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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.

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.
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
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.

3 Comments

  1. jean paul chabbert

    Très intéressant !

  2. 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

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