Refroidissement / Réchauffement d`air par modules thermoélectriques

Refroidissement / Réchauffement d’air
par modules thermoélectriques
Matthieu COSNIER, Gilles FRAISSE, Lingai LUO
LOCIE, Polytech’Savoie, Université de Savoie, 73376 Le Bourget du lac Cedex
Résumé :
Les systèmes de climatisations actuels connaissent ces dernières années un développement sans précédent. S’ils permettent de réduire sensiblement les périodes d’inconfort durant l’été, ces systèmes sont très
consommateurs en énergie et contiennent des gaz réfrigérants néfastes. Dans notre étude, nous souhaitons utiliser un système thermoélectrique adapté à la ventilation des bâtiments, en vue de refroidir ou réchauffer l’air intérieur
des habitats. Nous présentons ici le montage expérimental qui nous a permis de nous assurer de la possibilité de refroidir ou réchauffer un débit d’air à partir de modules thermoélectriques. Le modèle numérique correspondant à
cette expérience est également détaillé. D’après les résultats obtenus, des valeurs de COP supérieures à 1,5 peuvent être attendues si des conditions de températures et d’intensité sont respectées. Le cas de la ventilation double flux,
qui permet de respecter ces conditions est abordé en dernière partie.
Objectif n°1:
Objectif n°2:
Utilisation de modules thermoélectriques pour le refroidissement ou le réchauffement d’un débit d’air
Application au réseau de ventilation des maisons individuelles pour atteindre le confort d’été et diminuer les
Principe des modules thermoélectriques: Effet Peltier
consommations de chauffage
Création de froid et de chaud par le passage d’un courant continu dans des semi-conducteurs différents
Constat : la ventilation est
Avantages :
•Indispensable
•Responsable d’une grande part des déperditions
des maisons individuelles
• Aucun fluide frigorigène
• Pas de pièces mobiles
• Grande simplicité d’utilisation
Avantages :
• Réversible
• Fonctionne en DC (application PV)
•Pas besoin d’un système annexe de distribution
de chaleur ou de froid
•Température intérieure varie avec la température extérieure
Æ Confort adaptatif Æ Réduction des besoins de refroidissement
Inconvénient:
• COP inférieur à ceux des systèmes à compression de vapeur
Refroidissement / réchauffement d’un débit d’air
Refroidissement / réchauffement d’un débit d’air
Montage expérimental :
Modélisation du dispositif expérimental:
• Dissipateur compact à ailettes pour échange thermique modules /air
• 4 modules thermoélectriques
• Intensité de 1 à 5 ampères
• Débits d’air de 6 à 30 m3/h
• Conditions imposées sur les faces externes par
2 boites à eau et isolation
• Régime permanent
• Analogie électrique
Effet Joule
• Réduction du système à une rangée de canaux
• Puissance froide absorbée par la face froide des modules:
Comparaison expérience / modélisation
⎡
⎤
ρ .I 2
Qc = 2.N .Nm. ⎢α .I .Tc −
− k .G. (Th − Tc ) ⎥
2.G
⎣
⎦
Effet Peltier
Conduction
Résultats
295
5
• COP inversement proportionnel à
- l’intensité appliquée
- la différence de température entre
face chaude (Th) et face froide (Tc)
3
2
1
0
0
10
20
30
40
Th -Tc (°C)
I=1A
I=2A
I=3A
I=4A
I=5A
290
290
Measurement data (K)
Measurement data (K)
• Résultats en accord avec la théorie
4
Cold COP
295
285
280
285
280
275
• COP froid supérieurs à 1,5 sont
possibles avec une puissance froide par
modules de l’ordre de 40 W
275
270
275
280
100
• COP chaud = COP froid +1
285
290
295
270
275
280
Numerical data (K)
200
300
400
285
290
295
Numerical data (K)
500 l/min
Température en sortie
100
200
300
400
500 l/min
Température de la face froide
Æ Possibilité de refroidir ou réchauffer un débit d’air à partir de modules thermoélectriques
Æ La comparaison expérience / modèle est satisfaisante, l’erreur sur les puissances fournies est dans la majorité des cas inférieure à 5%
Æ Conditions nécessaires pour obtenir des COP acceptables (supérieurs à 1,5) : minimiser l’intensité appliquée et la différence de température entre les faces froides et
chaudes de chaque module thermoélectrique. Pour cela il faut :
ƒ Maximiser les transferts entre l’air et les modules thermoélectriques
ƒ Trouver des conditions favorables de fonctionnement
Air
soufflé
Application au réseau de ventilation des maisons individuelles
Æ Ventilation double flux = cas favorable de fonctionnement :
Modules
Peltier
• Existence de deux vecteurs pour dissiper la chaleur sur les faces froides ou chaudes
• Gradient de température favorable: l’air en entrée côté froid est plus chaud que l’air en
entrée côté chaud (application contre courant)
Æ Application du modèle en configuration contre courant
Air
extrait
32°C
Température
intérieure
27°C
Débit d’air
450
m3/h
Nombre de modules
thermoélectriques
2500
12
2000
10
6
1000
4
500
50
Dissipateur commercial
Perspectives
8
1500
0
0
1
2
3
4
5
Intensity (Amps)
6
7
COP
Température
extérieure
Cold Power (W)
Exemple :
Cold Power
COP
• Application du modèle double flux sous environnement TRNSYS
• Quantification du confort d’été, des consommations
2
• Optimisation de la régulation et de la géométrie des dissipateurs pour diminuer les consommations et
garantir le confort thermique (couplage des logiciels GenOpt et TRNSYS)
0
• Application hiver
8
• Application photovoltaïque : couplage direct pour lissage de la consommation électrique l’été