Tours de refroidissement : utilisables en aquaponie?

Les tours de refroidissement sont largement utilisées dans l’industrie pour abaisser la température de certaines matières à moindre coût. Le procédé est-il applicable en aquaponie professionnelle ou chez les particuliers?

Le principe général des tours de refroidissement.

La tour de refroidissement, également appelée aéro-refroidisseur, est d’un usage courant dans l’industrie. En effet, certains processus de production industrielle produisent de l’eau chaude. Laquelle est refroidie avant rejet dans le milieu (centrales énergétiques par exemple) ou avant réutilisation (métallurgie ou datacenter par exemple). Ce refroidissement s’opère en faisant circuler l’eau chaude dans un flux d’air. Donc, « une tour de refroidissement est un échangeur d’un type particulier qui permet de rejeter de la chaleur dans l’air environnant sous forme à la fois de chaleur sensible et de chaleur latente du fait de l’augmentation de son humidité » (Source Mines-Paris tech).

Une diversité de modèles et de puissance

Les dispositifs sont de taille et de conception variable. Du petit système d’1 m3 pour quelques centaines de watts de puissance jusqu’à plus de 150 m de hauteur pour les plus conséquentes. Les tours de refroidissement peuvent être fermées ou ouvertes. Avec condensateur évaporatif ou avec radiateur à air sec, ou mixte. Pour en savoir plus.

Tours de refroidissement industrielles
Tours de refroidissement industrielles

Les transferts d’énergie thermique au cœur des tours de refroidissement

Le transfert d’énergie thermique dans les tours de refroidissement s’opère selon deux modalités

Première modalité : le transfert de chaleur sensible par conduction-convection du plus chaud (l’eau) vers le plus froid( l’air). Approximativement, 4000 m3 d’air à 15° en entrée et 17° en sortie , circulant en 1 heure, croisée avec 5000 litres d’eau à 20° fractionnée par asperseur, provoque une baisse de température de l’eau d’environ 0.5 °C en 1 heure.

Deuxième modalité : Le transfert de chaleur latente liée à l’évaporation de l’eau, lorsque l’air est sec. Supposons 4000 m3 d’air/heure à 20° et 50% d’humidité relative en entrée de ventilateur, et 18° et 80% d’HR en sortie. Croisée avec 5000 litres d’eau/heure à 20° fractionnée par asperseur. L’évaporation d’environ 12 litres d’eau provoque une baisse de température de l’eau d’environ 1.4 °C.

Ventiler avec un air sec et plus froid que l’eau, permet de bénéficier des deux modalités simultanément.

Une étude dans le contexte climatique algérien pour dimensionner les tours de refroidissement

Le mémoire de fin d’étude, téléchargeable, de Louiza KHALFOUNI, 2012, « Etude paramétrique d’une tour de refroidissement d’eau » , Université Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou,Faculté du génie de la construction, Département de génie mécanique est intéressant pour réfléchir à un transfert de la technologie vers l’aquaponie en métropole française et dimensionner une tour en fonction de l’installation aquaponique.

Maîtriser le risque légionellose

La légionellose est une maladie provoquée par la bactérie Legionella (légionelle). L’homme peut être exposé par inhalation de microgouttelettes d’eau contaminée. Les installations utilisant le refroidissement évaporatif  par dispersion d’eau dans un flux d’air généré par ventilation mécanique ou naturelle sont susceptibles de favoriser la légionellose. A ce titre, elles sont soumises au régime des Installations Classées pour la Protection de l’Environnement (ICPE).

Une installation aquaponique  professionnelle, concernée par des puissances thermiques de 10 à 50 KW, sera donc soumises à déclaration avec contrôles périodiques.  Les installations chez des particuliers avec des puissances de 0.5 à 1 kW , et des températures d’eau très basses (<20°C),tout comme les rafraîchisseurs d’air domestiques d’ailleurs, sont dans une zone floue de la réglementation. En effet la réglementation ne définit pas un seuil de puissance thermique minimal, en dessous duquel  le régime des ICPE ne s’applique pas.

Les limites pour un transfert de la technologie pour refroidir l’habitat

Au passage, il est utile de noter que cette technologie est intéressante pour refroidir l’habitat, sans renforcer les îlots de chaleur urbains. Mais ce type de tour n’est pas adapté, car il rejette un air humide, ce qui pose problème dans les maisons. Il faut alors passer par un double flux air humide – air sec avec échangeur. A ce sujet, voir la thèse téléchargeable de Djallel ABADA, 2021 « Intégration d’un système de rafraichissement par évaporation dans le bâtiment ».

Les limites pour un transfert de la technologie en aquaponie

  • Une humidité relative rarement très basse en France métropolitaine. Il faut tabler sur 1 à 2 g d’eau évaporés par m3 d’air soufflé.
  • Des températures de l’eau à refroidir déjà très basses par rapport aux utilisations industrielles. Souvent moins de 20°C.
  • Le choix du ventilateur qui devra être silencieux, vu un fonctionnement essentiellement nocturne.
  • Concevoir des tours de refroidissement avec une consommation d’énergie faible et un COP supérieur à 10, voire 15.
  • Concevoir des tours de refroidissement bon marché.
  • Concevoir des systèmes de ventilation sécurisés vis à vis du risque légionellose.

Déclinaison du principe sur un petit système aquaponique

Un système aquaponique hors sol, construit autour d’un bassin de 500 litres avec 800 litres d’eau au total, a été refroidi en 2023 par un système de refroidissement adiabatique, dérivé des aéro-refroidisseurs. La ventilation de ce système consomme 8 à 10 watts par heure. Au plus fort des canicules, la température de l’eau a été maintenue en dessous de 19.5 °C.

13 Comments

  1. Gabriel

    Bonsoir
    Merci pour ces précieux renseignements, je vais essayer de me mettre à l’ouvrage.

  2. Gabriel

    Bonsoir Jean Claude

    Merci pour votre site et vos trouvailles tres utiles et souvent ingénieuses.
    Concernant votre refroidisseur a 5 ventillateurs Artic, pouvez vous me donner la liste des articles a se procurer pour se qui est de la partie electrique ainsi que le branchement ventilo/alimentation.
    Si possible photos ou croquis.

    Merci pour votre compréhension

    • jcgoudeau

      Bonsoir Gabriel, pour l’instant, je n’ai ni photo, ni schéma. A voir lors d’une prochaine intervention de maintenance prévue sur un ventilateur. L’installation de refroidissement comprend 5 ventilateurs Artic (14 cm, 1.5 W, 124 m3/h) alimentés par un transformateur 230 V- 12 V 2 A. Je n’ai utilisé que deux fils (+ et -) sur les 4 pour l’alimentation des ventilateurs à pleine vitesse. J’ai supprimé les connecteurs pour réunir les + et les – via un simple domino. Les 5 sont branchés en parallèle. L’automatisation de la ventilation est assurée par un micro-contrôleur ESP32 avec un capteur DHT22 pour la température et l’humidité de l’air et un capteur DS18B20 pour la température de l’eau + le sketch (programme) à charger sur l’ESP32.

  3. Boris

    Bonjour Jean-Claude,
    Quel article passionnant, bravo et merci ! Vous ouvrez tellement de possibilités. Située à Avignon, mon installation est limite pour tenir les truites l’été. Cette année, pour minimiser les risques, je n’en ai gardé que 2 à partir de juillet. La température a quand-même atteint plus de 24° et dépassé 22° du 7 juillet à fin août.
    En plein été, j’enregistre régulièrement des taux d’humidité très bas ( 30°.
    Je pense donc tester un refroidissement évaporatif mais en pleine journée, lorsque le point de rosée, calculé à partir de sondes de température et d’humidité, est suffisamment bas (votre système de ventilateurs semble le plus simple/économe à adapter à mon système).
    Pensez-vous que dans cette configuration je pourrais obtenir un refroidissement significatif ?
    Merci,
    Boris

    • jcgoudeau

      Bonjour, merci pour le retour d’appréciation. Concernant le refroidissement par ventilation, il y deux phénomènes concomitants qui peuvent d’additionner ou se neutraliser. Plus l’air est sec, plus le refroidissement par évaporation est important. Mais lorsque l’air est nettement plus chaud que l’eau, il y a un réchauffement qui peut être supérieur au refroidissement par évaporation. C’est pourquoi souffler en plein après- midi en été dans le Vaucluse ne fonctionnera pas. J’i pris les températures et humidités de l’air des 20-21 août 2023 à Sorgues (date au hasard!). 9h : 23.8 61%; 12h : 31.6 39%; 14h : 35.9 31%; 16h : 39.3 26%; 18h : 40.2 24%; 20h : 34.7 37%; 22H : 29.2 50%; 0h : 27.9 53%; 2h 24.8 65%; 4h : 23.3 75%; 6h : 21.9 79%; 8h : 22.4 80%. Pour donner un ordre de grandeur, il faut ventiler quand (100-H%)/8 > (T°air-T°eau). L’utilisation d’un calculateur beaucoup plus sophistiqué , pour 800 litres d’eau eau à 21° à 22h le 20/08 donne une eau à 19.8 le lendemain matin à 9h. On ne peut pas parler d’un refroidissement « significatif », mais une baisse de 1° une journée particulièrement difficile, mérite de tester le système. Je pense que 21-22° pourront être maintenus tout l’été. Ce qui autorise la truite arc en ciel, mais pas l’omble de fontaine.

      • Boris

        Merci pour la formule simplifiée, je vais l’appliquer aux températures relevées. Étant dans le centre historique j’ai en plus un effet d’îlot de chaleur. Pour info, la température extérieure n’est pas descendue en dessous de 24,3° le 21 août alors que le minimum relevé à Sorgue était de 21,9°. Conséquence, l’eau est montée ce jour à 24,2°…

    • Anonyme

      Typo: le taux d’humidité mesuré est régulièrement entre 30 et 40%

  4. Timothée

    C’est vraiment incroyable les retours que tu arrives à faire ! Vraiment bravo, tu ouvres le champs des possibles sur énormément de domaine!
    Honnêtement, je vais essayer de regarder ça de plus prêt parce qu’avec les étés qu’on se tape de plus en plus… ça ne serait pas idiot de rajouter ce genre de refroidisseur low-tec high-value sur les systèmes T’air-eau… Bon honnêtement, j’ai rien compris ! Mais tes vidéos sur FB seront sûrement plus clair pour mon petit cerveau ! 😉
    A très vite Jean-Claude
    Timothée de T’air-eau

    • jcgoudeau

      Merci Timothée. Jean-Paul Andrade a produit une vidéo sur « Aquaponie, des truites dans le jardin » qui montre un système de micro tour adaptable sur les systèmes aquaponiques. Mais cela suppose de rajouter une pompe à eau. Or il serait intéressant de conserver le caractère basse consommation d’énergie de ton système en ne rajoutant qu’un ventilateur (et pas de pompe à eau). Ce que j’ai fait en faisant circuler la lame d’air sous le couvercle. Mais c’est difficilement transférable sur le système t’air eau. Il faut encore creuser le sujet…

  5. Nicolas

    Bonjour,

    ou trouve t-on ce type de systeme pour 8/10w ?
    Cordialement,
    Nicolas

    • jcgoudeau

      Bonjour,
      J’ai fabriqué le système en utilisant 5 ventilateurs pour refroidissement d’ordinateur. J’ai opté pour ARCTIC P14 PWM PST (moins de 40€ les 5). 2 W par ventilateur. 125 m3 d’air/heure. Soit au total, 625 m3 air/heure pour 10 watts.

      • nicolas

        Interessant, auriez vous svp quelques photos et instruction « pratique » pour pouvoir reproduire le système ?
        Merci

        • jcgoudeau

          Dans l’attente d’un prochain article sur ce système, vous pouvez regarder les publications sous mon nom (jean-claude goudeau) sur le groupe Facebook « Aquaponie, des truites dans le jardin » :

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