Intégration d’un système de rafraîchissement par évaporation dans le bâtiment

Abstract

Avec la croissance de la population et le processus d'urbanisation effrénée qui touchent presque la totalité des centres urbains dans le monde, le besoin d'énergie pour le rafraîchissement des espaces ne cesse d'augmenter, en particulier dans les pays émergeants. En rappelant que la consommation d'énergie dans les immeubles varie en moyenne entre 30 et 40 % de l'énergie primaire avec un taux important utilisé pour assurer le confort thermique aux occupants, cette recherche est orientée vers les techniques relatives aux nouvelles méthodes de rafraichissement à moindre coût et écologiques. L’investigation théorique a dévoilé que les systèmes de rafraîchissement par évaporation indirect à point de rosée comptent parmi les plus prometteurs. Leur capacité à utiliser l'évaporation de l'eau pour absorber la chaleur afin d'abaisser la température de l'air sans ajout de l’humidité, est un principe de rafraîchissement peu énergivore et avec un minimum d’impacts sur l'environnement. La partie pratique, a été entamée par la simulation numérique qui a révélé des résultats cohérents avec les données publiées. Ces derniers indiquent aussi que dans des conditions de conception typiques, c'est-à-dire de température sèche de 35°C et de 23,8°C de température humide, le système pourrait atteindre une efficacité du bulbe humide d'environ 112%. Sur la base de ces données et de la sélection des matériaux déterminés à partir d'un ensemble d'essais connexes, une étude expérimentale pilote sous forme d’une investigation d’un prototype du système, menée en laboratoire a permis d’anticiper en partie sur les problèmes susceptibles d’être rencontrés lors de sa mise en œuvre. Cette phase a permis de comparer certains résultats avec ceux obtenus lors des différentes simulations du système. Pendant les essais, celui-ci a prouvé qu’il avait un potentiel de rafraichissement de l’air en faisant baisser la température de 4 à 6°C, entre l’air admis et l’air soufflé. La capacité d'évacuation de l'humidité, la diffusivité et la capacité d'évaporation du matériau utilisé comme substrat humide, peuvent fortement affecter l'efficacité et les performances de rafraîchissement du système. Une variété de matériaux (textiles) tissés à partir de différents types de fibres a été testée expérimentalement et comparée au papier Kraft (couramment utilisé comme substrat humide dans les systèmes de rafraîchissement par évaporation). Il a été constaté que la plupart des échantillons, avaient des propriétés et des qualités d’absorption et de remontée capillaire supérieures. Il a aussi été enregistré que le type de tissage et la compacité du tissu amélioraient la remontée capillaire d'environ 160% à 355%. À partir de nos investigations, il a été conclu que le système étudié peut atteindre des efficacités plus élevées que les systèmes à évaporation indirects typiques à moindre coût. On constate que les efficacités du système dépendent en grande partie de la géométrie des canaux, du débit et de la température de l'air d'admission, de l'humidité et du rapport de l’air secondaire, mais moins de la température de l'eau d'alimentation du substrat. Pour optimiser les efficacités du système, il est suggéré 1) de réduire la hauteur du canal en la maintenant inférieure à 6mm avec une longueur de 1 à 1,4 m;2) que le débit de l'air admis soit entre 0,9 et 1 g/s; et 3) que le rapport de l’air secondaire (retour) à celui de l'air admis soit entre 0,3 et 0,7. Il a été également conclu que le système de point de rosée convenait à la plupart des régions à climat sec, doux et chaud. Pour certaines régions à climat humide, les performances du système seraient trop faibles pour qu’il soit utilisé seul. Un pré-déshumidificateur doit être incorporé pour améliorer ses performances pour une application plus large. La puissance de rafraîchissement d’un seul élément du système à point de rosée varie en fonction de la région où il est utilisé, mais elle se situe généralement entre 1,0 et 6,52W par m3/h de débit d'air. Une étude préliminaire suggère qu’avec des besoins en rafraîchissement pour la période estivale estimés à 1923,23 kWh on obtient des réductions de 39,14% à 77,43% proportionnellement au débit d’air. Comparé au système de rafraîchissement à compression mécanique conventionnel, le système de point de rosée a un potentiel nettement plus élevé pour économiser et réduire les factures d'énergie.