Principe de base du rafraîchisseur adiabatique
Le refroidissement adiabatique repose sur la capacité naturelle de l’eau à absorber la chaleur de l’air ambiant pour s’évaporer. Les systèmes de refroidissement adiabatique imitent ce phénomène naturel, tout en optimisant son efficacité grâce à des technologies adaptées.
Le principe du rafraîchisseur adiabatique repose sur un flux continu d’air chaud qui traverse une surface constamment humide. Cela permet de maximiser le contact entre l’air chaud et l’eau froide, favorisant ainsi le transfert de chaleur de l’air vers l’eau. Le système accélère l’évaporation de l’eau et optimise l’extraction de la chaleur contenue dans l’air, ce qui augmente l’efficacité du refroidissement du flux d’air.
L’évaporation de l’eau entraîne une humidification de l’air au niveau moléculaire. Les molécules d’eau évaporées sont invisibles et se comportent comme des molécules de gaz. Ainsi, le refroidissement adiabatique ne génère pas de brume, qui est un mélange d’air et de gouttelettes d’eau (chaque gouttelette contenant des milliards de molécules d’eau). En termes de fonctionnement physique, le refroidisseur adiabatique se distingue d’un système de rafraîchissement par brumisation.
Le flux d’air refroidi, enrichi en humidité, circule à travers tout l’espace à rafraîchir avant de s’échapper du bâtiment. Le principe du rafraîchissement adiabatique repose sur un système ouvert, avec un renouvellement constant de l’air. Pour un fonctionnement optimal, un rafraîchisseur adiabatique nécessite des portes ouvertes, et environ 80 % de l’air insufflé doit être évacué.
Configuration et fonctionnement du refroidisseur adiabatique
Le refroidisseur adiabatique reproduit et intensifie le phénomène naturel d’évaporation en optimisant le contact entre un flux d’air et un flux d’eau à travers un média évaporatif.
Le parcours de l’air dans le rafraîchisseur adiabatique
Un ventilateur garantit un flux d’air chaud constant, fournissant l’énergie nécessaire à l’évaporation de l’eau. Il aspire l’air extérieur, qui passe d’abord à travers un média filtrant avant d’entrer dans le rafraîchisseur.
Le ventilateur dirige le flux d’air chaud à travers la paroi saturée d’eau du média évaporatif, permettant à l’eau de s’évaporer dans l’air chaud. L’air ainsi traité en ressort refroidi et humidifié. Avec une température initiale entre 25°C et 40°C et une humidité relative de 30 à 50 %, l’air subit une baisse de température allant de 5°C à 11°C. Plus l’air est sec et chaud, plus la réduction de température est significative. En France métropolitaine, l’abaissement moyen est d’environ 7°C.
En échange de son refroidissement, l’air sortant a absorbé de la vapeur d’eau. L’augmentation de l’humidité relative dans l’air de l’espace à rafraîchir dépend à la fois des conditions climatiques extérieures (température et humidité) et de la température cible du volume à refroidir.
Le ventilateur propulse l’air refroidi dans l’espace à climatiser. Ce flux d’air traverse l’ensemble du volume en 3 à 5 minutes, éliminant la chaleur du local. Ensuite, il s’évacue par les ouvertures ou via le système de ventilation du bâtiment. Le renouvellement de l’air se fait entre 10 et 20 fois par heure.
La diffusion de l’air refroidi par simple déplacement dans l’espace à rafraîchir est le système le plus basique, caractéristique des rafraîchisseurs évaporatifs mobiles. Les rafraîchisseurs adiabatiques installés en toiture ou en paroi peuvent intégrer des systèmes de diffusion plus sophistiqués, tels que des plénums de soufflage à 2, 3 ou 6 directions, des grilles de soufflage ou des gaines textiles.
Le parcours de l’eau dans le rafraîchisseur adiabatique
Une pompe puise l’eau dans le réservoir situé en bas du rafraîchisseur adiabatique et génère un flux d’eau froide régulé, qui arrose en continu le sommet du média d’évaporation. Un système distributeur répartit uniformément ce flux sur toute la surface du sommet de l’échangeur évaporatif. L’eau s’écoule ensuite par gravité à travers les tubulures du média, imprégnant les parois. L’eau non évaporée, accumulée au bas du média, retourne dans le réservoir.
À l’exception de l’évaporation, le rafraîchisseur adiabatique ne consomme pas d’eau. Les vidanges de l’appareil sont évacuées dans le réseau des eaux usées.
Le transfert de chaleur par évaporation
La paroi humide du média évaporatif est le lieu où se réalise l’échange thermique entre l’air et l’eau. L’échangeur évaporatif positionne le flux d’eau perpendiculairement au flux d’air chaud afin d’optimiser leur croisement. Le contact entre l’air et l’eau permet le transfert de chaleur nécessaire pour que certaines molécules d’eau passent de l’état liquide à l’état gazeux.
La structure en nid d’abeille et multicouches, du panneau évaporatif :
- Modification de la circulation verticale de l’eau, facilitant son absorption par les parois du média évaporatif. Le coefficient de saturation mesure cette capacité d’absorption du média.
- Modification de la direction horizontale du flux d’air à travers le média.
- Accroissement de la surface spécifique des parois du panneau évaporatif, augmentant ainsi la surface de contact entre l’air et l’eau.
Ainsi, la structure optimise le mélange et le contact air/eau, favorisant l’évaporation et augmentant le transfert de chaleur de l’air vers l’eau.
Dimensionnement du système de rafraîchissement bioclimatique
Le dimensionnement du rafraîchissement adiabatique prend en compte les caractéristiques climatiques du site en été, telles que les températures et l’humidité relative de l’air extérieur, l’orientation du bâtiment, les flux thermiques générés par la structure et ses activités, les conditions d’aération du volume à refroidir, le taux de renouvellement d’air souhaité, ainsi que les conditions d’ambiance ciblées.
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 simple et une configuration matérielle adaptée au dimensionnement bioclimatique
Le principe du rafraîchissement adiabatique est simple : créer un contact optimal entre l’air et l’eau pour maximiser l’évaporation et réduire la température. La configuration d’un rafraîchisseur est également simple, comprenant un filtre et un ventilateur pour le cycle de l’air, un réservoir et une pompe pour le cycle de l’eau, ainsi qu’un média de transfert thermique pour le refroidissement. Le dimensionnement du rafraîchisseur prend en considération les conditions climatiques du site afin d’atteindre l’ambiance souhaitée à l’intérieur.