Sommaire
Principe de base du fonctionnement du rafraîchisseur adiabatique
Le refroidissement adiabatique s’appuie sur la capacité naturelle de l’eau à puiser dans l’air ambiant la chaleur nécessaire à son évaporation. Le fondement de tout dispositif de refroidissement adiabatique s’appuie sur l’imitation de ce phénomène naturel, tout en maximisant son efficacité par des technologies appropriées.
Le principe général du rafraîchisseur adiabatique : un flux permanent d’air chaud traverse perpendiculairement une surface toujours humide. Il s’agit de forcer le contact air chaud/eau froide pour maximiser le transfert de chaleur, de l’air chaud vers l’eau froide. Le système augmente la vitesse d’évaporation de l’eau, optimise l’extraction de la chaleur contenue dans l’air. Il provoque ainsi un accroissement du refroidissement du flux d’air.
L’évaporation de l’eau génère une humidification de l’air au niveau moléculaire. Les molécules d’eau évaporées contenues dans l’air sont invisibles et se comportent comme des molécules de gaz. Donc le refroidissement adiabatique ne produit pas de brume, qui est un mélange d’air et de gouttelettes d’eau (chaque gouttelette agglomère au moins 300 milliards de milliards de molécules d’eau). Dans son principe physique de fonctionnement, le refroidisseur adiabatique diffère d’un système de rafraîchissement par brumisation.
Le flux d’air refroidi chargé en hygrométrie parcourt l’ensemble du volume à rafraîchir puis s’échappe du bâti. Le principe du rafraîchissement adiabatique se base sur un système ouvert avec renouvellement permanent de l’air. Un système de rafraîchissement adiabatique fonctionne toujours porte ouverte et 80% de l’air insufflé par le rafraîchisseur doit être évacué.
Configuration du refroidisseur adiabatique et processus de rafraîchissement
Le refroidisseur adiabatique imite et amplifie le phénomène naturel d’évaporation en optimisant la mise en contact d’un flux d’air et d’un flux d’eau par le truchement d’un média évaporatif.
Le cycle de l’air du rafraîchisseur adiabatique
Un ventilateur assure la régularité du flux d’air chaud qui apporte l’énergie pour évaporer l’eau. Il extrait l’air de l’environnement externe qui passe préalablement par un média filtrant en entrant dans le rafraîchisseur.
Le ventilateur pousse le flux d’air chaud à travers la paroi imbibée d’eau du média évaporatif. L’eau s’évapore dans le flux d’air chaud. Le flux d’air en sort rafraîchi et humidifié. D’une température initiale comprise entre 25°C et 40°C, l’air perd entre 5°C et 11°C (Humidité Relative initiale entre 30 et 50%). Plus l’air est sec et chaud, plus la baisse de température est importante. En France métropolitaine l’abaissement moyen se situe vers 7°C.
En contrepartie de son refroidissement l’air sortant a capté de la vapeur d’eau. L’augmentation de l’humidité relative de l’air du volume à rafraîchir résulte à la fois : des conditions climatiques externes (humidité et température), et de la température visée du volume rafraîchi.
Le ventilateur pousse le flux d’air rafraîchi dans le volume à refroidir. Le flux d’air parcourt l’ensemble du volume en 3 à 5 minutes chassant la chaleur du local. Puis il sort par les ouvrants ou à l’aide du système de ventilation du bâtiment. Le volume d’air est renouvelé entre 10 et 20 fois par heure.
La diffusion du flux d’air rafraîchi par simple déplacement de l’air du volume à rafraîchir constitue le système le plus simple, marque du rafraîchisseur évaporatif mobile. Les refroidisseurs adiabatiques en toiture ou en paroi peuvent présenter des systèmes de diffusion plus complexes : plénum de soufflage à 2, 3 ou 6 directions, grille de soufflage, gaine textile.
Le cycle de l’eau du rafraîchisseur adiabatique
Puisant dans le réservoir en bas du rafraîchisseur adiabatique, une pompe génère un flux d’eau froide régulé, qui irrigue en permanence le sommet du média d’évaporation. Un mécanisme distributeur répartit uniformément le flux d’eau sur toute la surface du sommet de l’échangeur évaporatif. L’eau ruisselle en continu par gravité au sein des tubulures du média évaporatif et en imprègne les parois. Au bas du média d’évaporation, l’eau non-évaporée retourne dans le réservoir.
En dehors de l’évaporation, le rafraîchisseur adiabatique ne consomme pas d’eau. Les vidanges d’un rafraîchisseur évaporatif s’évacuent dans le réseau des eaux usées.
Le transfert thermique par évaporation
La paroi humide du média évaporatif est le siège de l’échange de chaleur entre l’air vers l’eau. L’échangeur évaporatif positionne le flux d’eau à la perpendiculaire du flux d’air chaud pour optimiser le croisement des flux. Le contact air/eau produit le transfert thermique nécessaire pour que certaines molécules d’eau passent de l’état liquide à l’état gazeux.
La structure alvéolaire en vaguelettes (nid d’abeille), et multicouches, du panneau évaporatif :
- fait varier la circulation verticale de l’eau et facilite son absorption par les parois du média évaporatif. Le coefficient de saturation identifie cette capacité d’absorption du média.
- fait fluctuer la direction horizontale du flux d’air à l’intérieur du média,
- et augmente la surface spécifique des parois du panneau évaporatif, donc la surface de contact air/eau.
Et en conséquence la structure améliore le mélange et le contact air/eau générant l’évaporation, donc accroît le transfert de chaleur de l’air vers l’eau.
Dimensionnement du rafraîchissement bioclimatique
Le dimensionnement du rafraîchissement adiabatique prend en compte les caractéristiques générales climatiques du site en période estivale, les températures et humidité relative de l’air extérieur aux limites, l’orientation du bâtiment, l’estimation des flux thermiques apportés à l’ambiance par le bâti et ses activités, les conditions d’aération du volume à rafraîchir, le taux de renouvellement d’air souhaité, l’estimation des conditions d’ambiance souhaitées.
On en déduira :
- les caractéristiques du rafraîchisseur (et notamment dans le cas de rafraîchisseur en toiture la hauteur du plénum),
- le nombre de rafraîchisseurs (notamment dans le cas du rafraîchissement de grands volumes).
Conclusion : un fonctionnement et une configuration matérielle simples à dimension bioclimatique
Le principe de fonctionnement du rafraîchissement adiabatique est simple : produire un contact optimal entre l’air et l’eau pour maximiser l’évaporation et la baisse de température. La configuration d’un rafraîchisseur est simple : un filtre et un ventilateur pour le cycle de l’air, un réservoir et une pompe pour le cycle de l’eau, un média de transfert thermique pour le refroidissement. Le dimensionnement du rafraîchisseur prend en compte le climat du site pour obtenir l’ambiance visée à l’intérieur.