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.
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.
Bonjour Jean-Claude,
Une nouvelle fois, merci pour tous ces renseignements.
Je souhaite reproduire un système de refroidissement, voici la situation en bref :
J’ai deux bassins (500 et 700 litres), le biofiltre fait 2 m² et 1 m³ (abreuvoir de vache enterré) et est exposé au soleil de 9h à 16h. Toute mon installation est enterrée, donc très bien isolée. Mais, habitant dans une région où les canicules sont fréquentes, je souhaite refroidir mon système avec un dispositif inspiré de celui de l’Aquapotager 500 de Jean-Paul Andrade.
Je pensais à un fût de 30 L modifié pour qu’il fonctionne exactement comme celui de Jean-Paul (fonctionnement nocturne, ventilateur, tapis japonais, etc.).
Un fût de 30 L serait-il adapté au volume d’eau à refroidir ? Quelle serait l’évaporation liée au système de refroidissement, et l’évaporation totale du système (par jour) ?
Je vous demande cela afin de déterminer la taille idéale du bac tampon, inspiré de celui de Louvert, que je vais ajouter et je souhaite pouvoir m’absenter quelques jours (avec lombrifiltre, ce qui permettra de colmater beaucoup moins vite le filtre à pression, qui ne servira plus qu’à filtrer les plus petites particules).
Encore merci à vous, Jean-Claude Goudeau, pour le travail formidable que vous accomplissez en faveur de l’avancement de l’aquaponie domestique.
Bonjour,
– il faut déterminer le comportement du système en situation de canicule sévère avec 40° le jour, 20° la nuit. Si tout est totalement enterré jusqu’au bord, on peut considérer que l’énergie passe par les couvercles des bassins et par les 3 m2 de gravière. J’ai considéré qu’il y avait 5 cm de polystyrène pour les vouvercles des bassins et 5 cm de billes sèches sous les légumes (aucune surface exposée au rayonnement solaire direct). Sur ces bases les bassins à 20° le matin sont à 21.5° le lendemain matin (à confirmer selon les observations. Ca peut être plus car ça se joue à de très petits détails)
– on en déduit donc l’énergie à extraire du système (4180 Joules pour 1° et 1 litre) pour environ 1700 litres au total. 4180 x 1.5 x 1700 = 10 659 000 Joules
– l’évaporation d’1 litre d’eau nécessite un apport énergétique puisé dans l’environnement, donc dans l’eau. Il faut 2 250 000 Joules pour évaporer 1 litre d’eau. Il faudra donc évaporer 10 659 000 / 2 250 000 = 5 litres d’eau.
– si 1 m3 d’air nocturne de 22h à 8h se situe à 75% d’humidité (valeur moyenne), chaque m3 d’air absorbera environ 1 g d’eau. Il faut donc passer 5000 m3 d’air en 10 h .Soit 500 m3/h au minimum. Compte tenu des pertes de charges au travers des mousses, il faut minimum un ventilateur de 1000 m3 à 1500 m3 par heure.
– un ventilateur de 1000 à 1500 m3/heure consomme environ 60 à 80 watts. Soit 800 Wh sur la nuit
– Une pompe à chaleur réversible d’une puissance froid de 3000 W consomme 500 W. 3000 Watts x 3600 = 10 800 000 joules. Un fonctionnement de la pompe à chaleur pendant 1.5 heure permettra un contrôle des 1.5 ° jour pour une consommation voisine de 800 Wh.
Ces calculs permettent de percevoir qu’il n’y pas de gain financier majeur en fonctionnement entre une tour de refroidissement et une pompe à chaleur pour de petits systèmes. Par ailleurs la tour de refroidissement nécessite un air sec. Si la canicule est une canicule humide, il n’y aura pas de refroidissement. Le gain financier se situe à l’investissement 500 € pour une PAC, 200 € pour une tour auto construite. Un fut de 30 litres (30 cm de diamètre, 40 cm de haut) devrait suffire mais je ne peux pas en être absolument certain.
L’évaporation totale du système dépend de la charge végétale : si beaucoup de légumes dont légumes grimpants à fort feuillage, on peut aller jusqu’à 10 litres d’eau/m2. A cela s’ajoute l’avaporation des bassin (faible 2 litres) et l’eau évaporée par la tour (5 litres) soit une quarantaine de litre par jour (sans fuite !). Si vous devez vous absenter, ce n’est pas la taille du bac tampon qu’il faut considérer. Il faut investir dans une vanne à flotteur (10 à 50 € selon modèle) branchée sur une réserve d’eau ou sur le réseau d’eau. Qui maintiendra le niveau en permanence à la bonne hauteur.
Bonjour Jean Claude
Merci pour la photo, elle est très explicite. Concernant le branchement des ventillateurs est-ce obligatoire de les brancher sur dominos ou peut on les connecter avec les connecteurs d’origine, si non pour quelle raison.
Je viens de recevoir les ventillateurs et après essai, ils fonctionnent mais je ne trouve pas que le souffle soit très puissant, est-ce normal ?
Merci pour tout
Cordialement
Gabriel
Je ne sais pas. Il est probable qu’il puissent être montés avec les connecteurs fournis. A tester en rajoutant un ventilateur au premier à l’aide du connecteur prévu à cet effet.
Quant au débit d’air, mesuré avec un anémomètre, il est faible: 120 m3/h. 5 ventilateurs = 600 m3 h. Par ailleurs la pression de fonctionnement est également très faible. La circulation de l’air sous le couvercle crée des pertes de charges voisines de 50% . Donc au final 300 m3/h en sortie de bassin.
Ce qui, avec un air à 80% d’humidité à la température de l’eau(ce que l’on observe fréquemment la nuit) vont évaporer 0.5 g d’eau par m3 ; 300 x 0.5 x 10 heures =1.5 litre évaporé dans la nuit. 2 450 000 Joules par litre évaporé x 1.5 litre / 4180 joules par litre et par °C / 900 litres d’eau total dans une petite installation aquaponique = -1° C. Auquel il faudra ajouter une éventuelle baisse si la température de l’air est inférieure à la température de l’eau. Donc il est très important que le système soit très bien isolé pour contenir la hausse de température en 24 heures à 1°, en condition caniculaire.
Bonjour Jean Claude
Une nouvelle fois merci pour tout ces renseignements. Concernant ma modeste installation, côté isolation elle me semble convenable étant parti sur une base de l’aquapotager 500 de Jean Paul Andrade avec quelques modifications apportées cette année, dont un biofiltre profond et une cuve de 500 litres supplémentaire.
La saison dernière elle n’a pas atteint les 26 degrés étant a l’ombre dès 15 heures environ. Maintenant vue ces modifications a voir si ce sera toujours le cas, d’où ma réflexion concernant l’ajout de votre fameux système de refroidissement.
Actuellement la température est a 22.5 avec plusieurs jours a 30/31 ° quand est il quand elle sera plus élevée ?
En tous cas j’ai décidé de démarrer la construction du refroidisseur cette semaine en espérant que ce soit suffisant pour le maintien de salmonides
Sur mon secteur.
Cordialement
Bonsoir
Merci pour ces précieux renseignements, je vais essayer de me mettre à l’ouvrage.
Bonsoir, comme promis, photo du montage. Fil orange sur le + de l’alimentation et fil jaune sur le -. Le – correspond à l’emplacement marqué 1. Le ventilateur est placé avec le logo placé côté extérieur au bassin.
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
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.
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
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.
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°…
Typo: le taux d’humidité mesuré est régulièrement entre 30 et 40%
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
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…
Bonjour,
ou trouve t-on ce type de systeme pour 8/10w ?
Cordialement,
Nicolas
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.
Interessant, auriez vous svp quelques photos et instruction « pratique » pour pouvoir reproduire le système ?
Merci
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 » :