A photovoltaic-thermal (PVT) collector is a solar-based micro-cogeneration system which generates simultaneously heat and power for buildings. A hybrid renewable energy system consists of one or more renewable energy sources combined with energy storages and provides energy for a certain energy demand. To maximize the self-consumption and autonomy of renewable energy sources, the optimal size of the hybrid energy system components has to be determined.

Depuis quelques années, la demande en climatisation connait un essor particulier, notamment dans les secteurs des bâtiments commerciaux et institutionnels, et dans le secteur industriel. L’utilisation de machines frigorifiques à absorption alimentées par énergie solaire thermique, par des sources de chaleur fatale, ou via les réseaux de chaleur dispense à la fois la production de froid requise, tout en valorisant ces sources.

L’utilisation des échangeurs à plaques et ailettes a été élargie aux procédés cryogéniques tel que la liquéfaction du gaz naturel et aux systèmes de réfrigération. Les ailettes les plus utilisées dans ces évaporateurs sont les ailettes décalées car elles favorisent l’homogénéisation de l’écoulement et empêchent l’établissement des couches limites thermiques afin de favoriser la turbulence et améliorer ainsi le transfert thermique.

Dans le domaine industriel, les ingénieurs énergéticiens ont besoin de savoir l’optimum de fonctionnement des échangeurs de chaleur dans un équipement donné. Cette information leur permet de décider quel échangeur est le meilleur pour leur construction, et si l’échangeur existe déjà quels sont les paramètres de fonctionnement optimums pour assurer les rendements attendus. La réaction chimique nécessitant une homogénéisation de la température requiert un échangeur de chaleur avec agitateur.

Le développement quasi exponentiel des MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems) dans l’industrie permet d’accroître la densité de composants sur différents supports électroniques et informatiques. L’augmentation résultante des sources de chaleur nécessite alors d’intensifier les transferts thermiques dans le but de refroidir ces composants. Le développement des micro-systèmes tire profit de la technologie MEMS. En effet, à ces échelles miniatures, des procédés de micro-fabrication sont utilisés pour la réalisation des prototypes.

Les échangeurs de chaleur étant des composants clé de tout système de réfrigération et de chauffage, l’amélioration des transferts thermiques qui leur sont associés est importante pour obtenir une plus grande efficacité. Ce travail se focalise sur un évaporateur à film tombant qui peut être utilisé dans une machine à sorption. Un film laminaire de fluide incompressible s’écoulant sous l’effet de la gravité sur une plaque verticale chauffée au moyen d’un fluide caloporteur en co-courant est étudié.

Situé dans l’Océan Indien près de Madagascar, l’île de La Réunion présente un contexte énergétique particulier dans la mesure où elle est une Zone Non Interconnectée (ZNI) et l’équilibre production - consommation se fait donc à l’échelle de l’île. Le mix énergétique est très carboné (680 g CO2/kWh) car il est constitué à 64% d’énergies fossiles (fioul, charbon) et à 36% d’énergies renouvelables.

L’unité de micro-cogénération développée est constituée d’une chaudière biomasse d’une puissance de 30 kW, d’un moteur à air chaud de type Ericsson dédié à la production d’électricité et d’un échangeur de chaleur air-gaz brûlés inséré dans la chambre de combustion de la chaudière, échangeur qui permet d’alimenter en air chaud le moteur Ericsson. Une étude a été menée sur un échangeur de chaleur modèle qui doit résister à des températures élevées et à un environnement sévère (risque d’encrassement dans le pot de combustion de la chaudière).

La contribution de l’industrie des échangeurs de chaleur et des radiateurs à l’accord de Paris pour la réduction des émissions  CO2 consiste principalement en l’augmentation de leur efficacité, d’une part en améliorant la transmission spécifique d’un échangeur et, d’autre part, en réduisant la perte de pression, ce qui engendre automatiquement une baisse de la consommation d’énergie pour cette transmission. L’idéal serait d’atteindre ces deux objectifs simultanément.

Dans un contexte de réchauffement climatique et d’accroissement de la population urbaine, les besoins en froid pour les bâtiments commerciaux, institutionnels et pour les applications industrielles sont en flagrante augmentation. La valorisation de sources de chaleur fatale, de l’énergie solaire thermique ou des réseaux de chaleur est un enjeu sociétal fort dans le cadre actuel. L’utilisation de machines à absorption est une solution permettant de produire du froid, à partir de ces sources de chaleur.

L’eau chaude sanitaire (ECS) représente en 2017 11% de la consommation d’énergie primaire dans le résidentiel qui représente quant à elle 45% des consommations énergétiques totales. Bien que cette part reste relativement réduite dans l’existant, les nouvelles réglementations thermiques, vont la rendre prépondérante au niveau des consommations dans les bâtiments résidentiels neufs. Pour réduire la consommation de ce poste, il est d’abord possible de travailler sur les besoins (isolation du réseau/stockage, réduction des débits, modification du comportement).

Le département ÉNERGIE de l’Institut FEMTO-ST développe depuis quelques années des recherches autour de la production de froid et chaleur à haute efficacité grâce aux propriétés magnétocaloriques de certains matériaux autour de température ambiante.