LE PROCÉDÉ ADIABATIQUE

Le procédé adiabatique est un principe naturel et ancestral. Grâce à son faible impact environnemental n’incluant aucun gaz réfrigérant, le procédé revient dans nos actualités. De plus, la consommation électrique est très faible et sans compresseur, pour un investissement souvent plus bas qu’une climatisation.

LE PRINCIPE

Les avancées réalisées ces dernières années permettent des solutions à des besoins et applications de plus en plus étendues : bureaux, locaux d’enseignement, ERP et data centers. Gérard Gaget, Responsable Activité Rafraîchissement Adiabatique pour le Groupe Adexsi, présente un panel des dernières années ainsi que les perspectives de cette solution de rafraîchissement écologique issue d’un principe 100 % naturel.

LE REFROIDISSEMENT ADIABATIQUE

Afin de passer d’un état liquide à un état gazeux, l’eau a besoin d’énergie. La mise en contact de l’air avec l’eau permet l’évaporation de cette dernière, ainsi que l’abaissement de la température de l’air. Un rafraîchisseur adiabatique permet cet échange entre l’air et l’eau, et de fait l’insufflation d’un air plus frais. On parle de refroidissement adiabatique car l’énergie totale de l’air reste la même (si on supprime l’énergie fournie par le ventilateur). L’énergie sensible est transformée en énergie latente sous forme de vapeur d’eau. Ce qui permet d’évaporer l’eau, c’est la chaleur gratuite de l’air, d’où un bilan énergétique substantiellement favorable. Le visuel ci-dessous présente les composants de cette technologie.

Principe du refroidissement adiabatique

LA GENÈSE DU REFROIDISSEMENT ADIABATIQUE

Le principe a été utilisé par toutes les civilisations avant la nôtre. Que ce soit pour l’habitat ou pour maintenir la fraîcheur des aliments. Le refroidissement adiabatique refait son apparition après les premiers chocs pétroliers à la période où on commence à chercher des solutions pour refroidir l’air moins énergivores. Premièrement cantonné aux applications industrielles et aux grands volumes, la technologie a apporté une solution aux réalisations où la climatisation a été trop coûteuse ou peu adaptée. Le principe adiabatique a trouvé sa place entre des solutions d’extraction mécanique renouvelant l’air sans rafraîchir, et des solutions de climatisation coûteuses à l’achat tout comme à l’exploitation. Le but recherché à cette époque a été de maintenir un minimum de confort avec des dépenses moindres.

Ainsi, les fabricants de refroidisseurs d’air adiabatique font également évoluer leurs produits pour offrir une alternative réelle à la climatisation classique et ce pour un nombre grandissant d’applications : ERP, bureaux, enseignement, maisons de retraite, salles de sports, locaux commerciaux, locaux industriels, data centers, …

le dÉveloppement durable et les futures rÉglementation

En 1997, les accords de Kyoto sont ratifiés. Ces derniers entrent en vigueur en 2005. Ils obligent les pays signataires à réduire leur empreinte carbone. L’impact de la climatisation, de ses gaz réfrigérants et des consommations électriques sur le globe est identifié. Les fabricants doivent trouver des réponses au niveau des réfrigérants utilisés, mais aussi au niveau de la performance des produits de climatisation. La solution en refroidissement adiabatique a donc refait surface. Il s’agit en effet d’un principe de rafraîchissement 100 % naturel, simple et efficace : plus l’air extérieur est chaud, et plus le rafraîchissement adiabatique est efficace !

De surcroît, la réduction des émissions de GES (Gaz à Effet de Serre) intégrés dorénavant dans les réglementations européennes et françaises vont engager chaque entreprise, chaque collectivité à s’impliquer dans l’optique d’actions environnementales et bas carbone. Dès 2021, la réglementation prochaine environnementale RE2020 sera une des contraintes primordiales à respecter.

DES APPAREILS DE REFROIDISSEMENT ADIABATIQUE PLUS PERFORMANTS

Exemple de rafraîchisseur par évaporation sur le toit d’un local de grande hauteur

L’expérience des premières années a démontré que le refroidissement par principe adiabatique permettait de générer un confort dans toutes les régions tempérées de la planète ; celles où la chaleur n’était pas associée à une humidité trop forte. Une optimisation des produits a cependant été nécessaire.

UNE BONNE RÉGULATION

La performance du procédé adiabatique est associée à la température et à l’hygrométrie extérieure ; il est donc impossible de choisir une température de soufflage. Mais cette dernière, pour les zones géographiques favorables, est inférieure à 25° même par temps chaud. Il est donc possible de garder une température de confort en adaptant le débit d’air aux apports calorifiques. La température de soufflage est la plupart du temps aux alentours de 23,5°C par 35°C extérieur ; il est possible de maintenir une température mesurée de 28°C correspondant à un ressenti de 26°C pour un déplacement d’air de 1 m/s environ. C’est la variation de vitesse qui permet ainsi de conserver la température de confort souhaitée. Une limite haute d’hygrométrie peut être rajoutée pour s’assurer que l’hygrométrie ne dépasse jamais un certain seuil. Une sonde de température extérieure permet de basculer du mode free cooling (ventilation seule) au mode adiabatique (avec une pompe de circulation d’eau en marche).

UNE MEILLEURE GESTION DE L'EAU

La présence d’eau dans le système entraîne une appréhension liée à la légionellose ; mais il faut savoir que les solutions par ruissellement permettent, grâce à un contact entre l’air et l’eau sur média et sans entraînement de gouttelettes, d’éviter tout risque de transmission de bactéries. Ces solutions sont aujourd’hui préférées à la brumisation où le risque de transmission entraîne des contraintes fortes. L’adiabatique par ruissellement n’est pas soumis à l’ICPE 2921. Une bonne gestion de l’eau permet d’éviter toute eau stagnante en organisant des cycles de renouvellement d’eau. Ces derniers permettent d’éviter l’encrassement en minéraux lié à l’évaporation. La fréquence doit être réglée en fonction du Th (la dureté) de l’eau et de la quantité d’eau évaporée.

DES ÉCHANGEURS ADIABATIQUES PLUS EFFICACES

Le cycle de Maisotsenko associé à certains rafraîchisseurs adiabatiques permet de faire de l’adiabatique indirect avec un seul échangeur et de se rapprocher du point de rosée. Le procédé consiste à faire passer de l’air déjà rafraîchi indirectement au travers d’un échangeur à plaques vers le côté « humide » afin de pouvoir se rapprocher progressivement du point de rosée. Une partie de l’air soufflé passe par des perforations dans la partie humidification de l’échangeur, 20% de l’air soufflé est ainsi perdu dans l’application mais sa température est plus froide. La dépense actuelle de ce type de produit limite pour l’instant son application à des applications de process comme des salles de serveurs, mais ce procédé devrait se développer dans le futur.

L'UTILISATION DE L'EAU RÉsultante pour le premier Étage indirect

L’eau qui n’est pas évaporée verse dans un réservoir pour être recyclée. Elle se retrouve naturellement à une température proche du bulbe humide de l’air (22° C pour une température extérieure de 40° C avec 20 % d’HR). En faisant passer l’eau dans une batterie froide, il est possible de refroidir l’air de façon indirecte sans augmenter le poids d’eau dans l’air. L’air refroidi par ce premier étage passe ensuite à travers un échangeur adiabatique direct avec augmentation du poids d’eau en enthalpie constante.

Les différentes évolutions ont permis au rafraîchissement adiabatique de proposer une alternative pour des applications auparavant réservées à la climatisation. De nombreux ERP ont ainsi été conçus particulièrement dans des constructions de grands volumes où des économies importantes pouvaient être réalisées, aussi bien sur l’échelle des investissements que sur celle de l’exploitation. Un rafraîchisseur adiabatique ne répond qu’à la problématique d’un confort estival. Aujourd’hui, il est devenu important de pouvoir assimiler ce procédé dans des solutions globales en le combinant à d’autres produits.

SOLUTIONS GLOBALES ET REFROIDISSEMENT ADIABATIQUE

LE PROCÉDÉ ADIABATIQUE ADDITIONNÉ À DES CTA DOUBLE-FLUX

Le procédé adiabatique appliqué au rafraîchissement impose un bon renouvellement d’air. Le débit qui passe à travers un média adiabatique doit obligatoirement être supérieur ou égal au débit de renouvellement d’air. Si ce principe est respecté, un module adiabatique peut ensuite être positionné sur l’air neuf, sur l’air soufflé (adiabatique direct avec apport en vapeur d’eau sur l’air neuf) ou sur la reprise (adiabatique indirect sans apport de vapeur d’eau sur l’air neuf). Le positionnement sur la reprise est souvent privilégié pour les ERP et les réalisations tertiaires où la concentration de personnes entraîne une augmentation de la chaleur latente. Il est cependant nécessaire d’avoir un rendement élevé au niveau de la roue ou des échangeurs à plaques afin de ne pas réduire la capacité de rafraîchissement. L’exemple ci-dessous donne les températures restituées pour un rendement global de récupération au niveau de la CTA de 80 %.

Pour toute solution intégrant un module adiabatique, il est important que le pilotage de celui-ci soit optimisé. La CTA ou la GTC ne doit pas mettre en route le free cooling alors que le module adiabatique permet une température de soufflage inférieure à celle de la température extérieure. La sonde de reprise de la CTA doit être déportée pour pouvoir mesurer la température avant le module adiabatique. Dans l’idéal, la CTA doit manœuvrer le processus adiabatique avec un contact demande de froid, et pouvoir réguler la roue en fonction la température en sortie de module adiabatique. L’activation de l’adiabatique permet de ne pas être obligé de patienter qu’il fasse frais à l’extérieur pour rafraîchir dans les périodes d’inoccupation le bâtiment. Un rafraîchissement actif durant 12 heures d’inoccupation permet d’abaisser la température de manière importante et de pouvoir profiter de l’inertie du bâtiment pour les moments les plus chauds.

• Avec des CTA simple-flux : on est alors forcé de faire de l’adiabatique direct avec insufflation de l’air rafraîchi dans l’ambiance, mais ce type de solution est tout à fait probante pour les grands volumes. Il est simplement nécessaire de prévoir un système d’évacuation de l’air naturel ou mécanique. Il est possible en période hivernale d’intégrer une batterie d’eau chaude ou un échangeur gaz. Un caisson de mélange est aussi nécessaire pour limiter l’apport d’air neuf au besoin hygiénique alors qu’on est en tout air neuf en période estivale.
   
• Avec des roof-top : tout roof-top ayant une fonction free cooling il peut potentiellement intégrer une fonction adiabatique. Alors que le circuit thermodynamique se met normalement en fonctionnement dès que la température extérieure augmente, il est possible grâce à la fonction adiabatique de limiter le fonctionnement de la climatisation aux heures les plus chaudes.
   
• Avec des CTA équipées de roues dessiccantes : pour les zones géographiques humides ou par soucis d’optimisation de la réduction de température, des CTA avec roues dessiccantes peuvent être utilisées pour assécher l’air et rendre le refroidissement adiabatique plus efficace. Le coût élevé de ce type de produit n’est justifié que pour des applications de type process, ou lorsqu’il y a à disposition une source de chaleur, la roue dessiccante devant être en permanence asséchée pour être régénérée. Le solaire thermique ou une source d’énergie process peuvent être utilisés.

LES GRANDS AVANTAGES DE LA TECHNOLOGIE ADIABATIQUE

Technologie adiabatique évoluée dans les espaces de grandes hauteurs

Le principal avantage du procédé adiabatique tient en sa faible empreinte carbone. Elle est due à une consommation énergétique moindre. Les consommations énergétiques sont dix fois plus faibles qu’une climatisation traditionnelle. Dans le cas d’un raccordement sur une ventilation existante, les consommations sont carrément négligeables.

En se tournant vers une climatisation, on constate que la chaleur absorbée dans le bâtiment est cumulée à l’énergie du compresseur afin d’être évacuée vers l’extérieur des locaux. Ainsi, en tentant de maintenir de la fraîcheur dans les bâtiments, on réchauffe la planète.

En revenant à l’adiabatique, seule l’énergie nécessaire afin de ventiler est perdue. L’eau évaporée n’est ni perdue, ni polluée. Dans un bâtiment où il faut lutter contre 30 kW d’apport, une climatisation consomme environ 10 kW, alors qu’un caisson adiabatique, seulement 1 kW. La consommation en eau, surtout en période estivale, est d’environ 25 m³ . L’eau utilisée retourne dans l’atmosphère ou dans les eaux de pluies. Il s’agit d’un cycle naturel. L’utilisateur fait des économies d’environ 1 000 € par an, tout en réduisant son empreinte carbone.

Conclusion : le rafraîchissement adiabatique permet des économies d’énergie et une empreinte écologique limitée

• Aucun gaz réfrigérant, ni produit chimique.
• Une consommation électrique très faible.
• Une consommation d’eau optimisée : elle dépend de la température extérieure.
• Une utilisation possible de récupération d’eau de pluie : une double solution écologique.
• L’eau utilisée n’est pas polluée : une partie s’évapore et une autre est évacuée dans les eaux pluviales. Le cycle naturel de l’eau est respecté.
• Aucun risque de légionellose : aucune micro-gouttelette n’est entraînée dans le flux d’air, la vitesse à travers les échangeurs étant trop faible. Les rafraîchisseurs ne sont pas soumis aux arrêtés ministériels du 14 décembre 2013.

RETEX NUMÉRO 1 : URBANSOCCER ANGERS

En 2019, sur le site UrbanSoccer situé à Angers, la climatisation d’origine défaillante a été remplacée par des rafraîchisseurs adiabatiques à soufflage vers le bas. Retour d’expérience sur une solution confortable, saine et rentable.

Rafraîchissement adiabatique au cœur de la plateforme UrbanSoccer à Angers

Une ouverture à travers la toiture a été réalisée par l’agence Nord-Ouest de SIA afin de permettre la mise en place d’un système de diffusion d’air par gaine textile au niveau des couloirs d’accès aux terrains. Cette installation permet de ne pas avoir de gaine directement au-dessus de la zone de jeu ; le système de soufflage longue portée permettant d’amener l’air et de créer un confort thermique sur l’ensemble du terrain.

Aujourd’hui, chacun des cinq espaces indoor de foot de ce centre UrbanSoccer dispose d’un rafraîchisseur autonome permettant une souplesse totale d’utilisation. 

Les rafraîchisseurs fonctionnent en « tout air neuf » eu égard au renouvellement d’air à apporter aux occupants, l’air vicié est donc renouvelé en permanence, pour un air frais, hygiénique et confortable.

Alors que la climatisation assèche l’air, ce qui peut rendre malade, les rafraîchisseurs d’air par évaporation maintiennent une hygrométrie bénéfique pour le corps humain selon les recommandations de la norme NF 7730. L’électricité statique diminue et le bon fonctionnement des machines est assuré.

RETEX NUMÉRO 2 : UN DATA CENTER

Dans un data center, les locaux techniques (salles électriques, serveurs informatiques, etc.) subissent des apports calorifiques importants. Les calories sont générées par le matériel informatique situé à l’intérieur du local.

Schéma d'une climatisation traditionnelle pour datacenter

Si l’apport d’air neuf ne suffit pas, il peut faire chaud même pour de faibles températures à l’extérieur du bâtiment. Lorsque ce type de local est équipé de climatisation traditionnelle, celle-ci fonctionne presque toute l’année avec de coûts d’exploitations très importants. 

Les solutions de Rafraîchissement d’Air par Evaporation utilisent dans un premier temps le fonctionnement « free cooling » c'est-à-dire la fraîcheur « gratuite » à l’extérieur du bâtiment pour maintenir la température souhaitée. Il faut pour cela prévoir une introduction d’air neuf ainsi qu’une évacuation. Le maintien du taux d’hygrométrie souhaité est assuré par un appareil situé à l’intérieur du local. Lorsque la température est élevée, l’air neuf est refroidi de façon adiabatique. Il en résulte un air suffisamment frais et humide afin de garantir les conditions favorables dans le data center, et cela avec une consommation électrique dix fois moindre sur 365 jours sans discontinuer.

Au-delà de 18° C, le système adiabatique s'enclenche et la température
de soufflage n'excède pas 23° C  

RETOUR D'EXPÉRIENCE ET CONCLUSIONS

• Si l’on veut continuer de rafraîchir les bâtiments sans réchauffer la planète, le refroidissement adiabatique s’impose comme une alternative naturelle à la climatisation, voire une solution de référence.
• Combiner l’adiabatique à des solutions de ventilation permet d’en optimiser le fonctionnement.
• Le vrai changement consiste à concevoir des bâtiments avec un renouvellement d’air suffisant, combiné au refroidissement adiabatique, afin d’obtenir un confort d’été incluant le minimum de consommation électrique et d’impact en termes de Gaz à Effet de Serre (GES).
• L’être humain aura toujours besoin de confort. C’est à lui d’utiliser les solutions que la planète lui propose naturellement ; les anciennes civilisations l’avaient compris.
• Au regard des crises climatiques et des canicules à répétition, la solution de rafraîchissement adiabatique est appelée à un développement important, en neuf comme en rénovation.

(Adaptation de l’article de Gérard GAGET, Responsable Activité Rafraîchissement Adiabatique pour le Groupe Adexsi, de la publication XPAIR « Le refroidissement adiabatique : le futur de la climatisation »)

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