D’ Indirect evaporative system

payante (gaz2, batterie électrique), on aura tendance à limiter au maximum l’usage de la roue à dessiccation dans les conditions extrêmes.

La stratégie de contrôle doit satisfaire à deux conditions principales :

 Minimiser les consommations d'électricité liées aux ventilateurs et pompes et d'énergie thermique pour la régénération de la roue à dessiccation ;

 Maintenir la température de consigne à l'intérieur. La puissance de refroidissement du système DEC est généralement limitée et beaucoup plus sensible aux conditions extérieures (températures et humidités spécifiques) que les systèmes de compression mécanique de vapeur.

Par ailleurs, pour l’étude technico-économique, il faut aussi évaluer les consommations d’eau dues à l’évaporation d’eau dans les humidificateurs, lesquelles ne sont pas négligeables. Nous avons eu recours à la simulation dynamique pour étudier les stratégies de régulation, le dimensionnement et l’évaluation des consommations du système DEC (Ginestet al., 2002a) (Ginestet et al., 2002b), (Stabat et al., 2003b).

1.3.1. M

Parmi les nombreux outils de simulation utilisés en énergétique du bâtiment, l’environnement MATLAB®/SIMULINK® (SIMULINK, 1996) a été choisi parce qu’il présente l’avantage de pouvoir programmer facilement différentes stratégies de contrôle.

La bibliothèque SIMBAD (SIMBAD, 2001) a été utilisée pour modéliser le bâtiment. Dans le modèle (Riederer et al., 2000), les équations de bilan d'humidité n'ont pas été considérées. Etant donné l’importance de l’humidité spécifique de l’air pour le système à dessiccation, un modèle de bilan hydrique a été mis en œuvre dans SIMBAD. Ce modèle prend en compte les apports hydriques internes et les différents débits d’air qui transitent dans le local et le stockage dans l’air. Par contre, l’inertie hygroscopique des parois et du mobilier est négligée. Le système DEC a été modélisé sous la forme de blocs pour chaque composant de la centrale de traitement d’air et mis en œuvre dans l'environnement Matlab / Simulink. Les modèles de composants sont issus de la bibliothèque ConsoClim (Bolher et al.,1999) et de (Stabat, 2003a). A l’instar de la roue de dessiccation, l’humidificateur et l’échangeur de chaleur rotatif ont été modélisés avec le souci de la représentativité des différents régimes de fonctionnement, de la rapidité de calcul et de la facilité de paramétrage. L'échangeur de chaleur rotatif a été modélisé en utilisant la formulation empirique en NUT- de (Kays et London, 1984). L’humidificateur par ruissellement a été modélisé à l’aide d'un modèle NUT- (Stabat et al., 2001) permettant de prendre en compte la variation de l'efficacité du composant en fonction du débit d'air.

La stratégie de contrôle de l'installation de climatisation a été mise en œuvre dans l’environnement Matlab/Simulink en utilisant l’outil Stateflow® (Stateflow, 2001). Le système DEC doit être contrôlé pour maintenir la température intérieure à un point de consigne en réglant différents paramètres du système (température de régénération, débit d'air, états ON/OFF des différents composants de la CTA).

Les études ont été menées sur une zone d’un immeuble de bureaux avec pour caractéristiques :

 Une surface au sol de 3 m x 5 m = 15 m²  Une hauteur des pièces de 2,7 m

 Une paroi extérieure de 3 m x 2,7 m, y compris un regardant fixement à double zone de la fenêtre de 3 m x 1 m

L’inertie du bâtiment, les apports internes et solaires ainsi que la zone climatique sont des paramètres clés pour évaluer le potentiel du système DEC. Deux cas d'inertie ont été étudiés, inertie moyenne et lourde selon les règles Th-I de la réglementation thermique française (CSTB, 2000). Deux niveaux de gains internes (Occupants et équipements électriques tels que les ordinateurs, l'éclairage) sont considérés : 10W/m² et 30W/m² pendant l'occupation. Seuls les occupants sont des sources d'humidité, la valeur choisie dans tous les cas est de 7,3g/(h.m²) pendant l'occupation. Les bureaux sont occupés de 8 heures à 18 heures pendant la semaine. Deux niveaux de gains solaires sont pris en compte. Un indice de gain solaire, qui représente le facteur solaire multiplié par surface de la fenêtre et divisé par la surface de plancher a été défini pour agréger les paramètres de gain d'énergie solaire en une seule variable (Tableau 2.11).

Tableau 2.12 : Apports solaires

Inertie Moyenne Lourde

Indice de gain solaire 0.05 0.13 0.05 0.15

Deux zones climatiques françaises sont considérées : Trappes (près de Paris) et Nice. Les données météo sont celles définies dans la réglementation thermique française avec une variation quotidienne de taux d'humidité (Bolher et al., 2001).

1.3.2. S

C

Les stratégies de contrôle du DEC dépendent de l’énergie thermique disponible pour la régénération. Une étude paramétrique a permis d’établir une stratégie de contrôle permettant de s’approcher des critères de confort et de réduire les consommations d’énergie.

a) Energie thermique payante

Si la source d'énergie n'est pas gratuite, la stratégie doit limiter l'utilisation du mode de fonctionnement en dessiccation autant que possible. Le principe consiste à utiliser le refroidissement par évaporation indirecte, aussi longtemps qu’il est suffisant pour obtenir la demande de refroidissement.

Quand les charges internes et externes augmentent au-delà des capacités de refroidissement de l’évaporation indirecte, la roue de dessiccation et l’humidificateur direct sont activés pour fonctionner en mode « DEC ». Dans ce mode, la puissance de refroidissement peut être commandée par la température de régénération de la roue de dessiccation et le débit d'air d'alimentation.

La Figure 2.68 apporte quelques éléments de réponse sur l’impact de l’augmentation de la température de régénération. Elle montre qu'une augmentation de la température de régénération, Treg, de 55 °C à 95 °C améliore faiblement la puissance de refroidissement du

système, la température de l’air en sortie de la CTA est réduite de 16,5 à 14,5 °C alors qu’elle requiert une forte augmentation de la puissance thermique à fournir au réchauffeur.

Figure 2.68 : Représentation psychrométrique d'un système « DEC » pour trois températures de

régénération pour des conditions extérieures de 31°C et 35% d’humidité relative et intérieures de 25°C et 110 g/h d’apports hydriques.

La Figure 2.69 montre les puissances électrique, thermique et de refroidissement pour un point de fonctionnement et pour quatre températures de régénération (40, 55, 75 et 95°C) et trois débits d’air (2, 4 et 6 vol/h). La Figure montre qu’il est plus intéressant de fonctionner avec des débits d’air élevés et des températures de régénération plus faibles.

Le choix de la température de régénération minimum ne peut être pris en dessous d’environ 40°C. En dessous, de cette température, la déshumidification est très faible et la température de soufflage est très proche de la température de soufflage que donnerait un fonctionnement en mode évaporatif.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Température (°C) H u m id ité s p é c ifi q u e (k g /k g a s ) T reg = 95°C T reg = 75°C T reg = 55°C Gain de puissance froid en J/kg

Surplus de chaleur requis (J/kg)

A B C D G H F E

Figure 2.69 : Impact de la température de régénération et du débit de ventilation sur la

puissance de refroidissement, les puissances électriques et thermique du système « DEC » pour des conditions extérieures de 31°C et 35% d’humidité relative et intérieures de 25°C et

110g/h d’apports hydriques.

Une stratégie de contrôle a été proposée visant à minimiser l’utilisation du mode « DEC » les jours de pointe de demande de froid (Figure 2.70). Dans le cas d’une énergie thermique payante, on privilégie le mode évaporatif indirect.

Des contrôles supplémentaires ont été ajoutés dans le but d’éviter le fonctionnement de l’installation quand celle-ci ne peut fournir une puissance de froid avec une efficacité minimale. Un contrôle sur l’écart de température T1 compare le fonctionnement en mode évaporatif indirect au mode ventilation. Si ces deux modes sont autorisés et si T1 > 1°C, la centrale de traitement d’air fonctionnera en mode évaporatif indirect. Un contrôle sur l’écart de température entre l’intérieur et le soufflage, T2, vérifie si la CTA a un potentiel de rafraîchissement important en inoccupation. Si la température de soufflage (TD’) est au moins 4°C inférieure à la température de la pièce (TE), la CTA fonctionne et si TE – TD’ < 3°C, la CTA est arrêtée afin de réduire les consommations.

2 4 6 2 4 6 2 4 6 2 4 6 0 20 40 60 80 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 cas Te m pé ra ture de r é gé né ra tio n (°C) 0 2 4 6 8 10 dé bi t d 'a ir (v ol /h) 0 20 40 60 80 100 120