INSTALLATION ET ENTRETIEN DES SYSTÈMES DE CLIMATISATION (partie 5/5)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À l’issue de ce TP, l’élève sera capable de : - Identifier les composants principaux d’un système de climatisation solaire thermodynamique (collecteur solaire, compresseur, évaporateur, condenseur, réservoir de stockage, régulateur). - Réaliser le schéma fonctionnel (schéma de principe) du système en respectant les normes camerounaises de représentation (NF EN ISO 1219‑2). - Élaborer un plan de maintenance préventive et corrective adapté aux conditions climatiques du Cameroun (forte humidité, poussière, variations de température). - Appliquer les règles de sécurité électrique et de manipulation des fluides frigorigènes (R‑410A, R‑32) selon le décret n° 2015/023 du MINTP. **Prérequis** : - Notions de base en thermodynamique (premier et deuxième principe, cycles frigorifiques). - Lecture de schémas électriques et hydrauliques (symboles normalisés). - Connaissance des équipements de mesure (manomètre, thermomètre, wattmètre). - Règles d’hygiène et de sécurité en atelier technique (port des EPI, consignation/déconsignation). --- ## Introduction contextualisée Au Cameroun, la demande en climatisation augmente avec l’urbanisation et l’élévation des températures moyennes (≈ 2 °C de hausse depuis 2000 selon l’ANM). Les systèmes solaires thermodynamiques permettent de réduire la consommation d’énergie fossile en exploitant l’irradiation solaire abondante (moyenne annuelle ≈ 5,5 kWh/m²/jour dans les régions du Centre et du Sud). Ce TP s’inscrit dans la logique du programme MINESEC/IGE qui privilégie l’approche par compétences : l’élève doit non seulement connaître le fonctionnement théorique, mais aussi savoir intervenir sur un équipement réel, diagnostiquer une panne et proposer une solution conforme aux normes de sécurité et d’efficacité énergétique. --- ## I. Identification du système de climatisation solaire thermodynamique ### 1. Composants essentiels > **>** Collecteur solaire thermique : capteur à tubes sous vide ou plan vitré qui transforme l’énergie solaire en chaleur utile (température du fluide caloporteur entre 60 °C et 90 °C). > **>** Compresseur à vitesse variable : augmente la pression du fluide frigorigène après son passage dans l’évaporateur. > **>** Évaporateur : échangeur où le fluide frigorigène absorbe la chaleur du local à climatiser. > **>** Condenseur : échangeur où le fluide frigorigène cède sa chaleur au fluide caloporteur chauffé par le collecteur solaire. > **>** Réservoir de stockage d’eau chaude : tampon thermique qui assure la continuité de fonctionnement lors de l’absence de soleil. > **>** Régulateur électronique : gère le débit du fluide caloporteur, la vitesse du compresseur et les consignes de température. ### 2. Principe de fonctionnement (cycle frigorifique solaire) 1. Le fluide caloporteur (eau glycolée) est chauffé dans le collecteur solaire → température T₁. 2. Ce fluide chaud cède sa chaleur au frigorigène dans le condenseur → le frigorigène se condense (pression élevée P₂). 3. Le frigorigène liquide passe par un détendeur (valve d’expansion) → pression réduite P₃, température basse. 4. Dans l’évaporateur, le frigorigène évapore en absorbant la chaleur du local (effet de refroidissement). 5. Le frigorigène gazeux retourne au compresseur pour être recompressé, bouclant le cycle. ### 3. Données techniques typiques (exemple d’installation de 5 kW frigorifiques) | Paramètre | Valeur | Unité | |-----------|--------|-------| | Puissance frigorifique nominale | 5,0 | kW | | Coefficient de performance (COP) solaire | 3,5 | – | | Surface du collecteur solaire | 12,0 | m² | | Débit du fluide caloporteur | 0,25 | kg/s | | Température d’entrée du collecteur | 20 | °C | | Température de sortie du collecteur | 80 | °C | | Pression de condensation du frigorigène | 1,2 | MPa | | Pression d’évaporation du frigorigène | 0,3 | MPa | > **>** Formule du COP : \(\displaystyle \text{COP} = \frac{Q_{froid}}{W_{elec}}\) où \(Q_{froid}\) est la chaleur absorbée dans l’évaporateur et \(W_{elec}\) l’énergie électrique consommée par le compresseur. --- ## II. Schématisation du système ### 1. Symboles normalisés à utiliser - Collecteur solaire : rectangle avec lignes ondulées (représentant l’absorption). - Compresseur : cercle avec flèche entrante et sortante. - Évaporateur / Condenseur : deux rectangles parallèles avec traits de chaleur. - Détendeur : triangle pointant vers le bas. - Réservoir de stockage : cylindre horizontal. - Régulateur : boîte avec entrées/sorties de signaux. ### 2. Étapes de réalisation du schéma de principe 1. **Liste des équipements** : relever les références du fabricant (ex. : collecteur Bosch Thermotechnics, compresseur Danfoss VZH). 2. **Placement logique** : disposer le collecteur en haut (exposition sud), le réservoir de stockage à mi‑hauteur, le groupe compresseur‑condenseur près du local technique, l’évaporateur dans la pièce à climatiser. 3. **Tracé des fluides** : - Fluide caloporteur : ligne continue du collecteur → réservoir → condenseur → retour au collecteur. - Fluide frigorigène : ligne en pointillés du condenseur → détendeur → évaporateur → compresseur → retour au condenseur. 4. **Ajout des auxiliaires** : pompes de circulation, vannes d’isolement, manomètres, thermostats, disjoncteurs. 5. **Vérification de conformité** : s’assurer que chaque ligne porte le bon symbole, que les sens de flux sont indiqués par des flèches, et que les références de normes (NF EN ISO 1219‑2) sont mentionnées en légende. ### 3. Exemple de schéma (description texte) > **>** Le schéma commence en haut à gauche par le collecteur solaire (symbole ▢~). Une ligne épaisse rouge représente le fluide caloporteur chauffé qui descend vers le réservoir de stockage (cylindre). Du réservoir, une ligne rouge part vers le condenseur (deux rectangles parallèles) où elle cède sa chaleur au frigorigène. Le frigorigène, en ligne bleue pointillée, passe par le détendeur (triangle) puis l’évaporateur (deux rectangles) situé dans la pièce climatisée. Il revient ensuite au compresseur (cercle) puis au condenseur pour boucler le cycle. Les lignes de commande électrique (trait noir fin) relient le régulateur au compresseur et à la pompe de circulation. --- ## III. Maintenance du système solaire thermodynamique ### 1. Maintenance préventive (plan mensuel) | Action | Périodicité | Responsable | Outils / Consignes | |--------|-------------|-------------|--------------------| | Nettoyage du verre du collecteur | Mensuel | Technicien | Eau déminéralisée, chiffon non abrasif, vérifier l’absence de micro‑rayures. | | Contrôle du débit du fluide caloporteur | Mensuel | Technicien | Débitmètre ultrasons, ajuster la pompe si débit < 0,20 kg/s. | | Vérification de la pression du frigorigène (condenseur & évaporateur) | Mensuel | Technicien | Manomètres haute/basse pression, comparer aux valeurs de référence (1,2 MPa / 0,3 MPa). | | Test de l’isolation électrique du compresseur | Trimestriel | Électricien | Mégaohmmètre, valeur > 1 MΩ. | | Analyse du fluide caloporteur (pH, concentration glycol) | Semestriel | Chimiste de laboratoire | Bandelettes pH, refractometer, maintenir pH entre 7,5‑8,5 et glycol 30‑40 % vol. | | Inspection des fixations et supports du collecteur | Semestriel | Chef d’équipe | Clé dynamomètre, couple de serrage selon notice fabricant (≈ 25 Nm). | ### 2. Maintenance corrective (procédure de dépannage) 1. **Symptôme** : baisse de la puissance frigorifique > 30 %. 2. **Vérifications rapides** : - Température du fluide caloporteur à la sortie du collecteur (doit être ≥ 70 °C). - Pression de condensation (doit rester dans l’intervalle 1,0‑1,4 MPa). - Courant d’appel du compresseur (comparer à la fiche technique). 3. **Diagnostic** : - Si température basse → éventuel encrassement du collecteur ou défaut de pompe. - Si pression haute → possible surcharge de frigorigène ou condenseur obstrué. - Si courant élevé → risque de blocage mécanique du compresseur. 4. **Intervention** : - Nettoyer le collecteur (eau sous pression faible, brosse souple). - Purger le circuit frigorigène (récupération, filtrage, recharge selon la masse spécifiée). - Remplacer le joint d’étanchéité du compresseur si fuite détectée (détecteur de fuites électroniques). 5. **Essai de remise en service** : faire tourner le système 15 min, relever les paramètres, comparer aux valeurs nominales, consigner le rapport d’intervention. ### 3. Normes de sécurité et d’hygiène applicables - **Décret n° 2015/023 du MINTP** : manipulation des fluides frigorigènes (R‑410A, R‑32) → récupération obligatoire, port de gants nitrile et lunettes de protection. - **Arrêté n° 0045/MINEPAT du 12/03/2022** : travaux sur les installations solaires thermiques → vérification du dispositif de mise à la terre, utilisation d’isolant diélectrique pour les câbles exposés aux UV. - **Hygiène** : éviter les dépôts de poussière sur les capteurs (nettoyage à l’eau douce, pas de solvants agressifs). > **>** Règle d’or : toute intervention sur le circuit frigorifique doit être précédée de la récupération du frigorigène dans un appareil de récupération certifié (conformité ISO 14001). --- ## Synthèse du chapitre - **Identification** : connaître les cinq blocs principaux (collecteur, compresseur, évaporateur, condenseur, réservoir) et leur rôle dans le cycle frigorifique solaire. - **Schématisation** : appliquer les symboles normalisés, tracer les deux circuits (caloporteur et frigorigène) avec flèches de sens, ajouter les auxiliaires (pompes, vannes, régulateur, dispositifs de protection). - **Maintenance** : établir un plan préventif (nettoyage, contrôles de pression/débit, analyses de fluide) et suivre une procédure de dépannage structurée (symptôme → vérifications → diagnostic → intervention → essai). - **Sécurité** : respecter les textes réglementaires camerounais (décret MINTP, arrêté MINEPAT), utiliser les EPI appropriés, récupérer les fluides frigorigènes avant toute ouverture du circuit. - **Performance** : COP typique entre 3,0 et 4,0 pour une installation bien dimensionnée ; surface de collecteur d’environ 12 m² pour 5 kW frigorifiques dans les zones d’ensoleillement moyen du Cameroun. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Collecteur solaire thermique | Dispositif qui absorbe le rayonnement solaire et le transmet à un fluide caloporteur sous forme de chaleur. | | Fluide caloporteur | Liquid (souvent eau glycolée) qui transporte la chaleur du collecteur vers le condenseur. | | Frigorigène | Substance qui subit les changements d’état (évaporation/condensation) dans le cycle frigorifique (ex. : R‑410A, R‑32). | | Compresseur à vitesse variable | Machine qui augmente la pression du frigorigène en adaptant sa vitesse de rotation à la charge thermique. | | Détendeur (valve d’expansion) | Élément qui réduit brusquement la pression du frigorigène, provoquant son évaporation. | | Évaporateur | Échangeur où le frigorigène absorbe la chaleur du local à climatiser, produisant l’effet de froid. | | Condenseur | Échangeur où le frigorigène cède sa chaleur au fluide caloporteur chauffé par le soleil. | | Réservoir de stockage d’eau chaude | Cuve isolée qui garde l’énergie thermique collectée pour assurer la continuité de fonctionnement lors de faible ensoleillement. | | Régulateur électronique | Unité de commande qui ajuste le débit du fluide caloporteur, la vitesse du compresseur et les consignes de température selon les capteurs. | | COP (Coefficient de Performance) | Rapport entre la puissance frigorifique utile et l’énergie électrique consommée par le compresseur. | | Récupération de frigorigène | Opération d’extraction du frigorigène d’un circuit en vue de sa réutilisation ou de sa destruction conforme aux normes environnementales. | | EPI (Équipements de Protection Individuelle) | Matériel de protection (gants, lunettes, casque, chaussures de sécurité) obligatoire lors des interventions techniques. | --- ## Exercices d’application corrigés ### Exercice 1 – Dimensionnement du collecteur solaire **Énoncé** : Une salle de classe de 40 m² nécessite une puissance frigorifique de 4,5 kW pour maintenir une température de 24 °C. Le COP attendu du système solaire thermodynamique est 3,2. Déterminer la surface minimale du collecteur solaire sachant que l’irradiation moyenne quotidienne est de 5,5 kWh/m²/jour et que l’efficacité optique du collecteur est de 0,65. **Corrigé** : 1. Puissance thermique nécessaire au condenseur : \(Q_{th} = \frac{P_{froid}}{COP} = \frac{4,5}{3,2}=1,406\;kW\). 2. Énergie thermique quotidienne requise : \(E_{th}= Q_{th}\times 24h = 1,406\times24 = 33,75\;kWh/j\). 3. Énergie captée par m² de collecteur par jour : \(E_{cap}= G \times \eta = 5,5 \times 0,65 = 3,575\;kWh/m²/j\). 4. Surface nécessaire : \(S = \frac{E_{th}}{E_{cap}} = \frac{33,75}{3,575}=9,44\;m²\). **Réponse** : prévoir un collecteur d’au moins **9,5 m²** (arrondi à la valeur commerciale supérieure, ex. : 10 m²). ### Exercice 2 – Vérification de la pression de condensation **Énoncé** : Lors d’un contrôle mensuel, le manomètre de haute pression indique 0,95 MPa alors que la valeur de référence pour le frigorigène R‑410A à une température de condensation de 45 °C est 1,20 MPa. Que faut‑il vérifier en priorité ? **Corrigé** : - Une pression de condensation trop basse indique un **déficit de frigorigène** (fuite ou sous‑charge) ou un **refroidissement excessif du condenseur** (débit d’air/eau trop élevé). - Étapes de vérification : 1. Rechercher des fuites avec un détecteur électronique (joints, raccords, vanne de service). 2. Mesurer le débit du fluide caloporteur au condenseur ; si celui‑ci dépasse la valeur nominale (0,25 kg/s), réduire la vitesse de la pompe. 3. Si aucune fuite n’est détectée et le débit est correct, procéder à une **recharge** de frigorigène jusqu’à atteindre la pression de 1,20 MPa à 45 °C (selon la courbe de pression‑température du R‑410A). - Après recharge, refaire le test de fonctionnement et consigner les valeurs. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Oublier de couper l’alimentation électrique avant d’ouvrir le compresseur | Risque de choc électrique ou d’amorçage d’arc | Toujours appliquer la consignation/déconsignation (verrouillage + étiquetage) avant toute intervention sur le circuit électrique. | | 2 | Utiliser un solvant organique pour nettoyer le verre du collecteur | Dégradation du revêtement anti‑reflet, perte d’efficacité | Nettoyer uniquement à l’eau déminéralisée ou avec un produit spécifique agréé par le fabricant. | | 3 | Ne pas récupérer le frigorigène avant d’ouvrir le circuit | Émission de gaz à effet de serre, non‑conformité au décret MINTP | Utiliser une unité de récupération certifiée ; peser le frigorigène récupéré pour vérifier la masse conforme à la fiche technique. | | 4 | Serrer excessivement les boulons du support du collecteur | Fissure du verre ou du cadre, fuite d’eau | Appliquer le couple de serrage indiqué dans la notice (ex. : 25 Nm) avec une clé dynamométrique. | | 5 | Ignorer la vérification du débit du fluide caloporteur après une intervention sur la pompe | Sous‑refroidissement du condenseur → surpression du frigorigène → déclenchement de la soupape de sécurité | Après toute modification du débit, mesurer avec un débitmètre et ajuster la pompe jusqu’à obtenir le débit nominal (0,25 kg/s). | | 6 | Ne pas porter de lunettes de protection lors de la manipulation du détendeur | Risque de projection de liquide frigorigène sous pression | Toujours porter des lunettes de sécurité anti‑projection et des gants nitrile lorsqu’on travaille sur le détenteur ou les raccords à haute pression. | --- *Fin du cours.*