Refroidissement par absorption solaire ou refroidissement par adsorption : quel système est le plus efficace

1. La différence fondamentale dans les principes de travail

La réfrigération par absorption solaire repose sur la relation de dissolution physico-chimique entre un liquide absorbant et un réfrigérant pour piloter le cycle. Le réfrigérant se dissout dans l’absorbant pour former une solution qui est ensuite chauffée dans le générateur par l’énergie solaire thermique. Le réfrigérant s'évapore et se sépare, puis subit une condensation, une expansion et une évaporation pour produire un refroidissement. La vapeur du réfrigérant basse pression est ensuite réabsorbée par l'absorbant, complétant ainsi un cycle complet. L'ensemble du processus se déroule en continu entre les phases liquide et vapeur. cycle continu en régime permanent .

La réfrigération par adsorption solaire utilise les propriétés physiques d’adsorption et de désorption thermique d’un adsorbant solide pour piloter le cycle. L'adsorbant capture la vapeur de réfrigérant à basse température, produisant un effet rafraîchissant. L'énergie solaire thermique chauffe ensuite l'adsorbant, provoquant une désorption : la vapeur du réfrigérant est libérée, pénètre dans le condenseur et se liquéfie pour être régénérée. Étant donné que les adsorbants solides ne peuvent pas circuler en continu comme le font les liquides, l’adsorption et la désorption alternent au sein du même lit d’adsorption. C'est un cycle quasi-statique intermittent .

Cette distinction fondamentale entraîne la divergence entre les deux types de systèmes en termes de continuité opérationnelle, de structure d'équipement et de méthodologie de contrôle.

2. Comparaison des processus de cycle thermodynamique

Le cycle en quatre étapes de la réfrigération à absorption solaire

Le cycle thermodynamique standard d’un système de réfrigération à absorption solaire se compose de quatre processus principaux :

Génération : La solution diluée dans le générateur est chauffée par de l'eau chaude solaire – généralement entre 80 °C et 100 °C pour les systèmes à simple effet. Le réfrigérant s'évapore et la concentration de la solution augmente pour former une solution concentrée.

Condensations : La vapeur de réfrigérant à haute température et haute pression pénètre dans le condenseur, libère de la chaleur dans l'eau de refroidissement ou l'air et se liquéfie en réfrigérant liquide à haute pression.

Évaporation : Le réfrigérant liquide passe à travers un détendeur, chute de pression et pénètre dans l’évaporateur. Dans des conditions de basse pression et de basse température, il absorbe la chaleur et s’évapore – c’est l’étape centrale où le système produit son effet de refroidissement.

Absorption : La vapeur de réfrigérant basse pression pénètre dans l'absorbeur, où elle est absorbée par la solution concentrée tout en libérant simultanément de la chaleur vers un fluide de refroidissement. La solution est rediluée, mise sous pression par la pompe à solution et renvoyée au générateur pour terminer le cycle.

Dans les systèmes bromure de lithium-eau, l’eau sert de réfrigérant et le bromure de lithium d’absorbant. Le cycle fonctionne dans des conditions de pression négative, avec une température de refroidissement minimale supérieure à 0°C, ce qui le rend bien adapté aux fonctions de climatisation. Les systèmes ammoniac-eau utilisent l'ammoniac comme réfrigérant et peuvent atteindre des températures de refroidissement inférieures à zéro, offrant ainsi une gamme d'applications plus large, mais au prix de pressions de fonctionnement du système plus élevées et d'exigences d'étanchéité plus strictes.

Le cycle alternatif à deux lits de réfrigération par adsorption solaire

Un système de réfrigération par adsorption standard utilise deux lits d'adsorption fonctionnant en alternance pour fournir une puissance de refroidissement quasi continue :

Phase d'adsorption-refroidissement : Un lit d'adsorption est maintenu à basse température. L'adsorbant solide - généralement du gel de silice - absorbe en continu la vapeur de réfrigérant provenant de l'évaporateur. Le réfrigérant s'évapore dans des conditions de basse pression et de basse température à l'intérieur de l'évaporateur, absorbant la chaleur et produisant du refroidissement.

Phase de chauffage-désorption : L'eau chaude solaire chauffe le lit d'adsorption saturé. À mesure que la température de l'adsorbant augmente, de grandes quantités de vapeur de réfrigérant sont désorbées et libérées dans le condenseur, où elles se liquéfient. Le réfrigérant liquide est ensuite détendu et renvoyé à l'évaporateur, préparant ainsi le système pour le prochain cycle d'adsorption.

Processus de récupération de chaleur : Les systèmes d'adsorption haute performance intègrent un régénérateur de chaleur qui échange de l'énergie thermique entre le lit haute température en cours de désorption et le lit basse température en phase d'adsorption. Cela réduit les besoins globaux en apport de chaleur et améliore le COP. La conception de la récupération de chaleur est l’une des principales stratégies d’optimisation de l’efficacité des systèmes de réfrigération par adsorption.

L'intervalle de commutation entre les deux lits alternés est typiquement compris entre quelques minutes et plusieurs dizaines de minutes. La puissance de refroidissement présente un certain degré de fluctuation lors de la commutation – une caractéristique opérationnelle distinctive qui distingue les systèmes à adsorption du cycle continu des systèmes à absorption.

3. Correspondance de la température de conduite et du capteur solaire

La température de la source de chaleur motrice est l’un des paramètres les plus critiques dans la sélection d’un système de climatisation solaire thermique.

La réfrigération par absorption solaire nécessite une température de fonctionnement relativement plus élevée. La température de fonctionnement minimale pour un refroidisseur au bromure de lithium à simple effet est d'environ 75 °C à 80 °C, tandis que les unités à double effet nécessitent 150 °C ou plus. Un fonctionnement stable nécessite généralement des collecteurs à tubes sous vide ou des collecteurs à concentration tels que des concentrateurs paraboliques composés (CPC). Des températures de fonctionnement plus élevées augmentent la pression d'évaporation dans le générateur et améliorent l'efficacité du cycle. Les systèmes à double effet atteignent un COP de 1,0 à 1,2, nettement plus élevé que les systèmes à simple effet de 0,6 à 0,8.

La réfrigération par adsorption solaire fonctionne sur une plage de températures de fonctionnement inférieure. La paire de travail gel de silice-eau fonctionne efficacement entre 60 °C et 85 °C, correspondant directement à la plage de température de fonctionnement des capteurs solaires plats — aucun équipement de collecte à haute température n'est requis. Cette caractéristique confère aux systèmes d’adsorption une plus grande adaptabilité dans les régions à irradiation modérée ou en fonctionnement hivernal. La paire de travail zéolite-eau nécessite une température de fonctionnement légèrement plus élevée de 100°C à 200°C mais permet une désorption plus complète, ce qui la rend adaptée aux applications de qualité de source de chaleur supérieure. Le couple actif charbon actif-méthanol peut être utilisé à des températures aussi basses que 50°C à 80°C, bien que la toxicité et l'inflammabilité du méthanol imposent des exigences plus exigeantes en matière d'étanchéité et de conception de sécurité.

4. COP du système et performance en matière d’efficacité énergétique

Dans des conditions équivalentes de collecte solaire, les deux types de systèmes présentent des différences mesurables en termes de performance énergétique.

Les refroidisseurs à absorption au bromure de lithium à simple effet atteignent généralement un COP thermique de 0,6 à 0,8, tandis que les unités à double effet peuvent dépasser 1,0. Cependant, les systèmes à double effet nécessitent des réseaux de capteurs beaucoup plus grands et des investissements en équipements auxiliaires plus élevés. Le COP solaire global – tenant compte de l’efficacité des capteurs – se situe entre 0,3 et 0,5.

Les systèmes d’adsorption sur gel de silice-eau offrent généralement un COP thermique de 0,4 à 0,6, inférieur à celui des systèmes à absorption. Cependant, parce qu'ils sont compatibles avec les capteurs plats à basse température, l'efficacité des capteurs est relativement élevée et l'utilisation globale de l'énergie solaire est comparable à celle des systèmes d'absorption à effet unique. L’introduction de matériaux adsorbants avancés – notamment la zéolite AQSOA et les matériaux à structure organométallique (MOF) – réduit progressivement l’écart en matière de COP. Certains résultats de laboratoire avec ces matériaux ont déjà dépassé 0,8.

5. Structure du système et caractéristiques de maintenance

Les systèmes de réfrigération à absorption solaire intègrent plusieurs composants, notamment une pompe à solution, un générateur, un absorbeur, un condenseur, un évaporateur et un échangeur de chaleur. L'architecture du système est relativement complexe, avec des exigences strictes en matière de pureté du fluide de travail et d'étanchéité du système. La solution de bromure de lithium présente un risque de cristallisation et de corrosion à haute température ou au contact de l'air, nécessitant une surveillance périodique de la concentration et un réapprovisionnement en inhibiteur de corrosion. La maintenance nécessite du personnel technique qualifié.

Les systèmes de réfrigération à adsorption solaire sont construits autour de lits d’adsorption solides comme composants principaux. Il n'y a pas de circuit de pompage du fluide de travail liquide et le système ne contient aucune pièce mobile en dehors des ventilateurs de refroidissement. Il en résulte un système structurellement simple et mécaniquement fiable avec de faibles taux de défaillance et une charge de travail de maintenance minimale. Le compromis est que le volume du lit d'adsorption est relativement important : le poids et l'encombrement du système sont généralement supérieurs à ceux des unités d'absorption de capacité de refroidissement équivalente. Les contraintes d’espace doivent être soigneusement évaluées dès la phase de planification du projet.

6. Scénarios d'application et cas d'utilisation d'ingénierie

Les refroidisseurs à absorption solaire au bromure de lithium ont fait leurs preuves dans les grands bâtiments commerciaux, les hôtels, les hôpitaux et les installations industrielles. Les produits disponibles dans le commerce couvrent des capacités de refroidissement allant de plusieurs dizaines de kilowatts à plusieurs mégawatts. Associés à des champs de capteurs solaires centralisés, ces systèmes peuvent fournir un approvisionnement en refroidissement à l'échelle urbaine et représentent actuellement la technologie dominante dans les projets de refroidissement urbain solaire.

Les climatiseurs à adsorption solaire sont mieux adaptés aux bâtiments de petite et moyenne taille, aux applications de refroidissement distribué et aux cas d'utilisation qui privilégient la fiabilité du système et une maintenance réduite, comme les stations de base de télécommunications et les installations médicales situées dans des emplacements hors réseau. À mesure que les performances des matériaux adsorbants continuent de progresser et que les coûts du système diminuent, la compétitivité de la climatisation à adsorption solaire dans les applications résidentielles et les petites applications commerciales augmente régulièrement.

Les technologies d’absorption solaire et de refroidissement par adsorption solaire occupent des positions distinctes et complémentaires sur le marché plus large des climatiseurs solaires. Le choix entre les deux est finalement déterminé par la qualité des ressources solaires disponibles, l'échelle de charge du bâtiment, les conditions d'espace et la structure totale des coûts du cycle de vie de chaque projet spécifique.