soufflage donnée.
Elle est construite point par point par simulation
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LIGNE LIMITE EN HUMIDIFICATION DIRECTE
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LIGNES LIMITES POUR LES DIFFERENTS MODES DE FONCTIONNEMENT
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APPLICATION AUX LIGNES LIMITES
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SIMULATIONS SAISONNIERES
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LOGIQUE DE FONCTIONNEMENT
Période d’occupation
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Période d’inoccupation:
Plusieurs stratégies possibles ont été comparées
La plus favorable correspond à l’humidification directe
LOGIQUE DE FONCTIONNEMENT
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PARAMETRES CALCULES
i i ref ii
IB= α *(T (t)-T )*δ(T )
Paramètres calculés:
Pourcentage de fonctionnement en mode dessiccant
Qrégénération
Qélectrique
COP thermique saisonnier,COP électrique saisonnier, COP électrique sensible
iIIH HR 70 * T
Indice de besoin
Indice d’inconfort d’humidité
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UTILISATION DU MODE DESSICCANT
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Nice Marseille Ajaccio Carpentras Agen Toulouse Bordeaux La Rochelle Chambery Limoges
% d
'opé
ratio
n en
mod
e de
ssic
cant
(*10
0)
0 vol/h 1.5 vol/h 3 vol/h 6 vol/h 9 vol/h
Po
urc
enta
ge
de
fon
c. e
n m
od
e d
essi
ccan
t, *
100%
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VARIATION AVEC LA TEMPERATURE HUMIDE
y = 0,1234x - 1,7314
R2 = 0,975
y = 0,1116x - 1,6006
R2 = 0,9817
y = 0,1074x - 1,5675
R2 = 0,9804
y = 0,1042x - 1,5284
R2 = 0,9699
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
15 17 19 21
Température, °C
% d
u m
od
e d
essi
ccan
t, (*
100)
0 vol/h
1.5 vol/h
3 vol/h
6 vol/h
9 vol/h
Linéaire (0 vol/h)
Linéaire (1.5 vol/h)
Linéaire (3 vol/h)
Linéaire (9 vol/h)
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CONSOMMATIONS ENERGETIQUES
0
1
2
3
4
5
6
Nice Marseille Ajaccio Carpentras Agen Toulouse Bordeaux La Rochelle Chambery Limoges
En
ergi
e d
e ré
gén
érat
ion
, (m
illie
rs d
e k
Wh
)
0 vol/h 1.5 vol/h 3 vol/h 6 vol/h 9 vol/h
0
0,4
0,8
1,2
1,6
2
Nice Marseille Ajaccio Carpentras Agen Toulouse Bordeaux LaRochelle
Chambery Limoges
Con
som
mat
ion
éle
ctri
qu
e, (
mill
iers
de
kW
h)
0 vol/h 1.5 vol/h 3 vol/h 6 vol/h 9 vol/h
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INDICE DE BESOIN
0
50
100
150
200
250
300
Ajaccio Nice Marseille Bordeaux Toulouse Carpentras
IB (°
C h
)
0 vol/h 1.5 vol/h 3 vol/h 6 vol/h 9 vol/h
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INDICE D’HUMIDITE
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Nice Marseille Ajaccio Carpentras Agen Toulouse Bordeaux LaRochelle
Chambery Limoges
IIH
(%
hr)
c
Sans transfert d'humidité Avec transfert d'humidité
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PERFORMANCE DU SYSTEME
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Carpentras Marseille Chambery Limoges Nice Agen LaRochelle
Ajaccio Toulouse Bordeaux
CO
Pth
erm
ique
et H
R
c
c
0
0,8
1,6
2,4
3,2
4
CO
Pél
ec. (
sens
ible
et t
otal
e)
c
HR COPthermique saisonnierCOPélec. saisonnier COPélec. sensible sais.
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COUPLAGE AVEC LE SOLAIRE:Modes de fonctionnement de l’installation solaire
Déstockage
StockageStockage et régénération
Régénération et déstockageRégénération directe
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COUPLAGE INSTALLATION DESSICCANTE AVEC LE SOLAIRE
Deux concepts sont possibles:
Fonctionnement assisté par le solaire. Utilisation de la fraction solaire pour dimensionner l’installation solaire.
Fonctionnement autonome. Utilisation des simulations saisonnières pour minimiser les heures où les consignes en humidité et température sont dépassées.
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PARAMETRES DE DIMENSIONNEMENT
Fonctionnement autonome:
Indice de besoin (pour l’évaluation du confort)
tTtT refi **IB i
Nombre des heures auxiliaires dans lesquelles l’énergie solaire n’est pas disponible
Fonctionnement assisté:Facteur solaire
)auxiliaire (solaire on totalerégénérati de énergie
solaireon régénérati de énergieSF
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CAS ETUDIES
Fonctionnement V(débit de régénération/
débit de soufflage)
Cas 1 Autonome 1Cas 2 Autonome 0,677Cas 3 Assisté par le solaire 0,677
Temp. humide moyenne
saisonnière diurne (°C)
Temp. humide
max. (°C)
Humidité absolue max. (g /kg air sec)
Marseille 18,87 22,87 14,48
Données météo
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IB
, ° h
eure
s
CAS 1 & 2 (fonctionnement autonome)
Volume de stockage (m3)
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CAS 3 (fonctionnement assisté)
Volume de stockage (m3)
Fra
ctio
n s
olai
re
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SUIVI EXPERIMENTALPARTENAIRES
ARMINES-CEP (DIMENSIONNEMENT ET RÉGULATION)
LE LEPTAB (MESURES EXPÉRIMENTALES)
L’ASDER
ITF (BUREAU D’ÉTUDES)
LA VILLE DE CHAMBÉRY
L’ADEME
LE CONSEIL RÉGIONAL DE LA RÉGION RHÔNE-ALPES
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Vue de l’installation couplée au bâtiment de la maison des énergies de Chambéry
SUIVI EXPERIMENTAL
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ROUE DESSICCANTE
ROUE DESSICCANTE
INDUSTRIEL: KLINGENBURG
ROUE SECO H800/L900 D 695 E 450
MATERIAU CHLORURE DE LITHIUM
Trég 40 à 70°C
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HUMIDIFICATEURS
HUMIDIFICATEURS
TYPE: ULTRASON
FABRICANT: MICROMIST
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INSTALLATION HYDRAULIQUE
BALLON DE STOCKAGE
RECHAUFFEUR ELECTRIQUE
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PILOTAGE DE L’INSTALLATION A AIR
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PILOTAGE DE L’INSTALLATION HYDRAULIQUE
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CONCLUSION ET PERSPECTIVES
Plusieurs méthodes (simulations saisonnières, lignes limites) ont montré que seul, le desiccant cooling est une solution intéressante pour les régions tempérées modérément humides (humidité absolue entre 13 et 16 g/kg d’air sec).
Les simulations ont montré le rôle de chaque composant, elles ont permis de réduire les besoins du système en énergie primaire (ventilation nocturne, by-pass) et de dimensionner l’installation solaire.
SimSPARK est un outil adapté aux études paramétriques complexes.
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Compléter les mesures expérimentales par des mesures sur de longues durées avec une logique de fonctionnement à respecter.
Amélioration de la technologie à travers l’utilisation et le développement d’échangeurs plus performants (à surface de retour humide) ou l’utilisation d’autres matériaux dessiccants.
CONCLUSION ET PERSPECTIVES