Analyse thermodynamique et exergoéconomique d’un système frigorifique à éjecteur‑absorption LiBr/H₂O assisté par le solaire avec stockage thermique à triple couche

Pourquoi des bâtiments plus frais ont besoin d’une utilisation plus intelligente du soleil

Alors que des étés plus chauds et une élévation du niveau de vie accroissent la demande de climatisation, en particulier dans les régions ensoleillées, maintenir le confort sans surcharger les réseaux électriques devient un défi pressant. Cette étude explore une manière ingénieuse de transformer l’abondant rayonnement solaire en refroidissement fiable, au moyen d’un système frigorifique qui consomme peu d’électricité mais exploite la chaleur. En combinant des capteurs solaires, une cuve de stockage d’eau chaude à couches distinctes et un dispositif semblable à un jet, les chercheurs montrent comment fournir du refroidissement pour les bâtiments de façon plus efficace et à moindre coût qu’avec un refroidisseur solaire par absorption conventionnel.

Une autre façon de produire du froid

La plupart des climatiseurs reposent sur des compresseurs électriques, qui pèsent lourdement sur le réseau et, indirectement, sur les combustibles fossiles. Le système étudié ici fonctionne différemment : il utilise la chaleur plutôt que l’électricité comme force motrice principale. Un mélange de bromure de lithium et d’eau sert de fluide de travail dans un cycle frigorifique par absorption qui peut être alimenté par de l’eau chaude issue de capteurs solaires. Les auteurs vont plus loin en ajoutant un éjecteur supersonique — un composant sans pièces mobiles qui utilise un jet de fluide à grande vitesse pour aspirer et comprimer un autre écoulement. Cet éjecteur récupère de l’énergie qui serait autrement perdue, contribuant à réduire la quantité de chaleur nécessaire au fonctionnement du cycle. Un réservoir de stockage thermique à triple couche, alimenté par des capteurs solaires à tubes sous vide, stocke la chaleur solaire dans des zones chaudes, tièdes et froides soigneusement séparées afin que le système puisse continuer à fonctionner de manière stable lorsque l’ensoleillement varie au cours de la journée.

Comment le soleil, le stockage et l’éjecteur coopèrent

Dans la configuration proposée, la lumière du soleil chauffe l’eau dans des capteurs solaires installés sur le toit, qui alimente ensuite un réservoir vertical de stockage divisé en trois couches de température. L’eau la plus chaude s’accumule en haut, où elle fournit une chaleur stable au générateur du frigorifique par absorption ; la couche intermédiaire sert de tampon, et l’eau la plus froide se retrouve en bas. Cette stratification réduit les variations de température et optimise l’utilisation de la ressource solaire. La solution de bromure de lithium absorbe et libère de la vapeur d’eau en circulant entre le générateur, l’absorbeur, le condenseur et l’évaporateur, produisant de l’eau refroidie pour la climatisation des bâtiments. L’éjecteur est inséré à la place d’un simple détendeur afin que, au lieu de laisser la pression chuter et l’énergie se dissiper, un flux à grande vitesse aide à aspirer la vapeur à plus basse pression et à la recomprimer partiellement, allégeant la charge des autres composants et améliorant l’efficacité globale.

Mesurer la performance et le coût

Pour quantifier les avantages, les chercheurs ont construit un modèle informatique détaillé qui suit la masse, l’énergie et la qualité d’énergie dans chaque partie du système. Ils ont utilisé des données météorologiques horaires réelles de Kaboul, Afghanistan, une ville bénéficiant d’un fort ensoleillement estival et d’une forte demande de refroidissement, pour observer le comportement du système lors d’une journée typique et ensoleillée de milieu d’été. Au‑delà des mesures d’efficacité usuelles comme le coefficient de performance (quantité de froid produite par unité de chaleur fournie), ils ont aussi examiné l’exergie, qui reflète la part de l’énergie d’entrée restant réellement utile après les pertes, et ont traduit ces notions techniques en termes monétaires. En attribuant des coûts aux équipements et à la qualité de l’énergie circulant dans le système, ils ont pu évaluer non seulement l’efficacité frigorifique, mais aussi la rentabilité sur la durée de vie.

Ce que révèlent les chiffres

Les résultats montrent que la combinaison de capteurs solaires, de stockage stratifié et d’éjecteur améliore sensiblement les performances par rapport à un refroidisseur solaire par absorption plus simple. Sous un fort ensoleillement de midi d’environ 973 watts par mètre carré, une configuration optimisée atteint un coefficient de performance de 0,74 et une mesure de performance solaire de 0,58. L’ajout de l’éjecteur augmente l’efficacité de refroidissement d’environ 12 à 13 % et améliore la qualité d’utilisation de l’énergie d’environ 11 %, tout en réduisant l’investissement global d’environ 9 %. Le réservoir de stockage à triple couche maintient une différence de température nette de plus de 20 degrés Celsius entre les zones les plus chaudes et les plus froides à midi, fournissant une source de chaleur stable pour le générateur même lorsque les conditions extérieures fluctuent. Des études d’optimisation identifient en outre la température du générateur et le comportement d’aspiration de l’éjecteur comme des leviers clés pour équilibrer efficacité et coût.

Ce que cela signifie pour le refroidissement de demain

Pour non‑spécialistes, le message principal est que la refonte soigneuse de la façon dont nous déplaçons la chaleur dans un système de refroidissement peut rendre la climatisation solaire beaucoup plus pratique et abordable. En stockant la chaleur solaire dans une cuve stratifiée et en recyclant les chutes de pression via un éjecteur, ce concept délivre plus de froid pour un même ensoleillement tout en réduisant les coûts d’équipement et d’exploitation. Si ces systèmes sont développés et déployés à grande échelle, ils pourraient aider les régions ensoleillées et soumises à des contraintes électriques à répondre à leurs besoins croissants en refroidissement avec moins d’émissions et moins de dépendance aux climatiseurs électriques gourmands en énergie conventionnelle.

Citation: Chammam, A., Abbood, R.S., Majid, S.H. et al. Thermodynamic and exergoeconomic analysis of a solar-assisted LiBr/H₂O ejector–absorption refrigeration system with triple-layer thermal storage. Sci Rep 16, 9435 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41158-2

Mots-clés: refroidissement solaire, réfrigération par absorption, stockage d’énergie thermique, technologie d’éjecteur, efficacité énergétique