1. Facteurs influant sur l'effet de refroidissement réalisable

Dans le cas du refroidissement par évaporation indirecte, l'évaporation de l'eau se produit du côté de l'air évacué d'une centrale de traitement d'air, ce qui permet de refroidir l'air extérieur chaud grâce à un système de récupération de chaleur en aval. Le refroidissement de l'air extérieur qui peut être obtenu dépend donc de la quantité d'eau évaporée du côté de l'air évacué, ainsi que de la conception et du rendement du système de récupération de chaleur utilisé. L'air évacué peut ainsi être humidifié jusqu'à un niveau proche de la saturation sans que l'humidité de l'air entrant n'augmente.

Outre la vitesse de l'air traversant le refroidisseur par évaporation, la quantité d'eau évaporée et donc le refroidissement obtenu dépendent des conditions de l'air avec lequel l'air évacué entre dans le refroidisseur par évaporation.

Les facteurs déterminants sont les suivants :

• la température de l'air avant l'évaporation : plus elle est basse, moins l'air peut absorber d'humidité et plus l'effet de refroidissement est faible ;
• l'humidité de l'air avant l'évaporation : plus l'air contient déjà d'eau, moins il peut absorber d'humidité et plus la baisse de température obtenue est faible.

La limite théorique du refroidissement par évaporation est atteinte lorsque l'air est complètement saturé en eau, c'est-à-dire à une humidité relative de 100 %. Dans les installations de ventilation et de climatisation, il est réaliste d'atteindre des taux d'humidité de 92 à 95 % avec un investissement économiquement raisonnable, selon le type de refroidisseur par évaporation utilisé.

2. Économies d'énergie grâce au refroidissement par évaporation indirecte dans une installation de traitement de l'air

Les besoins en énergie de refroidissement sensible d'un bâtiment sont essentiellement déterminés par le rayonnement solaire incident ainsi que par les charges thermiques internes provenant des personnes, des appareils et des systèmes d'éclairage. Pour respecter le taux d'humidité admissible de l'air ambiant, une énergie de refroidissement latente supplémentaire est nécessaire en fonction des conditions de l'air extérieur et des sources d'humidité internes.

Le refroidissement par évaporation indirecte convient au refroidissement sensible de l'air soufflé. Le refroidissement latent nécessaire à la déshumidification ou le refroidissement sensible dépassant le potentiel du refroidissement par évaporation doit continuer à être assuré par un générateur de froid mécanique, mais de dimensionnement réduit en conséquence. Si la conception de l'installation est adaptée, le refroidissement par évaporation indirecte permet d'économiser nettement plus d'énergie électrique pour la production mécanique de froid que ce qui est nécessaire pour compenser la perte de charge supplémentaire côté air due au ventilateur d'extraction.

Si l'on souhaite savoir dès la phase de conception quelle quantité d'énergie peut être produite de manière régénérative et effectivement économisée grâce au refroidissement par évaporation indirecte, il convient de déterminer cela à l'aide d'un calcul de simulation du fonctionnement de l'installation de ventilation sur le site du bâtiment concerné. Cette simulation doit prendre en compte toutes les conditions de l'air extérieur survenant au cours de l'année ainsi que les paramètres de conception pertinents de l'installation de ventilation.

3. Exemple de calcul sur une installation de ventilation et de climatisation simulée

Simulation d'une installation de ventilation et de climatisation avec refroidissement par évaporation indirecte. La contribution énergétique du refroidissement par évaporation indirecte (refroidissement adiabatique) va maintenant être illustrée à l'aide d'un exemple de calcul de simulation pour un bâtiment type. Concrètement, on calcule, à partir des données météorologiques du site, l'ampleur réelle de l'énergie frigorifique totale nécessaire au refroidissement du bâtiment type et la contribution du refroidissement par évaporation indirecte à cette énergie au cours de l'année. Les résultats peuvent alors servir de base réaliste pour le dimensionnement correct de l'installation et l'évaluation de la rentabilité de cette mesure d'efficacité énergétique dans le cadre de la conception de l'installation.

Paramètres de planification pour un exemple de bâtiment

La simulation a été réalisée pour la configuration structurelle de la centrale de traitement d'air représentée à la figure 1, en se basant sur les courbes de température et les paramètres présentés à la figure 2 pour le cas de refroidissement. Le fonctionnement de l'installation s'effectue avec une compensation estivale de la température de l'air ambiant et une réduction progressive de la température de l'air soufflé. La récupération de chaleur s'effectue, à titre d'exemple, à l'aide d'un échangeur de chaleur à plaques sans transfert d'humidité du côté de l'air extrait vers le côté de l'air soufflé et sans flux d'air de fuite. Le rapport entre le débit d'air soufflé et le débit d'air extrait est supposé être de 1:1.

Les apports énergétiques annuels totaux sont obtenus en additionnant les résultats individuels calculés par la simulation pour chaque heure de l'année. Les calculs s'appuient sur des données statistiques locales issues de la base de données météorologique mondiale Meteonorm version 6.1 pour les cinq sites suivants : Berlin, Munich, Stuttgart, Vienne et Bregenz.

Analyse des résultats de simulation

La simulation illustre clairement le travail de refroidissement fourni au cours de l'année et sa répartition entre la production mécanique de froid, le refroidissement par évaporation indirecte (refroidissement adiabatique) et la récupération de chaleur. La réduction de la charge assurée par la seule récupération de chaleur à partir de l'air évacué du bâtiment est, même avec le coefficient de récupération de chaleur choisi de 0,75, relativement faible en raison de la faible différence de température utile en mode refroidissement. Toutefois, si la baisse de température supplémentaire de l'air évacué est obtenue par le refroidissement par évaporation indirect (refroidissement adiabatique), cela entraîne une augmentation significative de sa contribution énergétique.

Les résultats de simulation basés sur les données d'un été normal montrent les contributions énergétiques moyennes pouvant être obtenues sur une longue période d'exploitation de l'installation, ce qui les rend appropriés pour évaluer les économies d'énergie réalisables grâce au refroidissement par évaporation indirecte et leur rentabilité. Si l'on considère les conditions de l'air extérieur très variables au cours de l'année, il apparaît rapidement que les installations frigorifiques doivent fournir une puissance de refroidissement adéquate dans toutes les conditions atmosphériques rencontrées. C'est pourquoi il convient d'utiliser, pour le dimensionnement des installations, les résultats de simulation basés sur les valeurs extrêmes des étés chauds. Si l'on souhaite également tenir compte des évolutions climatiques futures, il est possible de réaliser des simulations à l'aide de séries de données météorologiques prospectives, à condition que celles-ci soient suffisamment représentatives.

Les résultats de la simulation se rapportent à l'installation de ventilation et de climatisation présentée à titre d'exemple sur cinq sites sélectionnés. La contribution énergétique du refroidissement par évaporation indirecte réduit considérablement la puissance frigorifique que le groupe frigorifique doit fournir pour refroidir le bâtiment.

Comme le montre la simulation, le refroidissement par évaporation indirecte apporte une contribution considérable à l'énergie renouvelable. À configuration de l'installation égale, on observe toutefois des différences notables en fonction des données météorologiques propres aux sites choisis. Lorsque l'humidité de l'air extérieur est plus élevée au niveau régional, et qu'il faut donc déshumidifier davantage, la contribution énergétique de ce mode de refroidissement est proportionnellement plus faible. Cela est particulièrement visible à Bregenz, qui subit l'influence climatique de sa situation géographique sur la rive est du lac de Constance. La part totale d'énergie renouvelable résulte de la somme des contributions énergétiques du refroidissement par évaporation indirecte et de la récupération de chaleur. Sur les sites de bâtiments sélectionnés, celle-ci atteint entre 40 et 56,6 % de l'énergie de refroidissement totale à fournir chaque année.

La question de la rentabilité

Dans la pratique, le principal obstacle à l'utilisation des énergies renouvelables réside dans la rentabilité. Les mesures d'efficacité énergétique telles que le refroidissement par évaporation indirecte (refroidissement adiabatique) doivent être rentables. Les surcoûts d'investissement doivent être compensés par les économies réalisées lors de l'exploitation. Ce calcul doit être effectué pour chaque bâtiment concerné. Une simulation fiable de l'installation rend les relations claires et permet une comparaison réaliste avec les mesures conventionnelles de refroidissement des bâtiments.