Refroidissement dessiccant et refroidisseurs à absorption : une approche ingénierie pour une climatisation écoénergétique

Auteur : service technique Mycond

Le refroidissement dessiccant est une technologie innovante de conditionnement d’air qui utilise l’énergie thermique pour contrôler simultanément l’humidité et la température de l’air. Contrairement aux systèmes à compression traditionnels, qui refroidissent l’air en dessous du point de rosée pour condenser l’humidité, les systèmes dessiccants séparent les processus de déshumidification et de refroidissement, ce qui permet d’augmenter significativement l’efficacité énergétique.

L’approche traditionnelle de la déshumidification par sur-refroidissement sous le point de rosée suivie d’un réchauffage (reheat) exige des dépenses énergétiques importantes. Ces dépenses se calculent à partir du bilan thermique et dépendent des paramètres initiaux de l’air, de la profondeur de déshumidification et de l’efficacité des échangeurs. Dans des conditions d’exploitation typiques, les pertes d’énergie peuvent représenter 30 à 50 % de l’énergie totale consacrée au conditionnement.

Le principe clé des systèmes dessiccants consiste à séparer le traitement de la charge sensible (température) et de la charge latente (humidité). L’air est d’abord déshumidifié par un matériau adsorbant (dessiccant), puis refroidi. Cela permet d’éviter le processus énergivore de sur-refroidissement suivi de réchauffage.

Fondements physiques du refroidissement dessiccant

L’adsorption de l’humidité est un processus de diffusion de la vapeur d’eau dû à la différence de pressions partielles entre l’air et la surface du dessiccant. Les dessiccants (tels que le gel de silice, l’oxyde d’aluminium activé ou les zéolithes) ont une surface spécifique énorme, assurant une forte capacité d’adsorption. Selon le type de matériau, la méthode de fabrication et la granulométrie, la surface spécifique peut aller de 200 à 800 m² par gramme.

La régénération du dessiccant s’effectue par chauffage à une température dépendant du matériau et du point de rosée visé. Pour le gel de silice, les températures typiques de régénération sont de 70 à 120°C, et pour les tamis moléculaires de 120 à 180°C. Ces plages sont indicatives et doivent être confirmées dans la documentation technique du fabricant.

L’effet thermodynamique clé du processus d’adsorption est la libération de chaleur de sorption, composée de la chaleur latente de condensation (environ 2450 kJ/kg à 20°C) plus la chaleur chimique de liaison, dépendante du type de dessiccant. Au total, la chaleur de sorption peut atteindre 2600 à 3200 kJ par kilogramme d’humidité adsorbée.

Considérons un exemple sur le diagramme psychrométrique : si un air à 30°C et 60 % d’humidité relative (teneur en humidité d’environ 16 g/kg) est déshumidifié jusqu’à un point de rosée de 10°C (teneur en humidité d’environ 7 g/kg), alors, en raison de la chaleur de sorption libérée, l’air se réchauffe à 45–50°C. Dans un projet réel, ces paramètres sont définis sur la base du cahier des charges et d’un calcul psychrométrique.

Il est important de noter que le coefficient de chaleur résiduelle (residual heat) est une fonction de nombreuses variables et vaut approximativement 0,8–1,3. La valeur concrète dépend de la conception de la roue, de la vitesse de rotation et de l’efficacité de la récupération.

Composants d’un système de refroidissement dessiccant

La roue dessiccante rotative est le composant clé du système. Elle se compose d’un châssis rempli d’un matériau ondulé revêtu de dessiccant. Le pourcentage de revêtement en dessiccant dépend du fabricant et de l’usage et se situe entre 60 et 85 %. Le diamètre de la roue est déterminé par les débits d’air via la formule de vitesse à travers la section de la roue et, pour les installations industrielles, varie de 0,5 à 3 mètres. La profondeur de la roue et la vitesse de rotation sont également définies à la conception sur la base de calculs aérodynamiques.

Le système de régénération comprend un chauffage de l’air de régénération. La température de régénération est déterminée par le type de dessiccant et la profondeur de régénération requise. Le débit d’air de régénération représente 20 à 40 % du flux de process et se calcule à partir du bilan d’humidité. La consommation d’énergie pour la régénération est d’environ 3000 à 4500 kJ par kilogramme d’humidité éliminée, selon la température de régénération et l’efficacité de la récupération.

La roue d’échange enthalpique est utilisée pour la récupération d’énergie. Son efficacité est de 60 à 85 %, selon la conception, la vitesse de rotation et le schéma en contre-courant.

Le système de refroidissement évaporatif indirect présente une efficacité de 40 à 85 %, fortement dépendante de l’humidité de l’air extérieur, de la conception de l’échangeur et de la qualité de la pulvérisation d’eau. L’efficacité peut varier dans la plage indiquée selon les conditions d’exploitation.

Refroidisseurs à absorption : principes de fonctionnement et intégration

Un refroidisseur à absorption est une machine frigorifique thermique qui utilise l’eau comme fluide frigorigène et le bromure de lithium (LiBr) comme absorbant. Son fonctionnement repose sur un cycle à quatre composants :

1. Dans l’évaporateur, l’eau s’évapore à basse pression (0,6–1,2 kPa) et à basse température (3–10°C), en prélevant de la chaleur à l’eau à refroidir. La chaleur latente de vaporisation de l’eau dans ces conditions est d’environ 2450 kJ/kg.

2. Dans l’absorbeur, la vapeur d’eau est absorbée par une solution concentrée de LiBr. Le processus libère de la chaleur (2600–3000 kJ/kg), nécessitant le refroidissement de l’absorbeur.

3. Dans le générateur, la solution est chauffée à 80–110°C pour les machines à un étage et à 140–180°C pour les machines à deux étages.

4. Dans le condenseur, la vapeur se condense en cédant sa chaleur à l’eau de refroidissement.

Le coefficient de performance (COP) des refroidisseurs à absorption est de 0,6–0,8 pour les machines à un étage et de 1,0–1,4 pour les deux étages. Le COP réel dépend de la température de la source de chaleur, de la température de la tour de refroidissement, de la température de l’eau glacée et du mode de fonctionnement.

Comparés aux refroidisseurs à compression de vapeur, qui affichent un COP de 3,0–6,0, les refroidisseurs à absorption sont moins efficaces, mais utilisent une énergie thermique bon marché à la place de l’électricité coûteuse, ce qui change l’évaluation économique en leur faveur lorsque des sources de chaleur sont disponibles.

Sources d’énergie thermique pour les refroidisseurs à absorption (par coût croissant) :

• Chaleur fatale issue de divers procédés (40–120°C)
• Énergie solaire via des capteurs (80–180°C selon le type)
• Gaz naturel (rendement des brûleurs de 85 à 93 %)
• Réchauffeurs électriques (source la plus coûteuse)

Schémas d’intégration de la déshumidification dessiccante avec les refroidisseurs à absorption

Il existe trois schémas principaux d’intégration de la déshumidification dessiccante avec des refroidisseurs à absorption :

1. Traitement en série – l’air passe à travers la roue dessiccante, où l’humidité est éliminée et la température augmente du fait de la chaleur de sorption, puis il est refroidi par le refroidisseur à absorption. Avantage : contrôle indépendant de la température et de l’humidité. Le point de rosée peut être maintenu à 5–10°C indépendamment de la température ambiante. Application typique : locaux nécessitant un contrôle strict de l’humidité.

2. Traitement en parallèle – le dessiccant traite l’air neuf extérieur en retirant l’humidité avant son insufflation, tandis que le refroidisseur à absorption traite l’air de recyclage en supprimant la charge sensible. Avantage : réduction de la charge globale sur le refroidisseur de 25 à 40 %. Application typique : sites où l’air neuf représente une part importante du débit total.

3. Schéma de cogénération – une même source de chaleur alimente la régénération du dessiccant et le générateur du refroidisseur à absorption via un système de distribution. Avantage : utilisation maximale de l’énergie primaire du combustible. Le rendement global du système peut atteindre 80–90 %. Application typique : grands sites avec besoin permanent en différentes formes d’énergie.

Efficacité énergétique et performance des systèmes

Le coefficient de performance (COP) des systèmes de refroidissement dessiccants est défini comme le rapport de la puissance frigorifique utile à la somme de toutes les consommations d’énergie. Les valeurs typiques du COP dépendent de la configuration du système et se situent entre 0,5 et 1,2 pour le schéma de base.

Comparés aux systèmes traditionnels de refroidissement-déshumidification, les systèmes dessiccants présentent des avantages lorsque trois conditions sont réunies :

• Forte part de charge latente (rapport de chaleur sensible, sensible heat ratio, inférieur à 0,7)
• Besoins de point de rosée bas (inférieur à 10–12°C)
• Disponibilité d’une énergie thermique bon marché

La régénération à deux étages est une méthode efficace pour améliorer l’efficacité énergétique. Le premier étage utilise une chaleur à plus basse température (50–70°C) pour retirer une partie de l’humidité, le second une chaleur plus élevée (80–120°C) pour une régénération profonde. L’économie d’énergie haute température est de 20 à 40 %.

Le stockage d’énergie dans des systèmes liquides permet d’effectuer la régénération durant les périodes à bas tarifs. L’effet économique dépend de la structure tarifaire et du volume de stockage.

Solutions de conception et optimisation

Le dimensionnement des débits d’air est un aspect clé de la conception. Le débit d’air de process se détermine par le bilan d’humidité comme le rapport des dégagements d’humidité à la différence de teneur en humidité. Par exemple, pour atteindre un point de rosée de 10°C avec des dégagements d’humidité de 5 kg/h et une réduction de teneur en humidité de 10 g/kg, il faut environ 500 m³/h d’air.

Le débit d’air de régénération est déterminé par la profondeur de désorption requise. Le rapport des flux de process à régénération varie de 2,5:1 à 4:1, selon la température de régénération et les paramètres de l’air extérieur.

Le choix de la température de régénération dépend du type de dessiccant et du point de rosée cible. L’augmentation de la température de régénération améliore la profondeur de séchage, mais accroît la consommation d’énergie. L’optimum se détermine par une analyse technico-économique.

La minimisation des fuites d’air entre zones est un aspect important de l’optimisation. Même de petites fuites (2–5 % du flux de process) peuvent dégrader significativement les performances. Le contrôle des fuites est assuré par un différentiel de pression – la zone de process est maintenue en surpression par rapport à la zone de régénération.

Aspects économiques

Les dépenses d’investissement pour des systèmes dessiccants avec refroidisseurs à absorption sont plus élevées que pour les systèmes traditionnels, mais les coûts additionnels sont partiellement compensés par la réduction de la taille du refroidisseur et des raccordements électriques.

Les dépenses d’exploitation incluent l’énergie thermique pour la régénération (3000–4500 kJ/kg d’humidité retirée) plus l’électricité pour les ventilateurs. Pour les systèmes traditionnels, les coûts principaux sont l’électricité du compresseur plus le réchauffage.

Facteurs déterminant la pertinence économique :

• Rapport des tarifs électricité/gaz (seuil critique dépendant de la structure de charge)
• Zone climatique (climat chaud et humide favorable aux systèmes dessiccants)
• Régime de fonctionnement (longue saison de refroidissement accélérant le retour sur investissement)
• Disponibilité d’une énergie thermique bon marché

Le temps de retour sur investissement se calcule comme la différence des coûts d’exploitation annuels (système traditionnel moins système dessiccant), divisée par les investissements en capital additionnels. Les systèmes dessiccants réduisent la pointe de consommation électrique, ce qui peut diminuer sensiblement la composante puissance dans les tarifs présentant une telle structure.

FAQ

En quoi le refroidissement dessiccant diffère-t-il fondamentalement de la climatisation traditionnelle et quand est-il pertinent ?

La climatisation traditionnelle utilise un processus unique pour abaisser simultanément la température et l’humidité – refroidissement de l’air sous le point de rosée suivi d’un réchauffage (reheat). Cela exige des dépenses énergétiques importantes, calculées à partir du bilan thermique, pouvant représenter 30 à 50 % de la consommation totale selon les paramètres de l’air et la profondeur de déshumidification.

Le refroidissement dessiccant sépare le traitement des charges sensible (température) et latente (humidité), permettant de contrôler ces paramètres indépendamment. Il est pertinent lorsque trois conditions sont réunies : forte part de charge latente (plus de 30 % de la charge thermique totale), besoin de point de rosée bas (inférieur à 10°C) et disponibilité d’une énergie thermique bon marché.

Pour déterminer la pertinence, il faut comparer la consommation énergétique d’un système traditionnel et d’un système dessiccant en tenant compte du coût des différentes énergies pour le site concerné.

Comment fonctionne un refroidisseur à absorption et pourquoi est-il efficace en combinaison avec un dessiccant ?

Le refroidisseur à absorption fonctionne sur la base d’un cycle thermochimique où la vapeur d’eau (frigorigène) s’évapore à basse pression dans l’évaporateur, en absorbant de la chaleur de l’eau à refroidir. La vapeur est ensuite absorbée par une solution de LiBr dans l’absorbeur. La solution est régénérée dans le générateur par chauffage, où la vapeur d’eau est séparée puis condensée dans le condenseur.

Le COP des refroidisseurs à absorption (0,6–0,8 pour les machines à un étage) est inférieur à celui des systèmes électriques (3,0–6,0), mais la possibilité d’être alimentés par des sources de chaleur bon marché compense cette différence. La synergie avec le dessiccant se manifeste à plusieurs niveaux : les deux systèmes consomment de l’énergie thermique, déplaçant la charge de l’électricité vers la chaleur ; la pré-déshumidification par dessiccant permet d’augmenter la température de l’eau glacée de 6–8°C à 12–15°C, ce qui améliore le COP du refroidisseur à absorption de 10–15 % ; la possibilité d’utiliser une source de chaleur commune maximise l’utilisation de l’énergie primaire.

Quelles sources d’énergie thermique peuvent être utilisées et quel est l’impact économique ?

Sources d’énergie thermique par ordre de coût croissant :

1. Chaleur fatale (provenant de procédés, condenseurs, etc.) – la moins coûteuse, le coût dépend essentiellement des dépenses d’investissement pour la récupération.
2. Énergie solaire – le coût après amortissement dépend des dépenses d’investissement et de l’ensoleillement annuel du site.
3. Gaz naturel – tarifs variables selon la région, la saison, les volumes consommés.
4. Réchauffeurs électriques – la source la plus coûteuse, utilisée uniquement en l’absence d’alternatives.

L’utilisation de chaleur fatale peut réduire les dépenses d’exploitation de 40 à 70 %, rendant les systèmes dessiccants économiquement attractifs même avec des investissements significatifs. L’économie concrète se calcule au cas par cas, selon la quantité et la température de chaleur disponible.

Quelles sont les erreurs typiques de conception des systèmes de refroidissement dessiccants ?

1. Sous-estimation de la chaleur résiduelle – l’élimination de l’humidité libère une chaleur de sorption (2600–3200 kJ/kg) nécessitant une capacité frigorifique supplémentaire. Solution : calculer la charge totale en tenant compte de la chaleur de sorption.

2. Mauvais choix du rapport des flux – le ratio optimal dépend de la température de régénération, des paramètres de l’air et du point de rosée cible. Solution : réaliser des calculs pour les conditions spécifiques.

3. Ignorer les fuites d’air – même de faibles fuites réduisent l’efficacité de 5 à 15 %. Solution : étanchéités de qualité, maintien d’une surpression en zone de process.

4. Filtration insuffisante – les contaminants réduisent la capacité d’adsorption du dessiccant. Solution : installer des filtres de classe adéquate.

5. Non-prise en compte des variations saisonnières de l’efficacité du refroidissement évaporatif – l’efficacité dépend de l’écart de température bulbe sec/bulbe humide. Solution : concevoir des schémas hybrides avec refroidissement de secours.

Conclusions

Le refroidissement dessiccant associé à des refroidisseurs à absorption est une technologie écoénergétique qui sépare le traitement des charges sensible et latente, en utilisant l’énergie thermique plutôt que l’électricité. Pour les ingénieurs, il est important de :

1. Choisir le schéma d’intégration selon la structure de charge : en série pour une forte charge latente, en parallèle lorsque l’air neuf est important, en cogénération pour des besoins énergétiques complexes.
2. Maximiser l’usage de chaleur fatale ou renouvelable comme facteur clé de l’efficacité économique.
3. Prendre en compte la chaleur résiduelle d’adsorption dans le calcul de la capacité frigorifique.

Les systèmes dessiccants sont optimaux lorsque trois conditions sont réunies : charge latente significative, besoin d’un point de rosée bas et disponibilité d’une chaleur bon marché. Le temps de retour sur investissement dépend du rapport des tarifs des différentes énergies, du mode d’exploitation et de la possibilité de valoriser la chaleur.

Il convient de rappeler que le refroidissement dessiccant est inefficace en cas de faible charge latente, d’absence d’accès à l’énergie thermique, de climat très sec, pour de petites installations et pour une courte saison de refroidissement. L’intégration avec des refroidisseurs à absorption n’est justifiée qu’en cas de besoin simultané de déshumidification profonde et de refroidissement ; sinon, chaque technologie peut être appliquée séparément.