Environ 40 pour cent de toute l'énergie consommée par les bâtiments dans le monde est utilisée pour le chauffage et le refroidissement des locaux. Avec le réchauffement climatique ainsi que la croissance démographique et l'élévation du niveau de vie, en particulier par temps chaud, régions humides du monde en développement - le niveau de refroidissement et de déshumidification nécessaire pour assurer le confort et protéger la santé humaine devrait augmenter rapidement, augmenter la demande mondiale d'énergie.

De nombreuses discussions se concentrent maintenant sur le remplacement des gaz à effet de serre fréquemment utilisés comme réfrigérants dans les climatiseurs d'aujourd'hui. Mais une autre préoccupation urgente est que la plupart des systèmes existants sont extrêmement énergivores.

"La principale raison pour laquelle ils sont inefficaces est qu'ils ont deux tâches à accomplir, " dit Leslie Norford, le professeur George Macomber (1948) en gestion de la construction au département d'architecture. "Ils ont besoin d'abaisser la température et d'éliminer l'humidité, et faire ces deux choses ensemble demande beaucoup d'énergie supplémentaire."

L'approche standard de la déshumidification consiste à faire circuler de l'eau froide dans des tuyaux à l'intérieur d'un espace de construction. Si cette eau est plus froide que la température du point de rosée, la vapeur d'eau dans l'air se condensera sur les surfaces extérieures des tuyaux. (Pensez aux gouttelettes d'eau perlant sur une canette de soda froide sur une jour humide.) Dans un système de climatisation, que l'eau puisse tomber à l'extérieur ou, dans un système à grande échelle desservant un bâtiment, être rassemblés dans un bac de récupération.

Le problème est que faire fonctionner un refroidisseur pour obtenir de l'eau aussi froide demande beaucoup d'électricité et l'eau est beaucoup plus froide que nécessaire pour abaisser la température dans la pièce. La séparation des deux fonctions apporte des économies d'énergie sur deux fronts. L'élimination de l'humidité de l'air extérieur introduit dans le bâtiment nécessite de l'eau froide, mais beaucoup moins qu'il n'en faut pour évacuer la chaleur des zones occupées. Avec ce travail fait, faire couler de l'eau fraîche (pas froide) à travers des tuyaux dans le plafond ou le sol maintiendra une température confortable.

Il y a une décennie, Norford et ses collègues du Masdar Institute à Abu Dhabi ont confirmé les avantages énergétiques du maintien de températures confortables en utilisant des tuyaux d'eau froide dans la pièce, en particulier lorsque les espaces intérieurs sont pré-refroidis la nuit, quand l'électricité est bon marché et l'air extérieur est frais. Mais le processus de déshumidification est resté inefficace. La condensation de la vapeur d'eau est intrinsèquement énergivore, les chercheurs devaient donc trouver un autre moyen d'éliminer l'humidité.

Emprunter aux systèmes de dessalement

Il y a deux ans, une alternative prometteuse a été portée à l'attention de Norford par John Lienhard, Abdul Latif Jameel du MIT, professeur d'ingénierie hydraulique et mécanique. Lienhard est le collègue de Norford au Center for Environmental Sensing and Modeling, un groupe de recherche de l'Alliance Singapour-MIT pour la recherche et la technologie. Lienhard travaillait sur des technologies économes en énergie pour le dessalement. Faire bouillir de l'eau de mer pour précipiter le sel est très énergivore, le groupe de Lienhard cherchait donc plutôt à utiliser des membranes semi-perméables qui laissent passer les molécules d'eau mais arrêtent les ions de sel. Norford a pensé qu'une membrane similaire pourrait être conçue pour permettre aux molécules de vapeur d'eau de passer afin qu'elles puissent être séparées des autres, molécules plus grosses qui composent l'air intérieur.

Ce concept est devenu le sujet d'un projet entrepris par deux étudiants diplômés en génie mécanique :Tianyi Chen, qui travaillait avec Norford sur les impacts des flux d'air extérieur sur la performance énergétique des bâtiments, et Omar Labban, qui collaborait avec Lienhard sur l'utilisation de membranes dans les systèmes de dessalement. Les étudiants se sont rencontrés dans un cours avancé de conversion énergétique enseigné par Ahmed Ghoniem, le Ronald C. Crane ('72) professeur de génie mécanique. Jumelé pour un projet de classe, ils ont identifié la climatisation comme un sujet qui s'appuierait sur leurs domaines d'intérêt de recherche respectifs et utiliserait leur expertise nouvellement acquise en modélisation et analyse thermodynamiques.

Leur première tâche a été de développer un modèle thermodynamique des processus fondamentaux impliqués dans la climatisation. En utilisant ce modèle, ils ont calculé le minimum de travail théorique nécessaire pour réaliser la déshumidification et le refroidissement. Ils pourraient alors calculer l'efficacité dite de seconde loi d'une technologie donnée, C'est, le rapport entre le minimum théorique et sa consommation d'énergie réelle. En utilisant cette métrique comme référence, ils pourraient effectuer une systématique, comparaison cohérente de divers modèles dans différents climats.

Comme référence industrielle de comparaison, ils ont utilisé le coefficient de performance (COP), une métrique qui montre combien d'unités de refroidissement sont fournies pour chaque unité d'électricité d'entrée. Le COP est utilisé par les fabricants d'aujourd'hui, il pourrait donc montrer comment différentes conceptions pourraient fonctionner par rapport à l'équipement actuel. Pour référence, Norford cite le COP des systèmes disponibles dans le commerce comme allant de 5 à 7. "Mais les fabricants proposent constamment de meilleurs équipements, donc les poteaux pour les concurrents bougent continuellement, " il dit.

Les recherches antérieures de Norford avaient montré que les tuyaux d'eau froide au plafond ou au sol peuvent gérer efficacement les charges de refroidissement intérieures, c'est-à-dire la chaleur venant des gens, des ordinateurs, lumière du soleil, etc. Les chercheurs se sont donc concentrés sur l'élimination de la chaleur et de l'humidité de l'air extérieur amené pour la ventilation.

Ils ont commencé par examiner les performances d'un climatiseur disponible dans le commerce qui utilise le système de compression de vapeur standard (VCS) utilisé depuis un siècle. Leur analyse a quantifié l'inefficacité de ne pas séparer le contrôle de la température et de l'humidité. Plus loin, il a identifié une source majeure de cette inefficacité :le processus de condensation. Leurs résultats ont montré que le système était le moins efficace en froid, conditions humides et améliorées à mesure que les conditions devenaient plus chaudes et plus sèches. Mais au mieux, il consomme cinq à dix fois plus d'énergie que le minimum théorique requis. Ainsi, il y avait d'importantes possibilités d'amélioration.

Membranes et dessiccants

Pour explorer l'utilisation de la technologie membranaire, les chercheurs ont commencé avec un système simple incorporant une seule unité contenant une membrane. L'air extérieur entre dans l'unité, et une pompe à vide tire la vapeur d'eau à travers la membrane. La pompe élève ensuite la pression aux niveaux ambiants afin que la vapeur d'eau devienne de l'eau liquide avant d'être éjectée du système. L'air extérieur non plus humide passe de l'unité à membrane à travers un serpentin de refroidissement conventionnel et pénètre dans l'espace intérieur, fournir de l'air frais pour la ventilation et pousser un peu plus chaud, air extrait humide à l'extérieur.

Selon leur analyse, le système fonctionne mieux dans des conditions relativement sèches, mais même alors, il atteint un COP de seulement 1,3, ce qui n'est pas assez élevé pour rivaliser avec un système actuel. Le problème est que faire fonctionner la pompe à vide avec des taux de compression élevés consomme beaucoup d'énergie.

Pour aider à refroidir le flux d'air entrant, les chercheurs ont essayé d'ajouter un échangeur de chaleur pour transférer la chaleur de l'air chaud entrant vers l'air frais d'échappement et un condenseur pour transformer la vapeur d'eau capturée par l'unité à membrane en eau froide pour le serpentin de refroidissement. Ces changements ont poussé le COP à 2,4, mieux mais pas assez.

Les chercheurs ont ensuite envisagé des options utilisant des dessiccants, matériaux qui ont une forte tendance à adsorber l'eau et sont souvent emballés avec des produits de consommation pour les garder au sec. Dans les systèmes de climatisation, un revêtement déshydratant est généralement monté sur une roue qui est positionnée entre les flux d'air entrant et sortant. Lorsque la roue tourne, une partie du déshydratant traverse d'abord l'air entrant et en absorbe l'humidité. Il traverse ensuite l'air d'échappement réchauffé, qui le sèche pour qu'il soit prêt à adsorber plus d'humidité lors de son prochain passage dans l'air entrant.

Les chercheurs ont commencé par analyser plusieurs systèmes intégrant une roue déshydratante, mais les gains en COP ont été limités. Ils ont ensuite essayé d'utiliser ensemble les technologies dessiccants et des membranes. Dans cette conception, une roue déshydratante, un échangeur d'humidité à membrane, et un échangeur de chaleur transfèrent tous l'humidité et la chaleur de l'air entrant à l'air évacué. Un serpentin de refroidissement refroidit davantage l'air entrant avant qu'il ne soit envoyé dans l'espace intérieur. Une pompe à chaleur réchauffe l'air extrait, qui passe ensuite à travers le dessiccateur pour le sécher et le régénérer pour une utilisation continue.

Ce système "hybride" compliqué donne un COP de 4 dans une large gamme de températures et d'humidité. Mais ce n'est toujours pas assez élevé pour rivaliser.

Système à deux membranes

Les chercheurs ont ensuite essayé un nouveau système qui omet la roue dessiccante mais comprend deux unités à membrane, donnant un design relativement simple mais plus spéculatif que les autres. Le nouveau concept clé concernait le devenir de la vapeur d'eau dans le flux d'air entrant.

Dans ce système, une pompe à vide tire la vapeur d'eau à travers une membrane - maintenant appelée unité à membrane 1. Mais la vapeur d'eau capturée est ensuite poussée à travers la membrane dans l'unité 2 et rejoint le flux d'air d'échappement - sans jamais se transformer en eau liquide. Dans cette disposition, la pompe à vide n'a qu'à s'assurer que la pression de vapeur est plus élevée du côté amont de la membrane 2 qu'elle ne l'est du côté aval pour que la vapeur d'eau soit poussée à travers. Il n'est pas nécessaire d'augmenter la pression aux niveaux ambiants, qui condenserait la vapeur d'eau, donc faire fonctionner la pompe à vide demande moins de travail. Cette nouvelle approche se traduit par un COP pouvant atteindre 10 et atteint un COP de 9 à de nombreuses combinaisons de température et d'humidité.

Différentes options pour différentes villes

Pour la plupart des systèmes analysés, les performances varient selon différentes combinaisons de température ambiante et de niveau d'humidité. Pour étudier l'impact pratique de cette variabilité, les chercheurs ont examiné les performances des systèmes sélectionnés dans quatre villes aux climats différents. Dans chaque cas, l'analyse a supposé une température extérieure et une humidité relative moyennes en été.

En général, les systèmes qu'ils considéraient surpassaient les VCS conventionnels fonctionnant à des COP conformes à la pratique actuelle. Par exemple, à Dubaï (représentant un climat désertique tropical), l'utilisation du système hybride membrane-déshydratant pourrait réduire la consommation d'énergie jusqu'à 30 pour cent par rapport au VCS standard. A Las Vegas (un climat subtropical aride), où l'humidité est plus faible, un système à base de déshydratant (sans membrane) est l'option la plus efficace, apportant potentiellement également une réduction de 30 pour cent.

A New York (un climat subtropical humide), tous les dessins ont l'air bien, mais le système à base de déshydratant fait mieux avec une réduction de 70 pour cent de la consommation d'énergie globale. Et à Singapour (un climat océanique tropical), le système déshydratant et le système combiné membrane-déshydratant fonctionnent aussi bien, avec des économies potentielles pouvant atteindre 40 % et compte tenu des coûts des deux options, le système déshydratant seul apparaît comme le premier choix.

Pris ensemble, les résultats des chercheurs fournissent deux messages clés pour parvenir à un refroidissement intérieur plus efficace dans le monde entier. D'abord, l'utilisation de membranes et de déshydratants peut augmenter l'efficacité du climatiseur, mais les vrais gains de performance surviennent lorsque ces technologies sont incorporées dans des systèmes soigneusement conçus et intégrés. Et deuxieme, le climat local et la disponibilité des ressources, tant en énergie qu'en eau, sont des facteurs essentiels à prendre en compte pour décider quel système de climatisation offrira les meilleures performances dans une région donnée du monde.