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Échangeur de chaleur terre-air pour le conditionnement d’air dans le climat tropical colombien

Dans une étude théorique récente, un système de refroidissement passif utilisant un échangeur de chaleur terre-air (EAHE) a été modélisé pour le climat tropical colombien.

L’échangeur de chaleur terre-air (EAHE en anglais) est une technologie de refroidissement passif qui tire parti du fait qu’à une certaine profondeur, la température du sol est presque constante tout au long de l’année, permettant son utilisation comme puits de chaleur. L’EAHE consiste en un système simple de tuyauteries enterrées à travers lesquelles circule l’air ambiant. Une partie de l’énergie thermique de l’air est transférée au sol, puis l’air évacué de l’EAHE peut être directement utilisé pour le refroidissement des locaux ou comme air pré-refroidi dans un système CVC. La performance de l’EAHE dépend de nombreux paramètres tels que la conception de l’échangeur de chaleur, ainsi que des conditions atmosphériques locales (par exemple, le rayonnement solaire, la température de l’air ambiant et l’humidité relative).

 

Plusieurs études menées à divers endroits ont évalué les performances des EAHE et démontré qu’ils pouvaient offrir un excellent confort thermique et une excellente qualité de l’air intérieur, avec une faible consommation d’énergie. Dans une étude récente, la performance d’un EAHE en termes de puissance de refroidissement de l’air ambiant a été simulée pour le climat tropical colombien. Le modèle d’un système EAHE a été conçu pour améliorer le confort thermique dans un laboratoire de 169m2, avec une capacité d’occupation de 26 personnes, en utilisant les conditions météorologiques et les caractéristiques du sol de la ville de Bucaramanga, en Colombie.

 

Dans le modèle, l’EAHE était enterré à une profondeur de 1,5 m, où la température resterait presque constante à 22,3 °C.  En ce qui concerne les aspects techniques, les auteurs ont constaté qu’un EAHE d’une longueur de 252 m (7 tuyauteries en parallèle) et d’un diamètre de tuyauterie de 8 pouces (0,2 m) produisait les meilleurs résultats. De plus, un débit massique d’air de 1560 kg/h a fourni suffisamment d’échanges d’air par heure sans réduire les performances de l’EAHE tout en satisfaisant les charges thermiques calculées. Avec ces dimensions et conditions de fonctionnement, l’EAHE a fourni de l’air à des températures comprises entre 20,9 °C et 24,1 °C, qui sont d’environ 3 °C en dessous de la température ambiante et dans les conditions de confort thermique établies.

 

Le COP de refroidissement maximal hebdomadaire était d’environ 160 et les variations quotidiennes du COP étaient comprises entre 0,91 et 160. Les auteurs ont constaté que les variations de COP dépendaient de la température du sol. Pendant la journée, de 9 h à 20 h, la température de l’air ambiant était supérieure à la température du sol, la chaleur était libérée de l’air vers le sol, ce qui permettait à l’EAHE de fournir un refroidissement. Pendant la nuit, en revanche, de 20 h à 9 h, la température du sol était supérieure à la température de l’air ambiant et la chaleur allait du sol vers l’air. Les auteurs ont suggéré l’installation de ventilateurs à faible consommation d’électricité (0,12 kW pour le moteur) dans chaque tuyauterie pour faire varier le mode de fonctionnement.

 

Pour les spécifications calculées, le projet avait un taux de rendement interne (TRI) de 23 % et une période d’amortissement de six ans en tenant compte des taux d’intérêt en Colombie. Par conséquent, les auteurs ont conclu que le projet était financièrement viable. L’EAHE pourrait également être mis en œuvre dans des zones tropicales présentant des conditions atmosphériques et pédologiques similaires.

 

  • D’autres études sur les échangeurs de chaleur terre-air pour le refroidissement sont disponibles en téléchargement dans FRIDOC :

Numerical evaluation of the thermal performance of a near-surface earth-to-air heat exchanger with short-grass ground cover: A parametric study.
https://iifiir.org/fr/fridoc/evaluation-numerique-des-performances-thermiques-d-un-echangeur-de-143358
 

 

Source

Peñaloza Peña, S.A.; Jaramillo Ibarra, J.E. Potential Applicability of Earth to Air Heat Exchanger for Cooling in a Colombian Tropical Weather. Buildings 2021, 11, 219. https://doi.org/10.3390/buildings11060219