Solutions hybrides adiabatiques

Quand les technologies collaborent pour proposer des solutions de rafraîchissement plus durables

Dans un monde où les besoins en rafraîchissement ne cessent de grandir, il est cohérent de se demander ce que le refroidissement adiabatique, utilisé depuis le néolithique, peut nous apporter. Pourtant ce principe naturel a eu largement le temps de faire ses preuves et a permis à de nombreuses civilisations de pouvoir vivre dans les conditions les plus chaudes et arides sans impact sur leur environnement.

Perçue comme une alternative à la climatisation, le fait que cette technologie ne produise que du froid, ainsi que ses limites dans certaines conditions climatiques, a pu restreindre son usage. En l’associant à un circuit frigorifique, il est pourtant possible d’en tirer le meilleur.

C’est ce que propose ETT (Energie Transfert Thermique) en développant des solutions hybrides (combinaison des technologies « thermodynamique » et « adiabatique ») garantissant à la fois la performance et les économies d’énergie. Le principe est de prioriser le refroidissement adiabatique tant que les conditions climatiques le permettent, puis d’avoir recours à la climatisation thermodynamique lorsque cela devient la seule alternative pour l’atteinte de la consigne.

1. Bref retour sur le principe :

Le refroidissement adiabatique se produit par évaporation d’eau. L’eau, arrivée sous forme liquide dans l’unité, entre en contact avec l’air à traiter non saturé en humidité, puis s’évapore plus ou moins rapidement en fonction de la température et de l’humidité relative de l’air. En absorbant l’énergie sensible contenue dans l’air, l’eau s’évapore en même temps qu’elle provoque la chute de température de celui-ci. Le bilan énergétique est neutre car il y a autant d’énergie sensible perdue par l’air que d’énergie latente gagnée sous forme de vapeur d’eau.

2. Choix technologique

ETT a fait le choix d’intégrer une technologie de ruissellement sur média. Contrairement aux technologies de dispersion d’eau dans le flux d’air (brumisation/atomisation) soumises à l’ICPE 2921, le ruissèlement sur média n’est astreint à aucune contrainte réglementaire.

L’eau passe en effet directement de l’état liquide à l’état gazeux. La molécule de vapeur d’eau étant 3700 fois plus petite que la bactérie Legionella, elle ne peut pas véhiculer celle-ci d’où l’absence de risque de contamination. Les vitesses de passage de l’air à travers le média sont bien trop faibles pour causer un entraînement de gouttelettes.

3. Connaître les besoins et les contraintes climatiques 

Le refroidissement adiabatique est un principe naturel. L’évaporation de l’eau, et donc le rafraîchissement de l’air, dépend du niveau de saturation de celui-ci en vapeur d’eau.

Ainsi, l’abaissement de température est limité dans les zones tropicales. Par 32°C avec 80% d’humidité relative, la température en sortie d’échangeur adiabatique ETT est de l’ordre de 28°C. Il est alors difficile de garantir un niveau de confort acceptable dans le bâtiment.

Dans un climat continental à 35°C, l’humidité relative est de l’ordre de 30%. On obtient alors des températures de sorties inférieures à 23°C pour les échangeurs les plus performants.

Le diagramme de l’air humide montre l’évolution de la température de l’air en suivant les isenthalpiques (énergie constante). La qualité des médias choisis par ETT permet de garantir une efficacité supérieure à 90% et ainsi donc une température de sortie d’air la plus basse possible via ce type de procédé.

Les diagrammes ci-dessous rendent compte de campagnes de mesures (températures et hygrométries extérieures) pour différentes villes françaises.
A l’heure la plus chaude de Paris en 2022 (39,1°C), l’humidité relative passe en dessous de 20%. Il est donc clairement possible d’assurer un niveau de confort acceptable même en période de canicule.
Pour les zones plus humides comme la côte d’azur, l’humidité relative reste le plus souvent en dessous de 40% lors des heures où il fait le plus chaud.

Dans la moitié nord de la France, même en bord de mer, à une température extérieure élevée correspond une humidité relative faible comme à La Hague le 9 août ou à Brest le 18 juillet, toujours en 2022. S’il est vrai que la température est généralement basse et l’humidité relative élevée dans ces zones géographiques, l’humidité relative baissera de manière significative et l’adiabatique sera très efficace dès qu’il fera chaud.

Il est acquis que le refroidissement adiabatique est pertinent pour un nombre conséquent d’heures en périodes estivales sous nos climats tempérés.

4. Solutions hybrides avec adiabatiques direct

Le refroidissement adiabatique direct se caractérise par le fait que l’air à traiter (repris ou neuf) est celui qui, suite à son passage à travers le média humidifié, est refroidi puis soufflé directement dans le volume.

Sa température de sortie dépend donc directement des conditions climatiques (Température et Hygrométrie) qu’il avait avant de passer dans le module. Ce processus se déroule tant que la température du mélange « air soufflé/air ambiant » dans la zone d’occupation se maintient autour de la consigne de température intérieure.

Dès que le capteur de température intérieure décèle que l’on s’élève au-dessus de la consigne, le circuit frigorifique prend le relais pour revenir au niveau de la température intérieure visée et donc assurer en continu le niveau de confort exigé par l’utilisateur.

Bien évidemment, en période hivernale, le circuit thermodynamique assure le chauffage. L’intégralité du maintien en confort du local sur l’année est donc assurée par une seule et même machine.

Concernant l’hygrométrie ambiante, si l’humidité relative augmente (mesurée généralement entre 55% et 60%), cela n’induit pas d’inconfort car on reste dans la fourchette des conditions idéales pour le corps humain (entre 50% et 60%).

La notion de confort est aussi à associer à un renouvellement d’air efficace et permanent. En fonctionnement « tout air neuf », l’air est renouvelé mécaniquement grâce au ventilateur. La surpression engendrée par cette introduction d’air frais chasse les calories par les ouvertures ou extractions existantes en hauteur.

Mais il est aussi possible, lorsque la qualité d’air au sein du bâtiment est telle qu’elle ne nécessite pas présentement de renouvellement d’air, de refroidir en adiabatique l’air repris. Celui-ci étant moins chaud que l’air neuf extérieur, ce mode occasionne de réelles économies de consommation d’eau.  C’est pour cela qu’ETT a intégré à la régulation de sa gamme de Roof-Top hybride, une fonction qui calcule et favorise le mode permettant d’obtenir les températures de soufflage les plus faibles. Si c’est le cas en mode « Air repris », celui-ci est privilégié sur le mode « Tout air neuf ».

Bien évidemment, lorsque l’hygrométrie intérieure dépasse la consigne saisie, la machine passe automatiquement en mode « Tout air neuf ».

a. Hybride adiabatique pour le commerce :

Le premier mode de fonctionnement est le free-cooling. Dans l’exemple ci-dessous tant que la température extérieure le permet, et que la température intérieure reste en dessous de 24°C, c’est le mode privilégié par l’automate.

Lorsque la température intérieure franchit 24°C, l’adiabatique prend le relais. La température étant encore fraiche dans le bâtiment et l’air suffisamment sec l’automate choisit de travailler sur l’air repris.

L’humidité relative augmentant dans le bâtiment, l’efficacité adiabatique sur l’air repris baisse. L’automate bascule sur de l’adiabatique tout air neuf.

Enfin, si l’adiabatique ne permet plus de rester en dessous de la consigne choisie, le module adiabatique s’arrête et le circuit frigorifique se met en marche.

B. Hybride adiabatique pour la logistique :

Pour les bâtiments où la charge thermique est très faible comme les entrepôts, il est possible de maintenir une température de 25°C même en insufflant de l’air à des températures supérieures à 20°C. La charge thermique étant le plus souvent solaire, le pilotage d’ouvrant en partie haute ou la mise en marche d’un extracteur pouvant être intégré au Roof-Top permet d’évacuer les calories amassées sous la toiture. Le temps de fonctionnement du circuit frigorifique est ainsi réduit au maximum. En mode refroidissement, l’automate contrôle en permanence la température de reprise et bascule en adiabatique tout air neuf, maintenant le bâtiment en surpression et à la température intérieure exigée.

c. Hybride adiabatique pour l’industrie

Pour les applications industrielles, la charge thermique étant conséquente, la température en partie haute peut devenir très élevée et bien supérieure à la température extérieure. Il sera judicieux là aussi de privilégier un fonctionnement tout air neuf qui permettra d’évacuer les calories pour les remplacer par de l’air frais. Les bâtiments industriels disposent souvent d’extraction à la source de certains process nécessitant l’introduction d’air de compensation. L’insufflation d’air frais adiabatique permet d’éviter au bâtiment de se retrouver en dépression tout en le rafraîchissant. Avec un déplacement d’air adapté, même les applications les plus génératrices de chaleurs (mécanique de précision, imprimeries, fonderies, process agroalimentaires, etc..) peuvent être rafraîchies économiquement et efficacement.

d. Solutions hybrides adiabatiques sur site existant :

Disponible en version gainable, ou en version « sac à dos » si possible de le raccorder directement au Roof-Top, le « Kit Adia » permet de réduire les consommations énergétiques et l’empreinte carbone des installations existantes. Dans ces deux cas, le refroidissement adiabatique ne peut s’effectuer que sur l’air neuf.

Version gainable et version « sac à dos »

5. Solutions hybrides avec adiabatique indirect :

Certains sites peuvent présenter des contraintes strictes sur les niveaux de températures ou de poids d’eau intérieurs à maintenir, que ce soit en valeur ou en précision. L’utilisation de l’adiabatique direct peut alors atteindre ses limites. Mais il est toujours possible de profiter des avantages écologiques de l’adiabatique en utilisation indirecte.

Cette technologie s’applique sur des unités de traitement d’air double flux équipées de récupérateur d’énergie.

Le principe est de diminuer la température de l’air repris en le faisant passer dans un module adiabatique avant qu’il ne pénètre dans le récupérateur d’énergie. Sa température étant abaissée, il est alors capable d’emmagasiner, au sein de l’échangeur, encore plus de calories prises à l’air neuf, avant d’être ensuite rejeté vers l’extérieur.

En résumé, l’adiabatique indirect sur une double flux permet donc d’augmenter naturellement le rendement global de récupération tout en ne modifiant en rien le poids d’eau de l’air neuf soufflé. L’énergie latente augmente uniquement dans l’air extrait et rejeté.

La consommation d’eau dans un module adiabatique indirect est toujours plus faible qu’en adiabatique direct puisque l’air repris traité est initialement plus frais que l’air extérieur, l’évaporation est donc moins importante.

6. Economies d’énergies et décarbonation

Connaissant le rendement adiabatique du média utilisé et les conditions (T° et Hr) de l’air en amont, il est possible d’en déduire l’état de ce même air en sortie de la machine et ainsi de savoir si les conditions souhaitées dans le bâtiment sont atteignables.

Ainsi, à partir de la connaissance des conditions climatiques d’un site et des paramètres de confort attendu dans le bâtiment étudié, il est tout à fait possible d’en déduire les temps de fonctionnement en adiabatique et en thermodynamique tout au long d’une saison estivale.

ETT dispose d’une Cellule Performance Energétique capable de réaliser ce type de simulations qui permettent, pour chaque site étudié, d’optimiser les modes de fonctionnement des machines envisagées, de connaître les économies d’énergie réelles qui seront réalisées et donc d’en déduire le temps de retour sur investissement (la plupart du temps entre 1 et 4 ans).

Et pour les clients sensibles à leur empreinte carbone, il est tout à fait possible de fournir des économies en tonnes de CO2 par rapport à une solution classique. Les simulations sont faites sur 15 ans en étudiant les données météorologiques des dernières années et en intégrant le coût des consommables ainsi que l’entretien.

La simulation ci-dessous est un exemple de comparaison des coûts d’exploitation de 5 roof-tops avec ou sans la fonction adiabatique pour une galerie commerciale en région marseillaise.

Sur ce site, on enregistre un gain de 42% sur la consommation estivale par rapport à un appareil non équipé d’adiabatiques.

7. Gestion de l’eau et de la performance

a. Le choix du média adiabatique

Un bon média doit permettre un taux de saturation maximum tout en limitant la perte de charge. ETT a sélectionné un échangeur dont l’efficacité est toujours supérieure à 90% et la perte de charge moyenne est de l’ordre de 100 Pa et jamais au-delà de 130 Pa.

Le média choisi est inorganique avec un classement au feu M0, plus résistant que les médias en cellulose.

b. Déconcentration en minéraux :

Lors du phénomène d’évaporation de l’eau, les minéraux présents initialement dans celle-ci restent dans le bac et leur concentration augmente à chaque cycle remplissage/évaporation.

Si on ne les évacue pas, ils ont tendance à se déposer et se fixer sur le média par le truchement du ruissellement de l’eau pompée dans le bac et cela a un effet négatif sur le rendement adiabatique et la durée de vie des médias.

Dans les unités ETT, cette nécessaire déconcentration en minéraux est gérée par l’automate qui tient compte de la quantité d’eau évaporée et de la dureté de l’eau (Titre Hydrotimétrique : TH), c’est-à-dire sa concentration intrinsèque en minéraux telle qu’elle est fournie sur le site. En fonction de ces paramètres, la déconcentration en minéraux de l’eau sera assurée par des cycles plus ou moins fréquents de vidanges/remplissages en eau du bac.

Ce système de déconcentration automatique, évitant une agrégation trop importante des minéraux sur le média, permet de maintenir l’efficacité des échanges thermiques à un haut niveau et donc assure une économie d’eau (les quantités d’eau évacuées étant de facto moins importantes lors des cycles de vidange).

De plus, associé à une maintenance rigoureuse (stockage hivernal précautionneux des médias notamment), ce système permet d’augmenter de façon significative la durée de vie des médias qui est usuellement de 4 ans.

En période plus fraîche, lorsque l’évaporation d’eau est moindre qu’en période caniculaire, le nombre de cycle journalier vidange/remplissage est moins important puisque la régulation prend justement en compte la quantité d’eau évaporée, ce qui n’est pas le cas des systèmes basés sur des cycles de temps figés ou une dilution permanente à débit constant.

8. Conclusion

Toujours à la recherche de solutions pour optimiser les performances de ses produits, ETT propose aujourd’hui, grâce à ses solutions hybrides adiabatiques, les produits les plus performants du marché avec une très faible empreinte carbone. Le refroidissement adiabatique est une solution neutre pour la planète car l’eau évaporée change d’état mais n’est ni perdue ni polluée, c’est un phénomène isentropique contrairement aux procédés nécessitant plus d’énergie pour fonctionner. Associée à un circuit thermodynamique, cette technologie permet de faire des économies tout en garantissant le maintien en permanence du niveau de confort attendu par les usagers.

Les solutions hybrides adiabatiques d’ETT sont disponibles sur un nombre grandissant de produits pour proposer toujours plus d’économies et de décarbonation.

Par Mr Gérard Gaget, Responsable Prescription