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Refroidissement radiatif passif en aquaponie : test

Le refroidissement radiatif passif produit du froid par rayonnement de la chaleur dans l’espace lointain, sans utiliser d’énergie. Par exemple, une plaque métallique posée dans une caisse en polystyrène aux bords évasés et recouverte d’un film en polyéthylène va rayonner des infrarouges vers le ciel et abaisser la température à l’intérieur de la boîte. Ce principe physique est potentiellement applicable en aquaponie pour refroidir les bassins à truites. Ce premier article présente l’étude de la faisabilité en aquaponie. Un second article présente un projet d’application

La recherche sur le refroidissement radiatif passif

Ce comportement physique étudié par Félix Trombe au milieu du siècle dernier, est repris et amélioré depuis 2017 par des équipes de recherche aux USA et en France. Elles ont mis au point de nouveaux matériaux capables de fonctionner y compris le jour, sous éclairage du soleil. Ces dernières nouveautés n’étant pas encore sur le marché, c’est le principe de base étudié par Félix Trombe qui va être adapté à l’aquaponie et plus particulièrement à l’aquaponie avec truites.

Un dispositif très simple et bon marché pour un test de faisabilité

Avant d’envisager une installation opérationnelle dans le système « truites aquaponiques », un test en modèle réduit proche du 1/100 ème doit permettre d’estimer les principaux paramètres du dimensionnement du dispositif.

Le frigo est constitué d’un bac en styrodur de 100 mm d’épais, 35 cm x 35 cm au fond. Les bords de 28 cm s’évasent de 18° vers l’extérieur. Du papier d’aluminium pour emballage recouvre les surfaces intérieures et extérieures. Un couvercle en plastique transparent (papier cristal) ferme le frigo. Le rayonnement vers l’espace d’une plaque d’aluminium anodisée crée le froid. Cette plaque en aluminium entoure 4 tubes en cuivre de 25 cm de long et 8 mm de diamètre intérieur pour une surface d’échange de 251 cm2 (1/20 ème de truites aquaponiques)

Une glacière simule le bassin à truite. Elle contient 28 litres d’eau, soit 1/133 ème de « truites aquaponiques ». Une micro pompe est réglée pour un débit de 0.40 litre par minute. Soit 1 cycle de l’eau totale toutes les 70 minutes , contre 133 minutes pour « truites aquaponiques ». Une glacière identique sert de témoin pour mesurer le refroidissement naturel, la nuit, au travers de l’isolant. Les deux glacières sont complètement fermées et placées à l’abri du soleil. Le réchauffement diurne et le refroidissement nocturne au travers de l’isolant des glacières est identique entre les deux glacières.°

Dispositif de test du refroidissement radiatif passif appliqué à l’aquaponie, vu côté nord.

Un thermomètre avec sonde externe, précis à 0.1°C, permet de suivre l’évolution des températures dans les différents compartiments. La sédimentation thermique de l’eau dans une glacière au repos crée une différence de 1.5 °C entre bas et haut. D’où l’importance d’un brassage de l’eau avant chaque mesure.

Thermomètre pour mesurer l’effet du refroidisement radiatif passif

Les résultats du test de refroidissement radiatif passif

Par une nuit claire de juillet 2020, la pompe fait circuler l’eau au travers du refroidisseur radiatif passif. La chaleur de l’eau se déplace vers les éléments froids du frigo qui se réchauffent. Ce qui contribue à augmenter la perte de chaleur par radiation des infrarouges vers le ciel profond. Ces deux mécanismes se mettent à l’équilibre avec au final un refroidissement de l’eau circulante de 0.9 °C . La puissance calculée du frigo , sans rosée, s’établit à 50 watts/m2 .

Test de refroidissement radiatif passif : grille d'enregistrement des températures
Test de refroidissement radiatif passif : grille d’enregistrement des températures

Conclusion des tests

Les tests confirment un refroidissement d’environ 1°C en 9 heures nocturnes pour une puissance calculée de 50 watts/m2 de plaque radiative. Cela représente 55% des performances obtenues avec les nouveaux matériaux récemment mis au point. Voir le compte rendu d’essai Subambient Cooling of Water: Toward Real-World Applications of Daytime Radiative Cooling (Refroidissement subambiant de l’eau: vers des applications concrètes du refroidissement radiatif de jour) Dongliang Zhao, Ablimit Aili, Yao Zhai, Jiatao Lu, Dillon Kidd, Gang Tan, Xiaobo Yin, Ronggui Yang ; 26/10/2018. Ce travail démontre la faisabilité d’une application grandeur nature (13.5 m2 ) avec une puissance de refroidissement de 90 W/m2 la nuit et 70 W/m2 le jour en plein soleil.

A l’échelle du dispositif « truites aquaponiques » , il faudrait installer entre 8 à 10 m2 de surface radiative nouvelle génération. Soit l’équivalent de la couverture des bassins et filtres. C’est conséquent mais techniquement possible. Reste à vérifier si le refroidissement cumulatif de nuit en nuit, permet de contrôler un réchauffement de l’eau en période caniculaire. La gestion automatique du système suppose également de disposer d’électrovanne qui s’ouvre et se ferme lorsque les conditions de refroidissement sont remplies.

La maîtrise du refroidissement radiatif passif permettrait d’envisager la truite partout en France chez le particulier. Sous réserve de disposer d’un espace dégagé, avec un investissement de départ limité et zéro coût de fonctionnement. Tout en s’inscrivant positivement dans la transition énergétique et le développement durable. C’est pourquoi c’est un thème de recherche qui mérite d’être creusé.

Rajout du 03/11/2020

Ce premier test exploratoire est insuffisant pour décider d’une adaptation en aquaponie. Des tests complémentaires sont nécessaires pour différencier la part de refroidissement convectif due à l’écart de température entre l’air et l’eau et la part de refroidissement radiatif. Ceci est facilement mesurable en comparant les températures entrée de plaque et sortie de plaque, avec ou sans écran faisant obstacle aux radiations vers le ciel. Dans un second temps, l’étude de la radiation d’une lame d’eau mince permettrait d’entrevoir une application pratique. A tester grandeur réelle pour mesurer le comportement en situation de canicule.

12 Comments

  1. Anonyme

    Le test est pour moi complètement biaisé, il fallait laisser l’autre glacière ouverte toute la nuit ..et non fermée.
    Il faut de la rigueur, il n’y a aucune conclusion pertinente possible ici.

    • jcgoudeau

      Bonjour,
      Oui ce test est biaisé : il ne permet pas de différentier le refroidissement radiatif du refroidissement convectif. Par ailleurs les deux glacières sont trop près et échangent de la chaleur. J’ai donc réalisé un second dispositif de test avec les glacières enterrées éloignées avec les deux couvercles ouverts https://www.truitesaquaponiques.com/2020/09/29/froid-radiatif-aquaponie/
      Puis un troisième dispositif de test sur lame mince avec un airlift dans chaque bac pour confirmer un refroidissement radiatif de 1° max par nuit selon conditions nuageuses et un refroidissement convectif de 2° max selon écart de température air-eau. https://www.facebook.com/GoudeauJC/posts/176886397384326

    • PAul Abadie

      Bonjour anonyme,
      je viens de découvrir, peut être comme vous, le site d’une personne qui « cherche » à innover.
      SI la première semble bien fondée, le ton de votre deuxième phrase aurait pu être plus bienveillant. Vous semblez maitriser le sujet et posséder rigueur et pertinence, voilà les qualités que vont vous permettre d’aider JC Goudeau dans sa quête.
      Nous ne sommes pas tous de grands écrivains, mais la communication écrite est difficile. Si vous avez réagi c’est bien que le domaine et le sujet vous interpellent et peut être vous intéressent.
      Ce type de blog permet à tous ceux qui sont passionnés d’un même sujet, de faire avancer les choses, ensemble, grâce à des critiques constructives, des conseils éclairants et des invitations à de nouvelles expériences.
      Puisse le concepteur de ce blog bénéficier de votre aide.
      Cordialement.
      Paul

  2. Rephael boccara

    Tu est un champion fecilitation pour cette reussite j espere qu on arriveta un jour a faire des bassins pour les truites avec ce principe
    Ca pourait donner une solution a ces canicules et ameloirer le bien etre des truites

    • jcgoudeau

      Je suis en train d’écrire une suite à cet article, sur l’utilisation de ce principe en aquaponie. Il y a des pistes intéressantes… mais également quelques limites que seul un cas concret sur une installation complète permettra d’évaluer. Du travail pour 2021.

      • Paul ABADIE

        Bonjour,
        je travaille également sur ce type de procédé (dissipation nocturne) et surtout sélectivité solaire (sur les matériaux).
        Je serai heureux de partager avec vous à l’avenir, car je vais avoir plus de temps dès 2021 pour aller plus loin.
        En tout cas bravo pour ces premiers essais réalisé avec une excellente démarche technique.
        Cordialement.
        Paul Abadie (64)

        • jcgoudeau

          Bonjour, merci pour cette prise de contact. C’est avec plaisir que nous pourrons échanger à votre convenance.
          Bien cordialement
          Jean-Claude Goudeau

  3. Vincent

    Bonjour,
    Je me permets de rebondir sur votre très bon article. L’écart de température dans votre test n’est-il pas dû en partie au refroidissement de l’eau au contact de l’air extérieur quand elle transite entre les deux réservoirs dans les tuyaux de la pompe ?
    Je me pose la question car un tel tuyau offre une grande surface de contact et une nuit fraîche ou un peu de vent peut avoir une influence sur la température de l’eau dans le tuyau.

    • jcgoudeau

      Bonjour,
      Ce premier article avait pour but de faire connaitre le refroidissement radiatif passif. Je poursuis les tests pour apprécier la faisabilité en aquaponie.
      Les tuyaux ont effectivement été isolés pour minimiser l’effet sur le refroidissement. Les deux glacières ont été enterrées et éloignées l’une de l’autre. Enfin la plaque radiative est totalement en aluminium anodisé, constituant une boite étanche dans laquelle circule l’eau. Ce nouveau dispositif, moyennat quelques artifices, a permis de séparer l’effet radiatif de l’effet refroidissement convectif avec l’air froid de la nuit. L’effet radiatif varie de 0.4 à 0.6 ° C par nuit claire quand l’effet convectif varie de 0° à 2.5° C selon la température de la nuit.
      Le système a fonctionné toutes les nuits pendant la période caniculaire d’août 2020 (voir relevés ci dessous). Il en ressort que
      – par nuit couverte et chaude, il n’y a aucun refroidissement;
      – par nuit claire et chaude, le refroidissement est voisin de 0.5°;
      – par nuit claire et froide (10° au matin) le refroidissement atteint 3°C.
      Par ailleurs la plaque radiative prend la température de l’eau, diminuée d’environ 0.2 à 0.3° du fait du refroidissement radiatif et convectif. La couverture du frigo devient alors facultative. Ce qui règle du même coup le problème de la rosée qui stoppe les radiations.
      L’application à l’aquaponie est possible mais ne garantit pas la maîtrise totale en situation de canicule avec ciel couvert et nuits chaudes sur une longue période. Cela oriente vers un système enterré, bien isolé et ombré la journée avec possibilité de dériver la circulation de l’eau vers une zone exposée à l »air froid de la nuit et permettant une radiation vers le ciel. La température de l’eau et donc du sol autour du bassin peut être maintenue autour de 15° sans dépense énergétique. Ce qui permet d’espérer suffisamment d’inertie pour passer une période caniculaire avec ciel et température défavorables. Mais un maintien de l’eau à 15° est parfait pour la truite, mais moins intéressant pour les plantes!!
      Je poursuis mes investigations pour augmenter l’effet radiatif via le choix des matériaux. J’envisage de mettre en place en janvier 2021 un module aquaponique de 400 litres équipé d’un tel dispositif pour mesurer en situation réelle les capacités de refroidissement. je publie les avancées ponctuelles sur la page facebook https://www.facebook.com/GoudeauJC/photos/a.104561527950147/160309375708695/?type=3&theater

  4. Alex

    bonjour !
    Et avec un dissipateur de type l’éfficacité pourrait elle être augmentée ?
    https://www.ebay.fr/itm/Radiateur-Dissipateur-Thermique-Anodise-300x145x50mm-Noir-/183978080221

    • jcgoudeau

      Bonjour,
      Il y a plusieurs entrées pour améliorer le système:
      – améliorer l’émissivité de la plaque rayonnante
      – améliorer l’échange calorifique entre eau et plaque rayonnante (le dissipateur proposé peut convenir si son émissivité est bonne)
      – supprimer plaque émissive et échangeur en faisant rayonner directement l’eau en couche mince

  5. jean paul chabbert

    Très intéressant !

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