Refroidissement évaporatif sans ajout d’humidité

Selon l'Agence Internationale de l'Énergie ⁽¹⁾, alors que les températures mondiales moyennes continuent d'augmenter, la demande mondiale de conditionnement d'air devrait tripler d'ici 2050 si aucune action n’est menée concernant l’efficacité énergétique. L'augmentation des températures s'accompagne d'une augmentation de la demande en conditionnement d'air, qui nécessite d'énormes quantités d'énergie.

 

Tout au long de l'histoire, les humains ont trouvé des moyens innovants pour refroidir l’air qui les entoure. L'un des moyens les plus classiques de refroidir l'air chaud est de le mettre en contact avec de l'eau, qui absorbe la chaleur de l'air lorsque l’eau s'évapore, un processus appelé refroidissement par évaporation (EC en anglais).

 

Cependant, comme le refroidissement évaporatif ajoute de l'humidité à l'air, il ne fonctionne bien que dans les climats chauds et secs comme au Moyen-Orient et dans le sud-ouest des États-Unis. Ce n'est pas le cas dans les régions humides telles que les tropiques, où se concentre près de la moitié de la population mondiale.

 

Ainsi, une variante de l'EC appelée refroidissement évaporatif indirect (IEC en anglais) a été introduite à peu près au même moment où la compression mécanique de vapeur a été inventée au début du 20^e siècle. Tout comme le refroidissement évaporatif, l'IEC refroidit également les bâtiments par évaporation d'eau, mais les systèmes IEC contiennent une unité d'échange thermique qui isole la vapeur d'eau de l'air qui est dirigé dans le bâtiment, ce qui permet d'éliminer la chaleur sans y ajouter d'humidité. La raison pour laquelle les systèmes IEC accusent un retard important par rapport aux unités à compression mécanique de vapeur qui dominent le marché est qu'il s'agit de systèmes qui, bien que nécessitant très peu d'énergie pour fonctionner, sont difficiles à fabriquer en raison de la complexité de l'unité d'échange de chaleur, ce qui les rend onéreux et leur performance difficile à optimiser.

 

Deux scientifiques de Harvard (Jack Alvarenga, M.S. et Jonathan Grinham, D.Des) travaillent à intégrer la technologie du 21e siècle dans les systèmes IEC, pour permettre à ceux-ci de refroidir efficacement et à moindre coût l'air dans les climats humides et secs. Selon leurs travaux, leur technologie, appelée Cold-SNAP (abréviation de Cold Superhydrophobic Nano-Architectured Process), utiliserait jusqu'à 75% d'énergie en moins que les climatiseurs à compression mécanique de vapeur.

 

Comme mentionné dans une autre actualité de la newsletter "The benefits of 3D printing in refrigeration and air conditioning", différentes substances peuvent être utilisées dans l'impression 3D : la poudre métallique, les thermoplastiques, les composites, le verre mais aussi la céramique ; ainsi Cold-SNAP atteint ses hautes performances grâce à l'intégration de l'ancien et du nouveau : la céramique, un des matériaux de construction les plus anciens, les moins chers et les plus utilisés, et un nouveau revêtement de surface récemment développé dans le laboratoire de Joanna Aizenberg, membre de l'Université des Sciences Appliquées de Wyss. La rugosité à l'échelle nanométrique du revêtement le rend extrêmement hydrophobe et, lorsqu'il est appliqué sur un carreau de céramique à forte absorption d'eau, cela produit un échange de chaleur très efficace qui peut isoler efficacement l'eau qui s'évapore de l'air refroidi. La céramique étant très malléable, il est possible de produire un échangeur de chaleur complet par extrusion ou impression 3D en une seule pièce, et sa forme peut être ajustée pour maximiser la surface disponible pour le transfert de chaleur et l'évaporation. Le revêtement hydrophobe est ensuite appliqué de manière sélective sur les composants qui vont gérer le flux d'air sec, couplé à une pompe à eau, un ventilateur et des commandes.

 

Selon les scientifiques, des études préliminaires ont indiqué que le système Cold-SNAP peut être jusqu'à quatre fois plus efficace que les climatiseurs classiques.

 

M. Grinham, a déclaré : "L'impact que le Cold-SNAP peut avoir au niveau mondial est double : d'une part, son faible coût prévu permettra aux habitants des régions les plus pauvres de s'offrir un refroidissement efficace ; d'autre part, sa faible consommation d'énergie contribuera à réduire la consommation globale d'électricité à mesure que les gens changeront ou moderniseront leurs systèmes de climatisation vieillissants, atténuant ainsi les hausses de température futures.

 

L'équipe de l'université de Havard explore actuellement différentes techniques de fabrication et prépare une étude pilote cet été pour voir comment le système se comporte dans des conditions réelles de chaleur et d'humidité.

 

⁽¹⁾ https://www.iea.org/reports/the-future-of-cooling

Autres sources :

https://wyss.harvard.edu/technology/cold-snap-eco-friendly-air-conditioning/

https://wyss.harvard.edu/news/cold-snap-air-conditioning-that-cools-people-and-the-planet/