Étude expérimentale, modélisation et optimisation d'un procédé de rafraîchissement solaire à absorption couplé au bâtiment

Experimental investigation, modeling and optimisation of an absorption solar cooling system coupled to a building

• Auteur / Autrice : Olivier Marc
• Direction : Franck Lucas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique énergétique et environnement
• Date : Soutenance le 03/12/2010
• Etablissement(s) : La Réunion
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Technologies et Santé (Saint-Denis, La Réunion ; 2010-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et d'Ingénierie mathématique pour l'énergie et l'environnement (Saint-Denis, Réunion)
• Jury : Président / Présidente : François Garde
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Lucas, François Garde, Étienne Wurtz, Nathalie Mazet, Michel Pons, Jean Castaing-Lasvignottes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Étienne Wurtz, Nathalie Mazet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Refroidissement

Énergie solaire

Économies d'énergie

La Réunion (France ; île)

Climatisation -- Régulation

Constructions

Modèles mathématiques

Réfrigération solaire

Mots clés libres

Rafraîchissement solaire

Absorption

Expérimental

Modélisation

Simulation dynamique

Optimisation

SPARK

EnergyPlus

Solar cooling

Absorption

Experimental

Modeling

Dynamic simulation

Optimization

SPARK

EnergyPlus

Résumé

Depuis quelques années, les exigences des occupants de bâtiments ont sensiblement changé. On observe en effet une demande de confort de plus en plus rigoureux en particulier en période estivale. Cette augmentation des besoins de climatisation induit un accroissement important de la consommation d'énergie électrique dans les bâtiments, dû à une utilisation majoritaire de climatiseurs à compression mécanique de vapeur. Dans ce contexte énergétique difficile, les systèmes de rafraîchissement solaire font partie des alternatives intéressantes aux systèmes de climatisation classiques, dans la mesure où l'énergie primaire est principalement consommée sous forme de chaleur et provenant du soleil donc gratuite. L'autre grand intérêt de ces procédés est que le besoin en rafraîchissement coïncide la plupart du temps avec la disponibilité du rayonnement solaire. La compréhension et le développement de cette technologie passent par une étude expérimentale avec la réalisation d'installations pilotes à échelle réelle dans le but d'acquérir une expérience concrète. C'est dans ce sens que notre laboratoire s'est proposé de mettre en place une plateforme expérimentale d'une puissance frigorifique de 30 kWf chargée de rafraîchir des locaux d'enseignement de l'Institut Universitaire Technologique de Saint Pierre à La Réunion. La première partie de ce manuscrit présente une analyse expérimentale de cette installation. Une seconde approche purement fondamentale a été envisagée avec l'élaboration de modèles numériques permettant de prédire le comportement de l'installation dans son ensemble. Ces modèles numériques décrits sous plusieurs niveaux de finesse, sont validés par les données expérimentales avant d'être utilisés, soit comme outils de pré‐dimensionnement pour les modèles à descriptions simplifiés, soit comme outil d'optimisation et d'analyse pour les modèles détaillés. Le modèle détaillé représentant notre plateforme expérimentale a permis de réaliser une optimisation du fonctionnement de l'installation et de proposer des améliorations pour réduire la consommation d'électricité et augmenter le coefficient de performance électrique global.

In the last few years, thermal comfort research in summer has significantly increased the electricity consumption in buildings. This is mainly due to the use of conventional air conditioning systems operating with mechanical vapor compression. Solar cooling systems applied to buildings is an interesting alternative for reducing energy consumption in traditional mechanical steam compression air conditioning systems. But the understanding of this technology has to be refined through experimental study by setting up pilot plants. This study is a practical method to gain experience by analyzing all the processes behind solar cooling technology. For that purpose, our laboratory decided to install a solar cooling absorption system implemented in Reunion Island, located in the southern hemisphere. The particularity of this project is to achieve an effective cooling of classrooms, by a solar cooling system without any backup systems (hot or cold). The first part of this work presents an experimental study of this installation. Moreover, the study of these systems should have a closely purely fundamental approach including the development of numerical models in order to predict the overall installation performance. The final objective is to estimate cooling capacity, power consumption, and overall installation performance with relation to outside factors (solar irradiation, outside temperature, building loads). These numerical models described in several levels of accuracy, are validated by experimental data before being used either as tools for pre‐sizing models with simplified descriptions, either as a tool for optimization and analysis for the detailed models. The detailed model describing our experimental platform is used to carry out an optimization of pilot plant operation and to propose improvements to reduce electricity consumption and increase the overall electrical performance coefficient.