La Régulation Frigorifique en Climatisation Des Bâtiments
La Régulation Frigorifique en Climatisation Des Bâtiments
La Régulation Frigorifique en Climatisation Des Bâtiments
2. TECHNOLOGIE DES COMPOSANTS 2.1 2.2 2.3 2.4 Lvaporateur Le compresseur Le condenseur Le dtendeur
3. BILAN NERGTIQUE 3.1 3.2 Efficacit nergtique de la machine frigorifique Bilan nergtique annuel
4. DIAGNOSTIC DUNE INSTALLATION EXISTANTE 5. PROJET DAMLIORATION DE LA RGULATION 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 Diminuer les charges thermiques dans les locaux Augmenter la temprature de dpart du circuit deau glace Diminuer la temprature du condenseur Adapter la puissance du compresseur aux besoins Profiter de lair extrieur lorsquil est froid Amliorer la rgulation des priodes de dgivrage Isoler les conduites pour fluide frigorigne Rcuprer la chaleur de condensation
6. TUDES DE CAS 6.1 6.2 Lalimentation en eau glace du site ROUSSEL UCLAF Compigne Climatisation dune grande Surface dans un Centre Commercial Lige
7. TENDANCES ACTUELLES POUR LES NOUVEAUX PROJETS 7.1 7.2 Dimensionnement des quipements Choix du compresseur
soit le fluide frigorigne refroidit l'air en passant directement dans la batterie de refroidissement : on parle de "systme dtente directe" parce que l'vaporateur de la machine frigorifique prend la place de la batterie de froid dans le caisson de climatisation.
rfrigration " dtente directe" soit l'installation frigorifique prpare de l'eau froide ...6C... (gnralement appele "eau glace"), eau qui alimentera la batterie de refroidissement du caisson de traitement d'air.
transport par air t : Dbit d'air : Vitesse : Section de gaine : 9C ( de +16 puls +25C dambiance, par ex.) 3270 m3/h 15 m/s 300 x 220 mm ( ou 300 mm) t :
transport par eau 5C ( boucle deau glace au rgime 7 - 12C, par ex.) Dbit d'eau : 1,72 m3/h Vitesse : 0,8 m/s Diamtre de conduite : 40 mm
De plus, l'exploitation, la consommation des ventilateurs reprsente de 10 30 % de l'nergie transporte contre 2% pour la consommation des pompes de circulation. Aussi, on rencontre souvent des installations o le refroidissement des locaux est principalement assur par de l'eau glace alimentant les batteries froides des ventiloconvecteurs. Un complment de froid peut tre donn par le rafrachissement de l'air neuf de ventilation.
condenseur 2. soit de l'eau, qui elle-mme sert refroidir le fluide frigorigne : c'est la tour de refroidissement. On distingue trois types de tour : la tour ouverte : leau est pulvrise devant un ventilateur et le refroidissement est alors renforc par la vaporisation partielle de cette eau (la chaleur de vaporisation est pompe sur la goutte deau qui reste et qui donc se refroidit). Aprs refroidissement,cette eau sera conduite vers un condenseur eau se trouvant prs du compresseur. tour ouverte la tour ferme : leau venant du condenseur reste lintrieur dun circuit tubulaire ferm, mais se fait arroser par un jet deau de refroidissement. Cette eau, svaporant partiellement, sera galement fortement refroidie. Mais cette fois, leau qui a t au contact de lair extrieur (son oxygne et ses poussires), nest plus en contact direct avec le condenseur eau vitant de bien pnibles ennuis de corrosion... variante : le condenseur vaporatif : les tubes, arross par le jet deau de refroidissement, sont parcourus par le fluide frigorigne lui-mme. Avantage : en hiver, il peut fonctionner uniquement lair. Le rfrigrant est incongelable.....
tour ferme
le dry cooler : il sagit dune tour ferme, que lon narrose pas, que lon refroidit simplement par lair extrieur puls par des ventilateurs. Cette batterie dchange convient en toute saison, puisque en ajoutant un antigel (type glycol), elle est insensible au gel. Elle nest pas aussi performante que les prcdentes puisque la temprature de refroidissement est limite la temprature de lair extrieur..
dry cooler
fonctionnement de lvaporateur dans le compresseur Le compresseur va tout d'abord aspirer le gaz frigorigne basse pression et basse temprature. L'nergie mcanique apporte par le compresseur va permettre d'lever la pression et la temprature du gaz frigorigne. Une augmentation d'enthalpie en rsultera.
fonctionnement du compresseur dans le condenseur Le gaz chaud provenant du compresseur va cder sa chaleur au fluide extrieur . Les vapeurs de fluide frigorigne se refroidissent (dsurchauffe), avant l'apparition de la premire goutte de liquide (point 3). Puis la condensation s'effectue jusqu' la disparition de la dernire bulle de vapeur(point 4). Le fluide liquide peut alors se refroidir de quelques degrs (sous-refroidissement) avant de quitter le condenseur.
fonctionnement du condenseur
fonctionnement du dtendeur fonctionnement complet Le cycle est ferm, le fluide frigorigne volue sous l'action du compresseur dans les quatre lments constituant la machine frigorifique.
L'ensemble du cycle peut tre reprsent dans le diagramme enthalpie-pression. Sous la courbe en cloche se situent les tats de mlange liquide-vapeur ; gauche de la cloche, le fluide est ltat liquide (il se sous-refroidit ), droite, le fluide est ltat vapeur (il surchauffe ).
Evaporateur : la boucle d'eau glace fonctionne au rgime 5-11. L'change de chaleur s'effectue en deux phases : bullition du fluide surchauffe des vapeurs La temprature d'vaporation qui s'tablit est de 0C. Dans le cas du R22, ceci correspond une basse pression de 4 bar (lecture du manomtre), soit 5 bar absolu (compar au vide).
Condenseur : le condenseur est directement refroidi par l'air extrieur. Supposons que celui-ci entre 30C dans le condenseur. L'change de chaleur s'effectue en trois phases : dsurchauffe des gaz chauds provenant du compresseur condensation du fluide sous-refroidissement du liquide La temprature de condensation qui s'tablit est de 40C. Dans le cas du R22, ceci correspond une haute pression de 14,5 bar, soit 15,5 bar absolu. volution des fluides dans le condenseur
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On constate que pour une temprature d'vaporation de 0C et pour une temprature de condensation de 40C, la puissance lectrique absorbe par le compresseur sera de 6,3 kW la puissance frigorifique donne l'vaporateur sera de 21,9 kW
Remarque : en ralit, une adaptation de quelques pour cent devrait avoir lieu car le constructeur fournit des indications pour un fonctionnement normalis de son appareil (surchauffe de 25K, sous-refroidissement de 0 K selon DIN 8928 et bientt la CEN) mais ceci dpasse la portede ce document
extrait dun catalogue de compresseurs Supposons prsent que le condenseur soit mal entretenu. L'change de chaleur se fait moins bien, la temprature du liquide s'lve l'entre du dtendeur, la temprature d'vaporation s'lve galement de 1 ou 2, si bien que le compresseur va travailler davantage et va augmenter la pression de sortie des gaz. Une nouvelle temprature de condensation va se mettre en place : supposons qu'elle atteigne une temprature de 50C. Le diagramme constructeur prvoit une augmentation de la puissance lectrique absorbe: 7 kW, pour une puissance frigorifique diminue: 18,2 kW... Le "rendement" de la machine s'est dgrad: avant : 21,9 kW produits / 6,3 kW absorbs = 3,5 aprs : 18,2 kW produits / 7 kW absorbs = 2,6 On dira que "l'efficacit nergtique" de la machine frigorifique a diminu de 25 % (voir chap.3). A noter que l'on serait arriv au mme rsultat si la temprature extrieure s'tait leve de 10.
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2.2 Le compresseur
On distingue plusieurs principes de fonctionnement : compresseurs pistons, vis, turbocompresseurs, compresseurs Scroll. De plus, pour chacun dentre eux, diffrents types de montage sont possibles. Dcrivons les principales configurations : Compresseurs pistons, construction ouverte Dans ce groupe de compresseurs, le moteur et le compresseur ne sont pas dans le mme logement. L'arbre d'entranement (vilebrequin) merge du carter du compresseur ; on peut y raccorder un moteur lectrique, diesel ou gaz. La puissance est rgle par mise l'arrt de certains cylindres ou par changement de rgime du moteur d'entranement. On utilise les compresseurs de construction ouverte dans les installations d'une puissance de rfrigration jusqu' 500 kW.
compresseur ouvert
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Compresseurs pistons, construction semihermtique ( ou hermtique accessible ) Compresseur et moteur d'entranement sont logs dans un carter commun. L'entranement est habituellement assur par un moteur lectrique qui est refroidi par les gaz froids du rfrigrant (gaz aspirs). Pour les rparations, on peut accder chaque partie de la machine et mme sparer le compresseur du moteur.
La puissance est rgle par mise hors service de certains cylindres ou par changement de rgime du moteur d'entranement. On utilise des compresseurs de construction semi-hermtiques dans des installations jusqu' 100 kW ou, en recourant plusieurs compresseurs, jusqu' 400 kW environ.
Compresseurs hermtiques pistons Compresseur et moteur lectrique sont logs dans une enveloppe soude. Les rparations sont exclues. Ds lors, un organe de scurit contre la surchauffe (Klixon) est incorpor. Grce cette scurit thermique, monte dans les enroulements du moteur ou sur ces derniers, l'alimentation lectrique sera coupe lors d'une surchauffe du moteur. Dans ce cas aussi, le moteur est refroidi par les gaz aspirs. En principe, la puissance de rfrigration ne peut pas tre rgle. On installe des compresseurs hermtiques pistons dans de petits appareils (rfrigrateurs, climatiseurs compacts) ou dans des installations d'une puissance jusqu' 30 kW environ.
compresseur hermtique
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Turbocompresseurs Type : machine ouverte ou ferme. Plage d'utilisation : les trs grosses puissances, au-del de 1000 kW. Fonctionnement : une turbine rgime lev comprime le gaz de rfrigration. L'entranement est assur par un moteur lectrique. Rgulation : on peut trs facilement adapter la puissance des turbocompresseurs. Plage de rglage : de 40 100% avec une bonne efficacit . Les variations de puissance s'obtiennent par rglage des vantelles l'oue d'aspiration de la turbine. A faible charge, ils sont cependant plus dlicats que les compresseurs pistons et les frais de rparation sont levs. On vitera donc le surdimensionnement des quipements turbo compresseur
Compresseurs vis Type : machine ouverte ou ferme. Plage de rglage : de 10 100% avec un rendement assez constant. Fonctionnement : le fluide frigorigne gazeux est comprim par une vis hlicodale (un peu comme dans un hache-viande) tournant grande vitesse. Le compresseur est entran par un moteur lectrique. Les variations de puissance s'obtiennent dans les grosses machines par l'action d'un tiroir qui dcide de lutilisation dune plus ou moins grande longueur de vis dans la compression des gaz, et donc induit un plus ou moins grand taux de compression. Dans les petites machines, toujours trs grandes compares des compresseurs piston, la modulation de puissance sobtient par variation de la vitesse de rotation ou par utilisation de ports daspiration auxiliaires, soit par les deux. Les avantages du compresseur vis sont sa faible usure et son rglage facile. Il est toutefois encore coteux. Depuis peu, on utilise le compresseur vis pour des puissances de rfrigration partir de 20 kW environ.
compresseur vis
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Le compresseur SCROLL Le compresseur SCROLL est compos de deux rouleaux identiques en forme de spirale. Le premier est fixe, le second dcrit un mouvement circulaire continu sans tourner sur lui mme.Les spirales sont dphases de 180. Le mouvement orbital entrane le dplacement vers le centre des poches de gaz,ce dplacement est accompagn d'une rduction progressive de leur volume jusqu' disparition totale. C'est ainsi que s'accomplit le cycle de compression du fluide frigorigne. La rduction du nombre de pices par rapport un compresseur pistons de mme puissance est de l'ordre de 60%. L'unique spirale mobile remplace pistons, bielles, manetons et clapet. Moins de pices en mouvement, moins de masse en rotation et moins de frottements internes, cela se traduit par un rendement suprieur celui des compresseurs pistons. Les variations de couple ne reprsentent que 30% de celles d'un compresseur pistons. Il n'impose donc que de trs faibles contraintes au moteur, facteur de fiabilit. Son avantage principal rside dans son COP (voir chap.3) de l'ordre de 4,0 alors qu'il se situe aux alentours de 2,5 pour les compresseurs pistons. Il reste limit en puissance (autour des 50 kW) mais plusieurs scrolls peuvent tre mis en parallle (jusqu' 300 kW par exemple) A noter galement sa faible sensibilit aux coups de liquide.
compresseur scroll
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rle des pressostats Imaginons une panne du ventilateur du condenseur ou une forte chaleur de lair extrieur. Le refroidissement des gaz chauds dans le condenseur est insuffisant, la temprature lvaporateur va augmenter, la pression lentre du compresseur augmente. Le compresseur pourrait alors dvelopper une pression de sortie suprieure au niveau permis. Afin de protger linstallation, il est prvu sur cette partie haute pression un pressostat qui dclenche le moteur lorsque la pression dpasse le niveau maximal permis par le constructeur. La basse pression avant le compresseur est galement surveille. Par exemple, en cas de demande de froid insuffisante lvaporateur, la chaleur d'vaporation transmise au fluide frigorifique n'est pas suffisante. Cela conduit une diminution de la pression du ct basse pression du compresseur avec pour consquence une diminution de la temprature d'vaporation ainsi que le givrage de la batterie de froid ou le gel de l'eau glace. Or quand une batterie givre, le coefficient d'change diminue, la temprature d'vaporation diminue encore et le phnomne s'acclre. C'est pourquoi la basse pression est contrle et le compresseur est dclench lorsque la pression descend en dessous d'un certain point. De l'huile, pourquoi? Les pistons d'un moteur de voiture ncessitent une lubrification constante pour viter aux anneaux de piston d'tre "rongs". Il existe le mme problme dans les compresseurs frigorifiques. L'huile qui lubrifie le compresseur suit la vapeur du fluide frigorigne et se trouve ainsi dans le systme de circulation. Le technicien de service doit contrler que l'huile retourne bien au compresseur, par la pente adquate des tuyauteries frigorifiques, le cas chant en incorporant un sparateur d'huile. Que sont les coups de liquide? Le compresseur a pour fonction de comprimer un gaz. Les liquides tant pratiquement incompressibles, le compresseur sera endommag si le rfrigrant le traverse en phase liquide plutt que vapeur. Si le piston pousse contre un agent non compressible, il s'ensuit un coup de liquide , et donc la casse du piston et des clapets.
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Pourquoi une vanne magntique? Lorsque l'installation est hors service, le liquide peut s'accumuler avant le compresseur et lors du r-enclenchement provoquer un coup de liquide. Pour viter cela, une vanne magntique est souvent place avant le dtendeur La vanne magntique se ferme lorsque l'installation est dclenche et vite l'agent rfrigrant de retourner l'vaporateur. Le raccordement lectrique est effectu de telle sorte que le compresseur puisse fonctionner aprs la fermeture de cette vanne. Le compresseur s'arrte lorsque le pressostat basse pression dclenche. Aussitt que la pression augmente nouveau, le processus est rpt. Ce processus est parfois appel le pump down . Remarque : les coup de liquides ne concernent quasiment que les compresseurs pistons. Les profils des vis ou des labyrinthes de Scroll peuvent s'carter en cas d'aspiration de liquide. Et les turbocompresseurs ne sont pas des compresseurs volumtriques. Pourquoi un chauffage du carter? Lorsque le compresseur n'est pas en service, pour de faibles tempratures ambiantes, l'huile peut absorber un peu de vapeur du fluide frigorigne. Comme cette huile se trouve principalement dans la cuvette du carter, il peut y avoir cet endroit une concentration importante d'agent frigorigne dans lhuile. Lorsque l'installation est mise en service, une trs rapide chute de pression apparat, l'agent frigorigne tente de se vaporiser et de se sparer de l'huile. Celle-ci commence mousser, ce qui peut provoquer des coups de liquide et un manque d'huile dans le compresseur. Afin dempcher l'huile de prendre du fluide frigorigne, la cuvette du carter est, lors du dclenchement de l'installation, rchauffe l'aide d'une rsistance lectrique. (Source : Staefa know how , revue)
2.3 Le condenseur
Le condenseur est l'changeur de chaleur qui cde la chaleur du rfrigrant l'air ambiant. On distingue : des condenseurs refroidissement direct entre le fluide frigorigne et lair, des condenseurs refroidissement indirect, o le fluide frigorigne est refroidi par de leau. Cette eau sera elle-mme refroidie en toiture, via une tour de refroidissement.
Le condenseur refroidissement direct, air Le gaz chaud du rfrigrant cde sa chaleur l'air traversant le condenseur et passe ltat liquide. Le dbit et la temprature du flux d'air dterminent la puissance du condenseur.
condenseur
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ventilateur hlicodal
Si des ventilateurs existants sont trop bruyants, on peut les munir d'amortisseurs de bruit cylindriques (tenir compte de la perte de charge).
condenseur quip dun ventilateur hlicodal le ventilateur centrifuge, souvent plac l'intrieur d'un immeuble, raccord l'extrieur par des gaines (le ventilateur centrifuge peut vaincre des pertes de charges plus leves).
Si le bruit du ventilateur dpasse les valeurs admissibles, on peut le munir d'amortisseurs de bruit.
ventilateur centrifuge
Le condenseur refroidissement direct, vaporation Comme dans un condenseur refroidissement air, le gaz chaud du rfrigrant cde sa chaleur l'air traversant l'changeur de chaleur. Par aspersion de l'changeur avec de l'eau, on accrot sensiblement la puissance de rfrigration, grce la vaporisation de leau. Par exemple, de lair extrieur de 32C 50% HR passe 21C (temprature dite bulbe humide ). On abaisse donc la temprature de condensation en dessous de la temprature de lair ambiant.Ce qui facilite le travail du compresseur ! Dans ce cas, il faut cependant tenir compte du risque de corrosion de l'changeur et, de ce fait, des fuites possibles de l'agent rfrigrant. L'eau vapore est remplace par de l'eau du rseau. Un dbit complmentaire de dconcentration est ncessaire afin de rduire lentartrement. Un traitement de l'eau peut donc s'avrer ncessaire.
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Les performances d'un condenseur sont fonction de : > la diffrence de temprature entre le rfrigrant et l'eau, > la vitesse de l'eau (le dbit), > le coefficient d'encrassement, > la nature du fluide frigorigne.
condenseur eau
Pour le refroidissement, on peut utiliser : l'eau du rseau (eau potable), mais cette solution nest pas adquate vu la consommation exorbitante deau quelle entrane. l'eau de nappes phratiques, de lac ou de rivire (demander l'autorisation). Les eaux contiennent plus ou moins d'impurets qui se dposent sur les tubes. Ces dpts peuvent rduire considrablement le coefficient de transfert de chaleur. A dfaut de la mise en place dun systme de nettoyage automatique, il faut surdimensionner lchangeur de sorte que les performances de l'installation restent suffisantes. un circuit d'eau, ouvert ou ferm. C'est le cas le plus frquent.Il entrane l'utilisation d'une tour de refroidissement.
tour de refroidissement
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3 Refroidissement atmosphrique ferm : le dry-cooler Cette fois, pas daspersion deau, cest le ventilateur qui pulse simplement lair extrieur dans une batterie dchange. Or la temprature de lair en t peut dpasser les 30C. La surface dchange doit tre plus importante, lemplacement au sol galement. Le cot dinvestissement peut atteindre le double de celui de la tour ouverte. Mais le dry-coler est cependant souvent utilis pour sa fiabilit (absence de corrosion) et la possibilit de le faire fonctionner en toutes saiDry cooler sons (avec eau glycole). Ces caractristiques sont apprcies surtout pour le refroidissement des installations informatiques dont le fonctionnement et la charge thermique est constante toute lanne, et donc aussi en hiver.
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2.4 Le dtendeur
Cest l'appareil de rglage qui commande le flux du fluide rfrigrant vers l'vaporateur. Si on ne contrle pas exactement la quantit de fluide frigorigne admise dans l'vaporateur, on peut avoir les consquences suivantes : si trop peu de fluide frigorigne : il est immdiatement vapor et il continue se rchauffer : c'est l'effet de surchauffe. L'efficacit de l'vaporateur diminue. si injection de trop de fluide : l'excs de fluide n'est pas vapor par manque de chaleur disponible. Une partie du fluide reste liquide et est aspire par le compresseur. Celui-ci peut alors tre srieusement endommag (coup de liquide).
Conception de plusieurs types : Le dtendeur thermostatique: C est le dispositif le plus frquemment utilis. Le dtendeur thermostatique est une vanne qui rgle le dbit du rfrigrant, en maintenant une diffrence constante entre la temprature dvaporation du rfrigrant et la temprature des gaz la sortie de l'vaporateur. La diffrence entre ces deux tempratures sappelle la surchauffe lvaporateur , typiquement 6 8 K. De cette faon,on est certain que tout le liquide inject sest vapor. Si la charge thermique augmente, la sonde (3) dtectera une monte de temprature, agira sur la membrane (4) et le dtendeur s'ouvrira (le pointeau est renvers : plus on lenfonce, plus il souvre) afin d'augmenter le dbit de rfrigrant (1) vers lvaporateur (2). Le dtendeur lectronique fonctionne sur le mme principe mais ce type de dtendeur permet un rglage plus prcis de lvaporateur. La temprature dvaporation remontera de 2 3 K, ce qui diminuera la consommation du compresseur.
dtendeur thermostatique
Le dtendeur capillaire : dans de petites installations, tels les appareils frigorifiques ou les petits climatiseurs, on se contente, comme dispositif de rglage, d'un tranglement dans la conduite du rfrigrant avant l'vaporateur. Ltranglement est assur par un tube capillaire (de trs faible diamtre) dans lequel la dtente du fluide est obtenue par la perte de charge dans le tube. Le dtendeur pressostatique: il maintient une pression d'vaporation constante, indpendante de la charge. La totalit de la surface d'change de l'vaporateur nest utilise qu'une fois en rgime. C'est pourquoi il n'est utilis que dans le cas d'installations dans lesquelles la charge ne varie pas beaucoup (machines glace par exemple).
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3. BILAN ENERGTIQUE
3. BILAN ENERGTIQUE
3.1 Efficacit nergtique de la machine frigorifique
L'efficacit nergtique est donne par le rapport entre la quantit de chaleur absorbe par l'vaporateur et la quantit d'nergie lectrique totale absorbe par l'installation frigorifique, soit principalement le compresseur mais galement les quipements annexes (ventilateurs, pompes de circulation d'eau, ... ) Reprenons les diagrammes du chapitre 1.2 :
Efficacit thorique d'une machine frigorifique Le bilan nergtique dune machine frigorifique apparat sur le diagramme : toute lnergie capte dans le btiment par lvaporateur (II) , plus lnergie utilise par le compresseur (I), doit tre vacue par le condenseur vers lair extrieur (I + II). L'installation de rfrigration sera donc nergtiquement efficace si elle demande peu d'nergie lectrique au compresseur pour atteindre une puissance frigorifique donne l'vaporateur. Gnralement, l'efficacit nergtique (EE.) est comprise entre 2 et 3. Une machine frigorifique de 100 kW, dont lEE est de 2,5 demande 40 kW en puissance lectrique. Exemple: l'clairage de 10.000 m2 de bureaux entrane une puissance lectrique de 200 kW (sur base de 20W/m2), mais demande 80 kW complmentaires si la charge thermique de l'clairage est reprise par une installation de conditionnement d'air. Remarques : 1 il ne faut pas confondre efficacit nergtique et COP ! Le COP, coefficient de performance, est le rapport entre lnergie thermique dlivre au condenseur et lnergie lectrique demande par le compresseur (cest un terme qui vient de lvaluation du rendement dune pompe chaleur). On pourrait montrer que lefficacit nergtique est toujours gale (COP-1). Ainsi, une machine dont le COP est de 3,5 aura une efficacit nergtique de 3,5 - 1 = 2,5. La confusion tant frquente, il nest pas inutile lorsque lon compare le rendement des machines dans les documentations de constructeurs, de vrifier ce qui se trouve derrire lappellation COP ou EE.
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3. BILAN ENERGTIQUE
2 il est intressant de sinquiter galement de lefficacit globale de la machine frigorifique installe, cest dire du rapport entre le froid produit et lensemble de toutes les consommations lectriques engendres, y compris les ventilateurs aux changeurs, les pompes... ! Une machine frigorifique, avec une efficacit excellente, place sur le toit dun immeuble de plusieurs tages, peut voir son efficacit fortement chuter si la machine est place en cave et que le condenseur est refroidi via un gainage dair traversant les tages! La consommation du ventilateur sera importante dans le bilan final. 3 Il est trs important de se rendre compte que lnergie mcanique des ventilateurs et des pompes se dgradera en chaleur. Cette chaleur risque de venir en diminution de la puissance frigorifique, surtout pour les lments du ct froid . Ce nest donc pas seulement le COP ou lEE qui se dgrade par la consommation lectrique supplmentaire, cest aussi la puissance frigorifique qui diminue.
Des conditions de fonctionnement trs variables Il ne suffit pas, hlas, de multiplier la puissance de ces consommateurs par leur temps de fonctionnement... En effet, la puissance du compresseur est fonction de ses conditions d'utilisation, donc des besoins de froid rels et de leur variation au cours d'une saison. A tout besoin de froid correspond une condition de fonctionnement de l'installation (temprature d'vaporation, temprature de condensation). Et la chose se complique lorsque le fluide de refroidissement du condenseur n'a pas une temprature constante tout au long de la saison (ce qui est quasiment toujours le cas). Pour dterminer la consommation d'nergie d'une installation, il est donc ncessaire d'intgrer tout au long de l'anne les puissances absorbes chaque rgime de marche de tous les lments consommant de l'nergie. Pour cela, il faut dterminer la variation des besoins de froid et le nombre d'heures correspondant chacun de ses besoins ; ceux-ci seront spcifiques chaque installation. Le calcul est donc complexe ... En pratique, cest un compteur lectrique qui pourra totaliser les consommations sur une saison. Reprenons cependant l'exemple d'une installation frigorifique dont le bilan thermique est dcrit dans l'excellent ouvrage de J. Bernier ("L'itinraire d'un frigoriste" paru chez PYC- Editions) : lanalyse est intressante pour visualiser lorigine des consommations dune installation.
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3. BILAN ENERGTIQUE
L'installation fonctionne toute l'anne avec des besoins maximum de froid (Besoin de Froid = BF) de 10 kW. Pour simplifier, on rpartira la puissance frigorifique par pas de 1 kW. Le tableau ci-dessous illustre le calcul de consommation de cette installation fictive. Par exemple, l'installation a fonctionn durant 400 heures 6 kW-froid, avec une temprature de condensation de 40C. BF - Besoin de Froid (kW) dure totale heures dure heures condensation 50 dure heures condensation 40 dure heures condensation 30 10 800 600 9 1500 1000 8 2000 1300 7 1500 700 6 1000 300 5 700 200 4 500 100 3 300 2 260 1 200
200
400 100
500 200
600 200
400 300
300 200
200 200
80 220
60 200
50 150
Exemple de rpartition sur l'anne des besoins de froid et des temps de fonctionnement chaque rgime (en heures) On remarquera que le nombre d'heures de la deuxime ligne correspond un total de 8 760 heures, soit une anne. Les lignes 3, 4 et 5 indiquent la rpartition de ces heures en fonction du rgime de fonctionnement du compresseur, lui-mme fonction de la temprature extrieure. Nous allons mettre en situation le compresseur et dterminer ainsi ses consommations partielles chaque rgime de marche. La temprature d'vaporation est suppose constante - 10C. Consommation du compresseur La puissance frigorifique et la puissance absorbe d'un compresseur varient suivant les tempratures d'vaporation et de condensation. La figure ci-dessous illustre ces variations pour notre exemple. La puissance frigorifique au rgime extrme - 10/+ 50C est de 11 kW. (On notera que les courbes utilises correspondant aux conditions relles de surchauffe et de sous refroidissement, et non aux conditions nominales donnes par le constructeur).
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3. BILAN ENERGTIQUE
Reprenons maintenant notre tableau de frquences que nous allons complter avec: la puissance absorbe chaque rgime le taux de fonctionnement (pourcentage temps de marche horaire) le nombre d'heures de fonctionnement Cependant, il faut savoir que pour les faibles taux de fonctionnement, le rendement de production de froid s'croule littralement. Cest normal, iI ne doit pas seulement couvrir le BF, mais aussi la mise temprature du circuit, qui aprs chaque arrt se rchauffe compltement.
Exemple daffaiblissement de la Production de froid en fonction du taux dutilisation du compresseur (Rendement de production de froid RPF) Ainsi, l'installation tudie doit assurer pendant 50 heures une puissance froid de 1 kW lorsque la condensation se produit 40C. La figure ci-dessus prvoit ce rgime 13,2 kW frigorifique. Le taux de fonctionnement sera de 1 kW/ 13,2 kW, soit 7,5 %. Mais un tel taux de charge, le rendement de production de froid est de 80%. Si bien que le temps de fonctionnement rel sera de: 50 heures x 1 kW/(0,80 x 13,2 kW) = 5 heures D'une manire gnrale, le nombre d'heures de fonctionnement du compresseur hc chaque fonctionnement partiel est gal : hc = nh x BF/(RPF x Qo) avec hc, le nombre d'heures de fonctionnement du compresseur nh, le nombre d'heures d'utilisation BF, le besoin de froid RPF, le rendement de production de froid Qo, la puissance frigorifique disponible l'vaporateur
La consommation totale annuelle du compresseur est gale la somme de toutes les consommations partielles, aux divers rgimes.
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3. BILAN ENERGTIQUE
Besoin de Froid - BF (kW) Rgime - 10/50 Nbre heures utilisat. nh Puissance frigo Qo kW Taux fonct. % Rendement RPF Puissance absorbe kW Heures fonct. hc Consommation Cc kWh Rgime - 10/40 Nbre heures utilisat. nh Puissance frigo Qo kW Taux fonct. % Rendement RPF Puissance absorbe kW Heures fonct. hc Consommation Cc kWh Rgime - 10/30 Nbre heures utilisat. nh Puissance frigo Qo kW Taux fonct. % Rendement RPF Puissance absorbe kW Heures fonct. hc Consommation Cc kWh
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600 1000 1300 11 11 11 90% 82% 73% 100% 100% 100% 6 6 6 545 818 945 3270 4908 5670
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3. BILAN ENERGTIQUE
Auxiliaires non permanents Ce sont les auxiliaires asservis au fonctionnement du compresseur (ventilateur de condenseur, vanne magntique dpart liquide, rsistance de carter, etc.) Pour notre exemple, le ventilateur de condenseur absorbe 300 W et est asservi au compresseur. La bobine de l'lectrovanne absorbe 10 W. Le compresseur comporte en outre une rsistance de carter (non rgule) qui consomme 20 W quand le compresseur est l'arrt. Nous avons vu que le compresseur fonctionnait 5.091 heures par an. Les auxiliaires non permanents vont donc consommer: Cnp = (0,3 + 0,01) x 5.091 + 0,02 x (8.760 - 5.091) Cnp = 1.651 kWh/an Dgivrage Estimer sans observation les consommations d'un dgivrage n'est pas chose toujours facile car leur frquence est trs variable. Pour notre exemple, nous estimerons en moyenne quatre dgivrages par jour de 15 minutes ( 0,25 heure ) l'aide d'une rsistance lectrique de 6 kW, ce qui conduit une consommation annuelle de : Cd = 6 x 0,25 x 365 x 4 = 2.188 kWh/an Rcapitulation des consommations annuelles La consommation totale annuelle est gale la somme des consommations de tous les composants de l'installation soit : C = 29.556 + 4.380 + 1.651 + 2.188 = 37.775 kWh/an ( soit 136.000 MJ) Traduire en cot une telle consommation dpend essentiellement du rgime tarifaire appliqu :entre 3 et 5 Fr/kWh,gnralement.Tout dpend du moment de fonctionnement de l'installation : jour ? jour durant la pointe ? nuit ? ... (voir brochure sur la gestion de la pointe quart-horaire ). Quelle efficacit nergtique ? Dterminons l'nergie froid utilise sur l'anne. Il suffit d'intgrer les besoins de froid sur l'anne, donc de totaliser les produits des besoins frigorifiques par le temps, pour les 3 rgimes de marche.
Besoin de froid -BF (kW) 10 Nbre d'heures rgime - 10/50C Nbre d'heures rgime - 10/40C Nbre d'heures rgime - 10/30C TOTAL heures BF x heures (kWh) 600 200 800
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Plus l'installation sera performante, bien rgle, et bien entretenue et plus ce coefficient sera lev, ce qui veut donc dire tout simplement que moins l'installation sera gourmande en nergie lectrique. Remarque: ce coefficient EEmoy de 1,62 correspond une installation frigorifique ( froid ngatif ) et pas une installation de climatisation puisque la temprature d'vaporation est de -10C . Gnralement, une installation de climatisation aura une temprature d'vaporation positive, et le EEmoy dpassera 3 pour la saison. On notera galement qu'aux USA, toute installation de climatisation ayant un EEmoy infrieur 2,9 sur la saison, est interdite.
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Les signes de surconsommation nergtique d'une installation frigorifique sont principalement : l'augmentation des temps de fonctionnement du compresseur, dont les causes sont > soit le manque de fluide frigorigne, > soit l'encrassement des changeurs (condenseur et vaporateur), > soit encore le mauvais tat du compresseur. Le placement dun compteur horaire de fonctionnement sur lalimentation du compresseur est un petit investissement qui permettra de dceler une drive de consommation. la diminution de la temprature dvaporation, dont la cause principale est l'encrassement des changeurs, l'augmentation du nombre de dmarrages pour les petites installations (compresseurs hermtiques des split-systems par exemple) ou du nombre de cylindres ou de compresseurs en service. Ceci est gnralement d un encrassement du condenseur, des fuites de rfrigrant ou une mauvaise alimentation de rfrigrant liquide des dtendeurs. Ils ne peuvent tre pris en compte que si les autres paramtres restent constants, c'est--dire pour des conditions ambiantes identiques (mme demande au point de vue temprature et humidit relative) et pour des conditions extrieures identiques (temprature de condensation, apports internes et externes). Les tests effectuer consistent soit donner des indications sur un fonctionnement anormal de l'installation (mesure du courant absorb en fonctionnement continu, comptage des heures de fonctionnement, mesure du dbit de l'eau de la tour de refroidissement et du dbit d'eau glace,...), soit vrifier lefficacit nergtique de l'installation frigorifique, c'est--dire le rapport entre la puissance lectrique absorbe et la puissance frigorifique fournie (voir chapitre 3). Certaines grosses installations comportent deux compteurs dnergie qui intgrent le dbit de fluide frigorigne et le delta T avec lequel soit lvaporateur, soit le condenseur travaillent. Ceci permet de connatre les consommations thermiques sur une priode donne (parfois, cest sur la boucle deau glace que se trouve le compteur dnergie). Lnergie du compresseur peut alors tre dduite puisque lon sait que les relations suivantes sont toujours vrifies : Puissance vaporateur + puissance compresseur = puissance condenseur Energie vaporateur + nergie compresseur = nergie condenseur Pour vrifier la qualit de linstallation, il faut tablir ce bilan plusieurs rgimes de fonctionnement et le comparer la courbe defficacit en fonction de la charge du constructeur. Chaque installation est particulire et il est donc difficile de comparer sa consommation des ratios standards. Les seules rfrences sont : > soit celles donnes par le constructeur, > soit linstallation elle-mme, une priode antrieure, lorsquelle tait soumise une charge similaire.
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Le facteur 1,2 est la chaleur volumique de lair (1,2 kJ/m3.K) , et doit ventuellement tre corrige en fonction de la temprature. Puissance absorbe Puissance totale = = Pa / t Pt / t (kW) (kW)
La puissance vaporateur, le EE et le COP se calculent alors aisment. Finalement, on mesure au manomtre (demander un frigoriste) la pression daspiration et de refoulement du compresseur. En connaissant le rfrigrant, on peut dduire des tables la temprature dvaporation T0 en C et de condensation Tc en C. Sur base de toutes ces mesures, il est possible de dduire le point de fonctionnement de lappareil et de vrifier son adquation avec les donnes du constructeur et les donnes du concepteur de linstallation. Cette mthode est prcise moins de 10 %, en fonction de la prcision des mesures. Pour lavenir, il est important de bien noter les mesures et les rsultats obtenus, pour vrification ultrieure et suivi de lvolution du matriel. La rentabilit nergtique des oprations de contrle et de maintenance n'est pas vidente chiffrer. Toutefois, on peut donner les indications suivantes (chiffres tablis sur base de lexprience de la socit SECA mais qui nont pas fait lobjet de mesures en laboratoire), nettoyage rgulier, au moins annuel, des batteries, de condenseurs air et des vaporateurs directs - rentabilit de 10 30%: > 10% dans le cas d'un encrassement faible, > 30% si ce nettoyage n'a jamais t ralis; nettoyage des changeurs fluide frigorigne - eau (vaporateur et condenseur) : rentabilit de 15 25%;
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Prenons l'exemple d'une installation o l'vaporateur refroidit la boucle d'eau glace alimentant les ventilo-convecteurs, il est possible d'envisager 3 niveaux d'intervention: le local, la boucle d'eau glace et le chiller. Les trois niveaux dintervention sur la boucle deau glace La mesure la plus vidente consiste rduire les besoins de rafrachissement des locaux, entranant de facto la mise au repos du compresseur ! (voir 4.1) La diminution des pertes en ligne du fluide rfrigrant ou de leau glace constitue un deuxime axe de rflexion. (voir 4.2) A besoin gal, l'efficacit nergtique dveloppe au chapitre 3 nous entrane diminuer le travail du compresseur, c'est dire diminuer le taux de compression, entre la pression dvaporation et la pression de condensation.
Cycle frigorifique Les courbes de tempratures du diagramme HP nous montrent que ces pressions correspondent des niveaux de temprature. Diminuer le travail du compresseur, cest aussi diminuer l'cart de temprature entre vaporateur et condenseur.
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Cycle frigorifique
Ces modifications seront faites en concertation avec le constructeur du matriel, car chaque machine est conue pour fonctionner dans des plages donnes. De plus, la responsabilit du constructeur sera dgage si les paramtres de fonctionnement sont modifis sans son accord. Pour fonctionner correctement, un dtendeur thermostatique du type classique doit disposer dune pression de condensation correspondant une temprature gnralement comprise entre 30C et 40C. Si cette pression devient trop basse, le dtendeur ne fonctionne plus correctement. Un dtendeur lectronique est nettement moins sensible la pression de condensation.
Exemple chiffr Une machine de climatisation est quipe dun compresseur semi-hermtique de 4 CV, condensation par air, temprature dvaporation +5C, de condensation +40C. Le fabriquant met disposition un programme de calcul permettant valuer le comportement du compresseur dautres tempratures dvaporation et de condensation. Nous trouvons : Temprature d vaporation C +5 +0 +5 Temprature de condensation C +40 +40 +50 Puissance W vaporateur 17 210 14 490 15 060 Puissance W absorbe 4 265 4 120 4 955 EE 4.03 3.52 3.07 rapport EE 100 % 87 % 77 %
Il est important de remarquer aussi quune temprature dvaporation plus leve fera augmenter la puissance de condensation. Ceci entranera une augmentation de la temprature de condensation qui fera perdre une partie de lavantage obtenu. Ceci dmontre encore une fois limportance dun condenseur suffisamment grand.
A charge partielle (en dessous de 20% de sa puissance nominale), le rendement de production de froid dune machine frigorifique scroule ! Par un fractionnement de la puissance installe, par un entranement vitesse variable, ... il faut adapter la puissance la demande (voir 4.5) Enfin, on peut galement chercher les solutions qui permettraient de se passer de l'installation frigorifique! On pense tout particulirement aux priodes d'hiver ou de misaison pour lesquelles un by-pass de l'installation frigorifique peut tre envisage: ce sont les techniques de "free chilling". (voir 4.6)
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de la mme manire qu'on ne coupe pas une chaudire la nuit s'il fait -10'C extrieur, sauf chaudire surdimensionne.
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En chauffage, le bureau d'tudes dimensionne l'installation pour -10 extrieur et propose un circuit en rgime 90-70.
La boucle d'eau glace circule dans un btiment 22. Elle prsente donc des pertes tout au long de son parcours. En rehaussant la temprature de dpart de leau, on diminuera le T et donc les pertes. De plus, on va limiter la dshumidification de lair dans les locaux, dshumidification qui nest pas toujours ncessaire et qui pourtant entrane une consommation supplmentaire superflue lvaporateur. Si l'installation comporte plusieurs types de locaux, dont les besoins sont diffrents, cela se complique ! Mais des solutions existent. Par exemple, sil existe : > un local informatique, avec des besoins constants toute l'anne, > un local plein sud avec larges baies vitres, avec des besoins variables en fonction de la temprature extrieure et de l'ensoleillement, on peut raliser des dparts diffrents commands des tempratures diffrentes, via des vannes trois voies motorises. En chauffage, il apparat normal de sparer les circuits en zones thermiquement homognes (faade Sud, faade Nord,...), puis de moduler la temprature de dpart de chaque circuit en fonction des besoins de la zone qu'il alimente. Ne disposer que d'une seule boucle d'eau glace 6, c'est un peu comme si le chauffage n'tait aliment que par une seule boucle 90...! De plus, diverses adaptations de l'installation sont possibles afin de mieux "coller" aux besoins variables: 1re possibilit : raliser une temprature glissante sur le dpart de l'vaporateur, (6 en t, 9 en mi-saison, 12 en hiver). Pour que cette solution convienne linstallation, il faudra donc que le profil de consommation du btiment soit li dassez prt lvolution de la temprature extrieure. En climatisation, cest le cas lorsque les besoins de rfrigration sont ceux lis au traitement de lair neuf. Par contre, les apports dus aux machines, lclairage, aux personnes sont constants. Les apports solaires sont lis lvolution de la temprature extrieure (cest en t que temprature et soleil sont au maximum) mais le soleil peut tre important certaines journes davril... De plus, il faut que l'installation le permette : avoir des compresseurs qui autorisent une temprature dvaporation suffisamment leve et des changeurs permettant de fonctionner dans ces conditions, avoir une rgulation de commande disponible (certaines machines "standards" ne donnent pas accs la modification de la temprature d'eau de dpart). En fait, agir sur la temprature de dpart de leau glace suppose une bonne connaissance de son installation et de l'origine des apports vaincre. Par exemple, il sera trs utile de suivre lvolution de lcart de temprature (dpart - retour) de leau glace durant lanne : un dpart 6 - retour 8 en hiver suivi dun rgime 6 - 11 en t est signe quil
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5. PROJET DAMLIORATION DE LA RGULATION LA RGULATION DES INSTALLATIONS FRIGORIFIQUES EN CLIMATISATION DES BTIMENTS
est possible de remonter la temprature de dpart en hiver, puisque les besoins sont faibles. Encore faut-il ne pas avoir un local dont les besoins sont constants toute l'anne (local informatique, par exemple) et dont la puissance de l'metteur est juste suffisante (il devra toujours tre aliment 6). En mi-saison, linstallation pourra toujours rpondre un apport solaire momentan, mais proportionnellement avec une puissance maximale plus faible puisque la temprature de dpart de leau glace sera plus leve. Cette rgulation peut se faire, soit manuellement (2 ou 3 adaptations par an), soit automatiquement. Dans ce cas, il faudra trouver l'emplacement du capteur qui sera fidle des besoins de l'installation. Un rgulateur avec courbe de chauffe adapte la temprature de dpart en fonction de la sonde extrieure. La temprature de dpart est adapte au besoin du consommateur le plus exigeant (c'est parfois la prsence d'un prparateur d'eau chaude sanitaire qui va imposer la temprature de dpart minimale) Exemple dapplication : lvolution de la performance de lquipement informatique entrane gnralement une baisse des consommations dnergie et donc des puissances thermiques vacuer. Si jadis on dimensionnait du 450 W/m2, on table actuellement sur 150 W/m2. Les anciennes installations, prsent surdimensionnes, verront donc favorablement leur temprature de dpart deau glace augmenter. A noter : attention la puissance des ventilateurs, prvus pour transporter la puissance dorigine car ils risquent de constituer prsent une partie importante de la charge frigorifique ! 2me possibilit : maintenir les tempratures de retour les plus hautes possibles, Pour cela, on peut rguler les lments terminaux (comme les ventilo-convecteurs, les centrales dair, les sous-stations, ...) avec des vannes deux voies. Lorsque les besoins diminuent, le dbit de la boucle diminue galement. Pour maintenir la pression constante aux bornes des quipements, on utilise des pompes dbit variable pilotes soit par la temprature de retour, soit par la pression. Par opposition la 1re possibilit de rgulation sur sonde extrieure, on ralise ici une rgulation sur boucle ferme plus fidle aux besoins du btiment. Pour lvaporateur, ce nest plus la temprature de dpart qui est releve, mais la temprature moyenne de fonctionnement qui est augmente (rgime 6 - 14 par exemple). Remarque : En thermique, il existe deux manire de rguler : agir sur le dbit ou agir sur la temprature. Moduler le dbit sous-entend conserver une temprature constante. Or, en chauffage, le rgime de temprature adopt lors du dimensionnement du matriel est lev : gnralement 90-70. Ceci entrane un cart de temprature lev par rapport lambiance et donc des pertes de maintien leve. On aura donc tout intrt rguler sur la temprature. En rfrigration, par contre, le rgime classique 6-11 ou 7-12 prsente peu dcart par rapport lambiance. De plus, le dbit est important ( puissance gale, il faudra 4 fois plus de dbit pour transporter du froid que du chaud puisque le T est 4 fois plus petit) et sa modulation est plus aise. Si les besoins sont fort variables, on sera ds lors plus facilement tent par une rgulation sur le dbit, avec une temprature de dpart constante, une temprature de retour la plus leve possible...et des conomies dnergie sur le transport de leau par lutilisation dune pompe vitesse variable. Cependant, un dbit minimum dans lvaporateur est requis par le constructeur, sous peine de le geler certains endroits. Linstallation devra comprendre un by-pass de recyclage.
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rgulation du refroidissement du condenseur > Economie sur le ventilateur mais pas sur le compresseur ! Il est cependant possible d'agir : Supposons que le ventilateur du condenseur fonctionne en tout ou rien : par exemple, il s'enclenche lorsque la pression monte 16 bars et dclenche lorsque la pression descend 12 bars. Ceci entrane des cycles on-off "rapides" (+/- 2 min.) et une "fatigue" du moteur. De plus, la mise en route brutale du ventilateur provoque une chute soudaine de la pression et de la temprature de condensation. Ceci provoque son tour une r-vaporation du liquide rest la mme temprature. Les bulles de vapeur provoqus par ce phnomne peuvent perturber le bon fonctionnement du dtendeur et donc de linstallation ( flash gaz). Si par contre, on utilise un ventilateur vitesse variable (moteur spcial ou rgulateur de vitesse de rotation externe), en plus de la rduction de consommation du ventilateur, on optimisera le fonctionnement du compresseur qui restera rgul 12 bars (ds que la pression augmente, le ventilateur acclre; et si la charge augmente encore, c'est la pression qui augmente naturellement). Si le condenseur dispose de plusieurs ventilateurs, on obtient un rsultat similaire partir dune mise en cascade des ventilateurs, via un pressostat plusieurs tages. Cette fois, la pression de condensation est stable, ce qui vite la formation de bulles de gaz lentre de lvaporateur. Remarque : installer la vitesse variable sur un ventilateur peut demander le remplacement du moteur du ventilateur. Mais cet investissement est subsidi par le distributeur lectrique, et peut permettre de rsoudre des problmes de bruit.
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2. Autre solution avantageuse: un moteur d'entranement deux vitesses ou, selon le genre d'entranement, vitesse variable. Le rgime s'adapte la puissance de rfrigration. A bas rgime, il faut vrifier si la lubrification est suffisante. Cette technique est actuellement en plein dveloppement. Le compresseur scrollsy prte particulirement. 3. Le rglage par la mise l'arrt de cylindres est moins favorable. Les cylindres tournant vide ont pour consquence que, pour une puissance de rfrigration de 50 % par exemple, la machine absorbe encore environ 65 % de la puissance dentranement. 4. A cet gard. le rglage par un tranglement dans la conduite daspiration n'est pas meilleur. On modifie alors la puissance de rfrigration en agissant sur le dbit du rfrigrant. 5. Quant au rglage par bypass des gaz chauds, il faut le qualifier de pur anantissement d'nergie . Dans ce cas, la puissance absorbe reste la mme lorsque la puissance de rfrigration diminue. De plus, il provoque un chauffement du moteur. Dans la mesure du possible, il faut mettre ce systme hors service dans les installations existantes. Remarque: Cette tape demande de connatre la puissance effective ncessaire en fonction des saisons. Aussi, on placera un simple compteur horaire sur l'alimentation lectrique du compresseur pour connatre son temps de fonctionnement et donc sa puissance moyenne demande. Si l'installation doit vaincre les apports d'une machine spcifique enclenchement discontinu, la puissance moyenne peut tre trompeuse : certains moments, c'est la puissance totale qui est demande, et zro le reste du temps....Idalement, on enregistrera la puissance demande, en relevant en parallle la source des apports thermiques.
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Un de ces appareils sera coupl une horloge afin de limiter les squences de dgivrage en frquence et en dure. La fin du dgivrage sera commande par un thermostat plac dans l'vaporateur. Pendant le dgivrage par rsistances ou par inversion de cycle, la ventilation de l'vaporateur sera coupe (dans certains cas il est prvu en plus la fermeture de volets motoriss pour empcher l'air de circuler par convection naturelle pendant le dgivrage). Pour une bonne vacuation des eaux de dgivrage, il est ncessaire que sur tout son parcours, la tuyauterie d'vacuation soit une temprature positive.
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6. TUDES DE CAS
6. TUDES DE CAS
6.1 Lalimentation en eau glace du site ROUSSEL UCLAF Compigne
Problme : Le bureau dtudes est contact parce que la capacit frigorifique distribue est insuffisante, et que des extensions sont envisages, tant lutilisation qu la production. Analyse : Les pompes primaires du rseau alimentent la circulation deau glace sur lensemble du site (7.000 kW frigorifiques), la fois dans le rseau et dans les quipements terminaux . De plus, une grande varit dquipements sont rencontrs : vannes deux voies, vannes trois voies, sous-station avec pompe de reprise,... Il apparat que linstallation a grandi anarchiquement, par repiquages successifs, en ajoutant une pompe l o un dfaut dalimentation se faisait sentir,...et en dsquilibrant simultanment lensemble du circuit ! Linstallation ne manque pas de puissance mais dune bonne distribution de la puissance installe. Propositions damlioration Dans une premire phase, il est suggr de rsoudre les problmes hydrauliques : indpendance utilisation/distribution : cration de sous-stations dont le dbit et la perte de charge cot distribution primaire soient constants et donc indpendant du fonctionnement des circuits secondaires qui disposeront de leur propres pompes. Ces sous-stations seront constitues de deux collecteurs, l'un pour l'aller, l'autre pour le retour, relis entre eux par une canalisation d'quilibrage. Les collecteurs sont aliments par la distribution d'eau glace et alimentent eux-mmes les circuits secondaires desservants les quipements terminaux. Les dbits dans les rseaux primaire et secondaire sont indpendants et la diffrence de dbit circule dans la canalisation d'quilibrage. Celle-ci est dimensionne de telle faon que la perte de charge qu'elle induit n'influence pas le fonctionnement du rseau.
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indpendance distribution/production : interposition de deux bouteilles, une sur le dpart, l'autre sur le retour, relies par un collecteur d 'quilibrage. Cot groupe froid, l'eau est mise en circuit par des pompes spcifiques chacun des groupes frigorifiques. Les dbits et pertes de charge dans chacun des circuits desservants chacun des groupes froids ne dpendent que du fonctionnement du groupe concern exception faite de la canalisation commune dont la faible influence est rendue ngligeable par un branchement en boucle de Tiechelmann. Cot distribution, ce sont les pompes de distribution qui assurent le mouvement des fluides. On peut remarquer que les dbits cot groupes et cot distribution peuvent tre trs diffrents sans que cela ne pose de problme hydraulique. Les deux bouteilles auront de plus la fonction d'augmenter l'inertie thermique des rseaux, permettant ainsi une meilleure rponse aux pointes de consommations et une amlioration du fonctionnement de la rgulation des groupes.
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adaptation des pompes Il devient ncessaire de remplacer les pompes de circulation pour crer un ensemble de pompes dont le point de fonctionnement serait : 1050 m3/h - 15 mCE. Afin d'amliorer le fonctionnement des groupes du point de vue thermique, il est souhaitable de maintenir un cart de temprature aussi grand que possible entre l'aller et le retour et ce quelle que soit la demande en puissance. II faut pour cela adapter le dbit dans le circuit de distribution la demande. L'indpendance hydraulique de la distribution rend cela possible et il suffit alors de mettre en place une variation de vitesse sur les pompes. Cela implique de placer des vannes deux voies aux sous-stations asservies la demande, c'est dire la temprature de retour, d'enclencher cinq pompes en cascade en fonction de la demande, c'est dire de la rsistance hydraulique du rseau, et de faire varier la vitesse de la dernire pompe enclenche de faon maintenir constante la perte de charge du circuit, et, par voie de consquence, la temprature de retour. Le choix a t fait dinstaller cinq pompes 210 m3 /h - 15 mCE avec une courbe caractristique suffisamment plongeante pour permettre un fonctionnement vritable de la rgulation. Conclusions : La ncessit daugmentation de la production sera rvalue aprs la mise en place de ces modifications (estimes 9.000.000 Fb H.T.).
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6. TUDES DE CAS
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Type de compresseur
Remarques
quelques dizaines de kW plus de 1000 kW quelques dizaines de kW quelques centaines de kW (puissances moyennes) de quelques kW plusieurs dizaines de kW
voir *
Semi-hermtique
voir *
Hermtiques
Rgulation type 'marche/arrt' commande par thermostat d'ambiance ou sur circuit d'eau. Tendance actuelle : plusieurs compresseurs en centrale Excellente fiabilit et longvit modulation de puissance trs souple, sans dgradation du COP. Modulation de puissance optimale limite 35% Modulation de puissance optimale, par variation de la vitesse de rotation ou par mise en centrale
Compresseurs vis
de 100 1200 kW
de 3 40 kW
* : Rgulation par modification du dbit de fluide frigorigne, soit par limination de cylindres actifs, soit par rinjection des gaz chauds directement au refoulement l'aspiration. Ce mode de rgulation dgrade fortement le rendement nergtique du compresseur qu'il est bon d'utiliser pleine charge. Pour cette raison, la tendance est d'associer deux ou plusieurs compresseurs sur une mme machine, ce qui accrot la scurit et permet d'atteindre des puissances consquentes, dpassant par exemple 1000 kW.
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Dans la mme collection : Fascicules techniques Guide au dimensionnement des appareils de production deau chaude sanitaire Comment ragir une situation durgence ? La surveillance des cuves combustibles liquide enfouies dans le sol Comptabilit nergtique. Pourquoi ? Comment ? La signature nergtique. Interprtation La tlgestion des petites chaufferies dcentralises Motiver lutilisation rationnelle de lnergie Choisir une protection solaire Climatiser un local Les rcuprateurs de chaleur Rnovation de lclairage Bureautique et nergie Gestion de la pointe quart horaire Ladaptation des pompes et des ventilateurs aux besoins Le rglage des courbes de chauffe La rgulation du chauffage dans les tablissements scolaires Lclairage dans les coles Laudit nergtique dun tablissement scolaire La rgulation des installations frigorifiques en climatisation de btiments La ventilation la demande Fiches technico-commerciales Mesure de la consommation du fuel Types de vitrages Types de chssis Etudes de cas Rnovation de chaufferie la communaut scolaire Saint Benot Habay-la-Neuve Isolation thermique des toitures inclines : cas de lIATA Isolation thermique et tanchit dune toiture plate Limplication des occupants dans la gestion nergtique : un dfi de taille ! LURE dans les hopitaux : 4 exemples Le cadastre nergtique des btiments, un outil pour dfinir les priorits dintervention Plus quun pari sur les hommes de bonne volont : le responsable nergie Ralisation : J. Dupuis SECA-GEM Rue de Praetere, 2-4 - 1000 Bruxelles W. De Smet Cool Consult A. Van Bockxstaelestraat, 43 - 9050 Ledeberg J. Claessens Architecture et Climat Universit Catholique de Louvain Place du Levant, 1 - 1348 Louvain-la-Neuve Tl. : 010/47.21.42 Ralis linitiative du Service de lEnergie de la Rgion Walonne Editeur Responsable Ministre de la Rgion Wallonne DGTRE - Service de lEnergie Avenue Prince de Lige, 7 - 5100 Jambes Tl. : 081/32.12.11 1998, Ministre de la Rgion Wallonne Dpt Lgal : D/1998/5322/35 Reproduction autorise moyennant indication de la source.
DGTRE