Choix de réfrigérants pour la réfrigération commerciale
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Choix de réfrigérants pour la réfrigération commerciale
Choix de réfrigérants pour la réfrigération commerciale Trouver le bon équilibre Les faits et chiffres publiés dans cette étude théorique sont basés sur des hypothèses classique de la profession et les coéfficients de performance sont extraits de documents publics. Emerson Climate Technologies ne peut être tenu responsable de problèmes survenant lors de l'application de données contenues dans cette étude. 2 SOMMAIRE 5. Configurations des cas 1. Préambule 1.1. Introduction 4 5.1. Introduction 17 1.2. Glossaire 5 5.2. Cas 17 1.3. Résumé 5 6. Comparaison des cas et résultats" 2. Choix de réfrigérants pour la réfrigération commerciale - 6.1. Trouver le bon équilibre 2.1. Introduction 7 2.2. Portée de l'étude 7 6.2. 3. Types de systèmes Consommation énergétique 18 - Europe du Nord 18 - Europe du Sud 18 Impact sur l'environnement / Empreinte carbone 20 - Europe du Nord 20 - Europe du Sud 20 22 3.1. Détente directe centralisée 8 6.3. Coûts d'investissement 3.2. Détente directe répartie 9 6.3.1. Structure des coûts d'investissement et 3.3. Système en cascade 10 pondérations des systèmes 3.4. Système secondaire 11 composants du système 22 3.5. Système au R744 transcritique booster 12 Comparaison des coûts d'investissement 26 6.3.2. 7. Constatations et discussions 4. Définition du système 4.1. Conditions saisonnières de fonctionnement 13 7.1. Constatations 27 4.2. Charges 13 7.2. Addition des trois critères 29 4.3. Charges parasites 13 4.4. Rendement et coefficient de performance (COP) 13 4.5. Climat 14 4.6. Supermarché modèle 14 4.7. Facteur carbone 14 4.8. Durée de vie 14 4.9. Récupération en fin de vie 14 4.10. Charge en réfrigérant par kW de charge 14 4.11. Taux de fuite en réfrigérant 14 4.12. Charges, conditions de fonctionnement et charges auxiliaires pour les calculs 15 4.13. Valeurs de GWP 15 4.14. Limites d'applicabilité 16 8. Conclusion générale 31 3 1 Préambule 1.1. Introduction Emerson Climate Technologies favorise des solutions permettant de préserver les aliments tout en protégeant l'environnement. La réduction de l'empreinte carbone et de l'impact sur le changement climatique grâce à une utilisation responsable de l'énergie est un objectif environnemental capital. Cette étude est destinée à aider nos clients à atteindre ces objectifs, en les guidant dans le processus décisionnel complexe de définition de systèmes de réfrigération, pour de nouveaux bâtiments ou de grands projets de rénovation. Cette étude est axée sur le réfrigérant mais prend également en compte l'architecture et la technologie du système de réfrigération qui ont un impact sur la consommation énergétique, l'environnement et les coûts d'investissement. Les supermarchés ont été choisis pour cette étude car ils offrent le meilleur potentiel pour intégrer les derniers principes de conception en réfrigération afin d'améliorer les performances environnementales. Quatorze combinaisons de technologies de systèmes et de réfrigérants sont étudiées ici, et appelées « cas ». Cette étude définit le réfrigérant, la technologie de compresseur et le type de système pour chaque cas, ainsi que les alternatives et les conditions de fonctionnement associées. Nous avons pris comme référence un supermarché ayant une surface de vente de 1000-1200 m2, soit le format typique en Europe. Ce supermarché, le « Cas 1 », est la base à laquelle sont comparées différentes combinaisons de réfrigérants et de technologies. Cette étude comprend cinq combinaisons réfrigérant/technologie pour les systèmes de réfrigération de supermarché : détente directe centralisée (DX), détente directe répartie, système en cascade, système secondaire et système booster au R744 trans-critique 4 1.2. Glossaire Impact sur l'environnement BT Basse température • En Europe, le R404A est le réfrigérant le plus utilisé en CO2 Dioxyde de carbone réfrigération. Cependant, il est possible de réduire COP Coefficient de performance considérablement les émissions en améliorant les systèmes et DX Détente directe centralisée en adoptant un réfrigérant ayant un coefficient de réchauffement EVI Injection de vapeur global ( GWP) plus faible. GWP Coefficient de réchauffement global HFC Hydrofluorocarbone HFO Hydrofluoro-oléfine • Les systèmes à détente directe répartie peuvent réduire les émissions directes grâce à une charge moindre et à des taux de fuites plus faibles, avec des groupes fabriqués en usine. • Les compresseurs Scroll à connexions brasées contribuent à ces MT Moyenne température ODP Coefficient de destruction de la couche d'ozone Recip. Compresseurs semi-hermetique à pistons • Les systèmes répartis à détente directe au R407A/F ou R404A TEWI Coefficient de réchauffement global total représentent une très bonne alternative, surtout en Europe du réductions. Sud. 1.3. Préambule Résumé Cette étude analyse les différentes combinaisons de technologies et de réfrigérants sous trois angles principaux qui orientent les décisions d'aujourd'hui : consommation énergétique, impact sur l'environnement et coût d'investissement. Les conclusions principales de l'étude sont les suivantes : • Les systèmes secondaires offrent les TEWI les plus faibles, car la charge en réfrigérant est moindre. • Les valeurs de TEWI peuvent être améliorées en remplaçant le R404A par le R134a pour le refroidissement à moyenne température. Le R134a n'est pas approprié à la basse température. • Le booster R744 est une configuration excellente pour réduire Consommation énergétique • Les technologies les plus récentes comme les compresseurs Copeland Scroll™ ZF avec injection de vapeur (EVI) et ZB, offrent le meilleur rendement avec un gain allant jusqu'à 12 % par rapport aux compresseurs à pistons semi-hermétiques. • La consommation énergétique est généralement supérieure pour les systèmes autres qu'à détente directe, à cause de la barrière de transfert de chaleur additionnelle entre les circuits basse température (BT) et moyenne température (MT). • Un compresseur Scroll utilisant le réfrigérant R407A/F (Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l'étude.) est une excellente solution en terme de rendement énergétique. • La meilleure option de remplacement du R404A en détente directe est le R407A/F, plus favorable que le R134a. La cascade R744/R407A/F est une bonne alternative. • Le R744 a des propriétés de transfert de chaleur particulièrement bonnes ce qui autorise des différences de température plus faibles au sein des 'échangeurs de chaleur, améliorant ainsi le le TEWI en Europe du Nord. Les systèmes secondaires utilisant du R744 et du R410A peuvent même offrir des valeurs de TEWI légèrement inférieures. • La cascade utilisant du R407A/F à moyenne température réduit la consommation énergétique, mais comme il n'y a pas d'économies d'émissions directes pour la basse température, le TEWI est environ 4 % supérieur à celui de l'alternative au R134a. Cependant, le coût d'investissement est considérablement inférieur. • Un système secondaire élimine pratiquement l'effet des émissions directes. Un refroidisseur au R410A peut être utilisé à moyenne température et à basse température en cascade, et le taux de fuite d'un groupe fabriqué en usine est considérablement réduit. • En utilisant du R290 ou du HFO pour le refroidisseur, même cette petite émission directe peut être éliminée, mais avec un surcoût associé à des précautions de sécurité supplémentaires. • Le HFO (Hydrofluoro-oléfine) est un remplaçant potentiel du R134a dans les systèmes secondaires à moyenne température car il offre un rendement similaire. rendement du système. • En mode transcritique, les coefficients de performance (COP ) sont inférieurs à ceux des systèmes à compression de vapeur classiques. Les climats les plus chauds (Europe du Sud) pénalisent le R744. Coûts d'investissement • Les systèmes répartis génèrent le plus faible coût d'investissement, mais ils ne peuvent être appliqués qu'à des édifices appropriés (installations du type roof top). 5 • Le passage de la détente directe à d'autres systèmes entraîne des coûts d'investissement supplémentaires. • Les systèmes booster au R744 offrant l'élimination des HFC et des réfrigérants inflammables nécessitent l'investissement le plus élevé. • Le passage du R404A au R134a pour la moyenne température améliore le TEWI mais génère un impact sur le coût d'investissement. • Une alternative excellente au R134a dans les systèmes moyenne température est le R407A/F, en terme de coûts d'investissement et de consommation énergétique. • L'utilisation du R290 ou du HFO dans un refroidisseur afin de réduire considérablement les émissions directes entraîne un surcoût associé à des précautions de sécurité supplémentaires. • Comme la quantité de R744 nécessaire pour atteindre la même puissance frigorifique est bien inférieure à celle des HFC, de nombreux composants comme les compresseurs et tuyaux peuvent être plus petits que dans les installations classiques. • Les circuits de réfrigération au CO2 transcritique fonctionnent à des pressions bien supérieures à celles des systèmes classiques au R404A . Ceci nécessite des composants et des techniques d'assemblage peu répandus actuellement dans le secteur de la réfrigération pour les supermarchés. • Le fonctionnement en mode trans-critique, qui requiert une conception différente de celle des systèmes classiques aux HFC, est inconnu de la plupart des techniciens de maintenance en réfrigération, causant donc un problème de sécurité. • Le R744 n'est pas largement utilisé dans les systèmes de réfrigération. Cela limite le choix des composants, qui en outre sont généralement plus coûteux. Les pressions élevées nécessitent également des matériaux et des conceptions plus pointues et plus coûteuses. • Le passage à un système booster au R744 nécessiterait actuellement un changement complet de l'architecture du magasin. Par conséquent, dans de nombreux cas, cette solution risque de rester limitée à quelques nouvelles constructions, alors que la plupart des projets de rénovation resteraient basés sur les HFC. Durant la phase d'évaluation, les différentes alternatives devront également être évaluées pour répondre à diverses contraintes telles que l'investissement, le fonctionnement et la maintenance du système. 6 2 Choix de réfrigérants pour la réfrigération commerciale - Trouver le bon équilibre 2.1. Introduction Toute alternative de combinaison réfrigérant et de technologie Le débat sur ce qui constitue le « bon choix » de réfrigérant pour doit : les applications de réfrigération commerciale s'est intensifié ces 1. offrir des propriétés de sécurité éprouvées et conformes aux dernières années, spécialement parce que des études sur les fuites ont révélé les véritables effets des émissions de HFC dans les systèmes centralisés. Des réductions considérables des émissions sont certainement possibles, mais elles impliquent des coûts. dernières règlementations ; 2. respecter l'environnement avec un coefficient de destruction de l'ozone (ODP) égal à zéro et un GWP faible ; 3. offrir une disponibilité à long terme à un coût raisonnable ; et 4. offrir des rendements égaux ou supérieurs aux meilleures À l'heure actuelle en Europe, le R404A est le fluide le plus technologies actuelles basées sur le R404A pour générer une couramment utilisé en réfrigération Bien qu'il soit non toxique et faible consommation énergétique. ait un coefficient de destruction de l'ozone (ODP) égal à zéro, il possède un coefficient de réchauffement global (GWP) élevé. Par souci de simplicité, nous avons pris comme référence un Il est possible de réduire considérablement les émissions néfastes supermarché ayant 'une surface de vente entre 1 000 et 1 200 m2, pour l'environnement en utilisant des systèmes alternatifs et en représentatif du format de magasin typique en Europe. Les armoires passant à des réfrigérants ayant un GWP plus faible. réfrigérées et à surgelés dans ce magasin utilisent toutes le R404A pour leur refroidissement. Un local technique renfermant la centrale Par exemple, des alternatives aux systèmes de détente directe de réfrigération fonctionne avec des vitrines dotées d'évaporateurs (DX) avec un local technique centralisé ont été utilisées avec succès. à détente directe (DX). Les réfrigérants naturels comme le R744 offrent l'avantage La puissance frigorifique requise pour maintenir les vitrines en d'émissions proches de zéro, bien qu'ils puissent présenter des température est appelée « charge ». Les autres charges, comme celles inconvénients en terme de consommation énergétique, d'émissions des zones de préparation d'aliments, des chambres froides ou des indirectes et de coût d'investissement. comptoirs-vitrines, sont ignorées. Bien que nous sommes conscients que de nombreux utilisateurs envisagent l'intégration de la Nous avons réellement besoin d'une analyse précise de différents climatisation, du chauffage et de la récupération de chaleur, ces systèmes de réfrigération et des réfrigérants qu'ils utilisent, ainsi « solutions totales » ne sont pas traitées dans cette étude. que des problèmes liés à l'abandon du R404A, au GWP trop élevé. C'est l'objectif de cette étude. De telles solutions peuvent certes avoir un impact sur le rejet de chaleur et l'architecture d'un système, mais nous pensons que les 2.2. Portée de l'étude En tant qu'acteurs responsables, Emerson Climate Technologies et ses clients, ont pour objectif capital la réduction de l'empreinte carbone et de l'impact sur le changement climatique grâce à une utilisation responsable de l'énergie. systèmes de refroidissement de vitrines jouent toujours un rôle majeur, et ce sont ces systèmes qui sont l'objet de cette étude. Quatorze combinaisons réfrigérant/technologie sont analysées en profondeur afin de fournir des informations comparables. Elles sont désignées comme cas 1 à 14. Le supermarché « cas 1 » est la base de comparaison des combinaisons Cette étude est destinée à aider nos clients à atteindre ces objectifs. Elle est axée sur le réfrigérant, ainsi que sur l'architecture et la technologie du système de réfrigération, qui ont ainsi un impact sur l'environnement, l'investissement et les coûts de réfrigérant/technologie. Le réfrigérant, la technologie de compresseur et le type de système pour chaque cas, ainsi que des alternatives et les conditions de fonctionnement associées, sont présentés dans cette étude. fonctionnement. Lorsque l'on envisage de remplacer le R404A, il est nécessaire d'examiner quatre critères en particulier. 7 3 Types de systèmes Cette étude comprend cinq combinaisons réfrigérant/technologie considérablement selon les pays et le type d'installation. pour des systèmes de réfrigération de supermarchés. Même dans les meilleurs systèmes, on constate toujours de légères fuites de réfrigérant (entre 2 et 3 % de la charge du système par 3.1. Détente directe centralisée an). Il est également impossible d'éviter quelques défaillances C'est un système à détente directe utilisant des HFC pour la basse catastrophiques engendrant la perte totale de la charge en température (BT) et la moyenne température (MT) (respectivement réfrigérant. Pour un nouveau système de réfrigération classique pour les vitrines réfrigérées négatives et positives). au R404A en détente directe en Europe, nous avons utilisé un taux de fuite annuel moyen de 15 %. Le taux de fuite peut être moindre La solution à détente directe centralisée, comprenant deux dans certains pays mais supérieur dans d'autres, à cause des systèmes complètement séparés (BT et MT), est typique des différents niveaux de connaissance technique. systèmes installés dans les supermarchés en Europe à l'heure Les points de fuite les plus courants pour les systèmes de actuelle. Chaque système utilise une centrale multi-compresseurs réfrigération, selon le guide « REAL Zero » , sont les suivants : comprenant de trois à huit compresseurs à pistons semihermétiques ou Scroll. La centrale, située dans un local technique, • vannes d'arrêt /à boisseau sphérique /Schrader; est reliée à un aéro-condenseur situé à l'extérieur. Le liquide • joints flare et mécaniques; réfrigérant haute pression alimente les vitrines du magasin, • soupapes et bouchons fusibles; généralement via un réservoir de liquide . Le réfrigérant gazeux • condenseurs; revient ensuite à la centrale via la ligne d'aspiration. La haute • pressostats; pression est généralement contrôlée par variation du débit d'air. • tubes capillaires; La haute pression est ainsi maintenue aussi basse que possible, • coudes en U des évaporateurs et condenseurs. lorsque la température extérieure est basse. La température de condensation minimale est supposée être 20 °C pour les circuits De plus, le taux de fuite global prend en compte les fuites frigorifiques comportant un aéro-condenseur. « catastrophiques ». Ce terme est utilisé pour décrire toute perte Le taux de fuite de réfrigérant des systèmes de supermarché varie majeure de réfrigérant qui se produit en un seul incident. Détente directe centralisée condenseur compresseurs évaporateur BT ou MT 8 3.2. Détente directe répartie Ce système est similaire à la détente directe centralisée, mais les compresseurs sont généralement situés à proximité du condenseur. Au lieu d'un local technique central, de plus petits compresseurs sont montés dans chaque groupe de condensation. Les groupes de condensation sont généralement montés sur les toits, chacun étant directement positionné au-dessus d'un groupe de vitrines afin d'éviter de longues lignes de réfrigérant. Les groupes de condensations peuvent être assemblés en usine, ce qui permet d'optimiser leur qualité et simplifie le processus de construction, qui est alors plus rapide, plus efficace, plus sûr et moins coûteux. Cette approche réduit également la charge en réfrigérant et le taux de fuite, grâce à l'utilisation de tuyauteries de plus petit diamètre. Cependant, cette solution n'est pas toujours utilisable, en fonction de l'emplacement et de la structure du bâtiment. Compresseurs situés à proximité du condenseur Détente directe répartie Condenseur + compresseurs Évaporateur BT ou MT 9 3.3. Système en cascade Avec cette technologie, un système à détente directe centralisée La haute pression (entre 30 et 35 bars environ) est toujours dans au HFC est utilisé en moyenne température, et le système BT les limites de conception normales pour les tuyauteries et les comporte un circuit séparé qui rejette sa chaleur vers l'évaporateur composants (généralement 40 bars). du système MT. La différence de température nécessaire au transfert de chaleur au Le circuit BT a une température de condensation basse si bien que travers de cet échangeur supplémentaire représente une légère le R744 (CO2) peut être utilisé en mode subcritique sans pressions perte de rendement énergétique par rapport à un système à excessives. Les difficultés ne sont pas fondamentalement différen- détente directe. tes de celles des systèmes utilisant des réfrigérants classiques. Système en cascade Condenseur Compresseurs MT Évaporateur MT Compresseurs BT Évaporateur BT 10 3.4. Système secondaire Un réfrigérant secondaire distribue le froid à moyenne température Les systèmes à réfrigérant secondaire nécessitent une pompe pour dans tout le supermarché. Les dispositifs basse température sont faire circuler le fluide dans l'enceinte du supermarché. identiques à ceux du système en cascade décrit au chapitre 3.3. L'échangeur thermique requiert une différence de température pour le transfert de chaleur, donc la température d'évaporation La chaleur des vitrines réfrigérées est transférée à l'évaporateur MT doit être inférieure à celle du réfrigérant secondaire, ce qui MT en faisant circuler un fluide secondaire, généralement du glycol. entraîne une augmentation de la consommation énergétique du Les échangeurs de chaleur peuvent être placés à proximité des compresseur. Dans cette étude, nous avons supposé une différence compresseurs. Lorsqu'ils sont associés à un aéro-condenseur , de température de 5 K, soit une température d'évaporation MT l'ensemble peut être livré sous la forme d'une unité pré-assemblée de -10 °C. similaire à un refroidisseur de liquide. Il en résulte une charge en réfrigérant MT considérablement réduite, et le taux de fuite de Les systèmes secondaires nécessitent moins de temps de réfrigérant est moindre grâce à la fabrication en usine. maintenance que les solutions à détente directe. Système secondaire Condenseur Compresseurs MT Refroidisseur MT Compresseurs BT Évaporateur BT 11 3.5. Système transcritique booster au R744 Ce modèle utilise le R744 (CO2) dans les systèmes BT et MT. Le liquide et le gaz sont séparés dans une bouteille flash, dans Les compresseurs BT agissent comme des boosters pour remonter laquelle la pression est régulée entre 35 et 40 bars environ. de l'étage BT vers l'étage MT. Le liquide est ensuite distribué aux vitrines MT et BT par une ligne liquide à cette pression intermédiaire. La vapeur est amenée via Pour des températures ambiantes supérieures à environ 23°C, la un détendeur additionnel vers l'aspiration des compresseurs MT. pression de refoulement des compresseurs est supérieure à la L'utilisation d'un compresseur séparé peut s'avérer une méthode pression critique du R744 (74 bars). Le condenseur agit alors adéquate pour augmenter le rendement du système dans les comme un refroidisseur de gaz et fait chuter la température de la régions les plus chaudes vapeur sans la condenser . Le fluide refroidi passe dans une vanne de réduction de pression, et à ce stade une partie est condensée en liquide. Système transcritique booster au R744 Condenseur Bouteille Flash Compresseurs MT Évaporateur MT Compresseurs BT Évaporateur BT 12 4 Définition du système Dans cette étude, des simplifications ont été effectuées afin que de contrôle ont une influence importante sur le rendement du les calculs de consommation énergétique et d'impact sur l'environ- système. Un fonctionnement au mode subcritique peut donner nement restent facilement compréhensibles. Ces simplifications un meilleur rendement que les systèmes conventionnels actuels. peuvent ne pas être appropriées à un système particulier, mais Cette amélioration de rendement est nécessaire pour compenser cette approche permet véritablement une comparaison réaliste, le faible COP transcritique qui accompagne les conditions à haute puisque les mêmes conditions sont applicables pour chaque cas. température ambiante. La situation géographique joue par là un Des différences émanant de la nature du système, du réfrigérant rôle important. Au plus le climat est chaud, au plus le système et du type de compresseur existent en fonction des cas. fonctionnera en mode transcritique. Pour cette étude, nous avons considéré le scénario le plus favorable 4.1. Conditions de fonctionnement saisonnières pour le système transcritique au CO2. Des études ont montré que Une température de condensation de 25 °C a été utilisée pour des systèmes transcritique au CO2 optimisés, utilisés à la fois côté représenter des conditions de fonctionnement moyennes en BT et MT peuvent fonctionner avec des COP moyens similaires à Europe du Nord, et de 30 °C en Europe du Sud (voir « Climat » ci- ceux des systèmes équipés de compresseurs semi-hermétiques dessous). à pistons au R404A dans le climat de l'Europe du Nord. Cette comparaison est normalement effectuée lors de l'évaluation des avantages d'une solution utilisant des réfrigérants naturels. Pour 4.2. Charges cela, on bénéficie des pertes de charge inférieures du R744 et de Les charges ont été supposées constantes tout au long de l'année. meilleures propriétés de transfert de chaleur. Le sous-refroidissement est également un avantage avec le R744, 4.3. Charges parasites et est normalement requis dans un système au R744 optimisé Les pertes des lignes d'aspiration et les pertes de charge sont pour atteindre le COP souhaité ici. négligées. Pour le système au R404A, nous avons supposé que la haute pression est fixée au minimum à 20 °C de condensation, pour 4.4. Rendement et coefficient de performance (COP) toutes les conditions ambiantes en-dessous de 10 °C. Par contre la haute pression du R744 est autorisée à être flottante jusqu'à Les données des compresseurs proviennent du logiciel de sélection une température bien inférieure. Le graphique ci-dessous illustre Copeland® Select version 7 et de logiciels ou catalogues d'autres l'évolution relative du COP en fonction de la température fabricants de compresseurs. Nous avons choisi des compresseurs extérieure. à pistons semi-hermétiques et scroll, utilisant la toute dernière Le système du cas 1 (référence) avec la technologie scroll indique technologie disponible. Le COP est défini comme COP du une amélioration du COP moyen MT d'environ 10% par rapport compresseur, c'est-à-dire comme le ratio entre la puissance aux compresseurs à pistons classiques. Pour le climat d'Europe du frigorifique et la puissance électrique publiées aux conditions de Nord, nous avons supposé que la solution au R744 peut atteindre condensation et d'évaporation spécifiées dans le tableau de la le même COP moyen qu'une solution classique utilisant un section 4.12. La technologie transcritique au CO2 en est encore à compresseur à pistons. Pour l'Europe du Sud, il est considéré que ses débuts en termes de développement, et bien que des données le système transcritique au CO2 fonctionne avec un COP moyen de compresseurs soient publiées, les méthodes d'application et 10% inférieur à celui d'un système MT aux HFC. R744 sub-critique R744 meilleur COP HFC HFC, contrôlé côté haute pression plus faible EN R744 R744 transcritique 0 10 20 Température de l'air extérieur (°C) 30 40 13 4.5. Climat La température de condensation moyenne des HFC de 25 °C utilisée Il s'agit de la période adoptée dans l'exemple présenté dans les pour les conditions d'Europe du Nord est basée sur une température directives TEWI de l'association de réfrigération et de l'institut de extérieure moyenne de 15 °C, avec une différence de température réfrigération britanniques. au condenseur de 10 K. Ceci avec une température de condensation contrôlée à 20 °C minimum, et donc en comptant à 10 °C toutes 4.9. Récupération en fin de vie les heures où la température extérieure est en fait inférieure à 10 °C. Il est supposé que 95 % de la charge de réfrigérant est récupérée L'examen des profils de température pour un certain nombre de après la période de 10 ans, et non rejetée dans l'environnement. villes d'Europe du Nord a révélé que, sur cette base, la température extérieure moyenne se situe entre 14 et 16 °C, donc 15°C est une bonne moyenne. Une analyse des tranches saisonnières sépare les températures extérieures annuelles en différents segments (bins). Les charges et les consommations énergétiques pour tous les segments sont additionnées. Le ratio de ces totaux est le COP saisonnier, qui s'est avéré presque identique à la valeur sélectionnée à 25 °C de condensation. Une ville typique d'Europe du sud a une température extérieure moyenne de 18 à 20 °C. Dans cette étude, une température de condensation moyenne de 30 °C a été prise pour l'Europe du Sud, 4.10. Charge en réfrigérant par kW de charge Pour un système à détente directe réparti, la charge est égale à 75 % de celle d'un système centralisé équivalent. Pour les systèmes en cascade, la charge à moyenne température en kg par kW de charge est la même que pour un système à détente directe centralisée. Les niveaux de charge secondaires en MT se basent sur ceux d'un refroidisseur fabriqué en usine. Charge en réfrigérant, kg/kW de charge Détente directe centralisée basse température 4 Détente directe basse température répartie 3 4.6. Supermarché modèle Détente directe centralisée moyenne température 2 Cette étude porte sur le système de réfrigération d'un supermarché Détente directe moyenne température répartie 1.5 européen typique. Nous avons supposé les charges continues Température moyenne secondaire , R410A 0.5 suivantes pour un supermarché de 1000 à 1200 m2 : Température moyenne secondaire , R290 0.75 Température moyenne secondaire , HFO 1 en utilisant la même approche que pour l'Europe du Nord. MT : 75 kW et BT : 18kW. 4.7. Facteur carbone Le facteur carbone est la quantité de dioxyde de carbone (CO2) 4.11. Taux de fuite en réfrigérant émise par kWh d'électricité produite. Il dépend de la proportion Un système à détente directe répartie a un taux de fuite inférieur d'électricité générée à partir de combustibles fossiles, du type de d'un tiers à celui d'un système centralisé, car il nécessite moins de combustibles fossiles et du rendement du carbone. tuyauteries et comprend généralement un petit système fabriqué Par exemple, quand l'énergie provient d'une source renouvelable en usine, utilisant des compresseurs scroll hermétiques. Avec ce comme l'énergie éolienne ou hydraulique, le facteur est faible. type de système à faible charge, une perte de réfrigérant peut Nous avons utilisé un facteur moyen de 0,4 kg de CO2/kWh pour rapidement être détectée et stoppée. Les taux de fuite pour les l'Europe. Cette donnée provient d'une étude de la Direction cas MT avec secondaire sont basés sur ceux d'un refroidisseur générale de l'énergie et des transports de la Commission fabriqué en usine. européenne (EU DG-TREN) intitulée : “European Energy and Transport Trends to 2030 (PRIMES), Bruxelles”. Taux de fuite en réfrigérant, % de charge par an Détente directe centralisée basse température 15 Détente directe basse température répartie 10 L'analyse TEWI est basée sur une durée de vie du système de 10 Détente directe centralisée moyenne température 15 ans. Les données représentent les émissions de CO2 et la Détente directe moyenne température répartie 10 consommation d'énergie électrique sur une période de 10 ans. Température moyenne secondaire 4.8. Durée de vie 14 5 Ces hypothèses sont basées sur des données actuelles publiées reflétant la situation actuelle. Cependant, plusieurs règlementations sont déjà en application pour réduire les fuites des installations de réfrigération, et donc réduire le TEWI (émissions directes). 4.12. Charges, conditions de fonctionnement et charges auxiliaires pour les calculs Basse température Détente directe centralisée et répartie Cascade Secondaire Charge (kW) 18 18 Température d'évaporation (°C) -35 Moyenne température Booster au R744 Détente directe centralisée et répartie Cascade 18 18 75 97 97 97 -32 -32 -32 -5 -10 -10 -5 25 ou 30 -5 -5 optimisé 25 ou 30 25 ou 30 25 ou 30 optimisé Surchauffe (K) 10 10 10 10 10 10 10 10 Sous-refroidissement (K) 0 0 0 0 0 0 0 optimisé 5 5 Type de système Température de condensation (°C) Différence de température pour l'échangeur de la cascade (K) Puissance du ventilateur du condenseur (kW) Ventilateurs de l'évaporateur , lampes, dégivrage (kW) R744 Secondaire Transcritique 1 0 0 0 3.5 4.5 4.5 4.5 4 4 4 4 10 10 10 10 Pompe (kW) 1 Notes: - Les données du R407A/F sont basées sur des points milieux qui qui permettent d'obtenir des températures d'évaporation et de condensation moyennées. Réfrigérant GWP R404A 3922 R407A 2107 intergouvernemental sur le changement climatique) : R407F 1824 « Changement climatique 2007 ». R410A 2088 R134a 1430 HFO 4 R290 3 R744 1 4.13. Valeurs de GWP Les valeurs de GWP utilisées dans cette étude proviennent du quatrième rapport d'évaluation de l'IPCC (Panel Nous avons négligé le carbone compris dans les matériaux utilisés pour fabriquer les locaux techniques, dans la production des principaux composants et du réfrigérant, ainsi que l'énergie utilisée pour la fabrication et la distribution. 15 4.14. Limites d'applicabilité L'étude fait référence à la technologie utilisée dans les supermarchés européens actuels (2010). Les constatations ne doivent pas être directement appliquées à d'autres types de systèmes de réfrigération ou de climatisation. Les installations varient considérablement en fonction d'un grand nombre de facteurs, notamment : • Préférences régionales : des technologies diverses sont utilisées selon les pays à travers l'Europe, en raison des différentes caractéristiques de la vente au détail, des conditions réglementaires et pour des raisons historiques. Les niveaux de compétence des techniciens de maintenance doivent également être pris en compte. • Climat : des conditions typiques pour l'Europe du Nord et du Sud ont été choisies, mais certains profils de températures annuelles européens comportent des différences. • Préférences domestiques et d'entreprise : même au sein d'un même pays, les chaînes de magasins de distribution peuvent avoir des préférences différentes pour les installations de réfrigération. Certaines préfèrent installer des systèmes de meilleure qualité mais de coût plus élevé. Certaines préférences peuvent aussi ne pas être basées sur le coût, mais sur d'autres facteurs tels que l'uniformité ou la facilité de maintenance. La technologie de réfrigération utilisée dans les supermarchés se développe rapidement, et il existe un intérêt considérable pour les systèmes de réfrigération et les réfrigérants alternatifs. Le but de cette étude est de souligner les différences dans les facteurs clés entre les systèmes utilisant les bonnes pratiques actuelles et les futurs systèmes alternatifs envisageables. 16 5 Configurations des cas 5.1. Introduction Les quatorze cas suivants ont été analysés. Les systèmes en cascade comprennent un circuit BT au R744, avec Le cas 1, qui sert de référence, dispose de la technologie la plus différentes alternatives de réfrigérant MT. Les systèmes secondaires, récente avec le scroll à injection de vapeur (EVI) à basse qui n'ont pas de réfrigérant MT en circulation dans le magasin, température et le scroll de type ZB à moyenne température. peuvent utiliser des fluides inflam-mables ou même du HFO, parce Tous les autres cas à détente directe utilisent différents types de que le réfrigérant reste à l'extérieur des zones publiques et est réfrigérants et de compresseurs. Les systèmes répartis intègrent confiné à proximité du groupe refroidis-seur. Un système au R744 généralement des compresseurs scroll, qui sont plus légers et plus complet est analysé dans le cas 14. compacts que les compresseurs semi-hermétiques. Deux options de réfrigérants ont été choisies pour les systèmes Les cas 12 et 13 peuvent être retenus comme des solutions futures répartis. Le fluide R134a réduit les avantages de la technologie du possibles, et ont donc été inclus pour montrer les implications système réparti, puisque environ 70 % de volume balayé environnementales et financières possibles. La disponibilité des supplémentaire est nécessaire, entraînant l'utilisation d'un produits pour ces cas doit être étudiée avant d'envisager un système équipement beaucoup plus volumineux, plus lourd et plus coûteux. avec ces réfrigérants. Le R134a n'est donc pas considéré comme une option pour les systèmes répartis. 5.2. Cas Cas Modèle Réfrigérant BT Réfrigérant MT Technologie BT Technologie MT 1 DX R404A R404A Scroll EVI Scroll 2 DX R404A R404A 3 DX R404A R134a Semi-hermetic à pistons Reed Semi-hermetic à pistons Discus Semi-hermetic à pistons Reed Semi-hermetic à pistons Discus 4 DX R407A/F* R407A/F* Scroll EVI Scroll 5 Détente directe répartie R404A R404A Scroll EVI Scroll 6 Détente directe répartie R407A/F* R407A/F* Scroll EVI Scroll 7 Cascade R744 R404A Scroll Scroll 8 Cascade R744 R407A/F* Scroll Scroll Semi-hermetic à pistons Discus 9 Cascade R744 R134a Semi-hermetic à pistons 10 Cascade R744 R134a Scroll Scroll 11 Secondaire R744 R410A Chiller Scroll Scroll 12 Secondaire R744 R290 Chiller Scroll Scroll 13 Secondaire R744 HFO Chiller Scroll Scroll R744 Semi-hermetic à pistons Semi-hermetic à pistons 14 Booster au R744 R744 * Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude. 17 Comparaison des cas et résultats 6.1. Consommation énergétique La consommation énergétique annuelle (incluant celle des de sélection Copeland® version 7, de logiciels d'autres fabricants compresseurs, des vitrines et des pompes du réfrigérant secondaire de compresseurs ou, pour les quelques cas où les données ne sont pour chacun des cas) est conforme aux définitions ci-dessus. pas disponibles, de données générales de rendement . La puissance consommée des compresseurs provient du logiciel Consommation énergétique, MWh/an, Europe du Nord Basse température Moyenne température 1. R404A Scroll (Base) 2. R404A Recip. détente directe 3. R404A/R134a Recip. 4. R407A/F* Scroll 5. R404A Scroll détente directe répartie 6. R407A/F* Scroll 7. R744/R404A Scroll 8. R744/R407A/F*Scroll Cascade 9. R744/R134a Recip. 10. R744/R134a Scroll Case 1. 11. R744/R410A Scroll 12. R744/R290 Scroll 13. R744/HFO Scroll Secondaire 14. R744/R744 Scroll/Recip. Booster 0 100 200 300 400 500 * Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude. Consommation énergétique, MWh/an, Europe du Sud Basse température Moyenne température 1. R404A Scroll (Base) 2. R404A Recip. détente directe 3. R404A/R134a Recip. 4. R407A/F* Scroll 5. R404A Scroll détente directe répartie 6. R407A/F* Scroll 7. R744/R404A Scroll 8. R744/R407A/F* Scroll Cascade 9. R744/R134a Recip. 10. R744/R134a Scroll 11. R744/R410A Scroll Case 1. 6 12. R744/R290 Scroll Secondaire 13. R744/HFO Scroll 14. R744/R744 Scroll/Recip. Booster 0 100 200 300 * Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude. 18 400 500 600 Observations 1. Les données proviennent de modèles de compresseurs représentatifs. Il existe un écart de COP entre les modèles, mais la tendance reste nette. un compresseur à pistons au R404A (cas 2) en Europe du Nord, on observe donc la même consommation énergétique. 12. En Europe du Sud, le booster au R744 nécessite 10 % d'énergie 2. Les cas 1 et 4 utilisent des systèmes à détente directe avec des en plus. La différence en besoin total en énergie est inférieure compresseurs scroll, et les cas 2 et 3 des systèmes équivalents à 10 %, car on suppose que les besoins des auxiliaires (vitrines, avec des compresseurs à pistons semi-hermétiques. ventilateurs, etc.) restent les mêmes. Dernier cri de la technologie, les compresseurs scroll EVI offrent le meilleur rendement, tout comme les compresseurs ZB 3. La consommation énergétique est généralement supérieure Conclusion principale pour la consommation énergétique : La meilleure option de remplacement de la technologie à détente pour les systèmes autres qu'à détente directe, en raison de la directe au R404A est le R407A/F. Pour les systèmes à détente barrière de transfert de chaleur additionnelle entre les circuits directe répartie et centralisée, la consommation énergétique totale BT et MT. est légèrement réduite par rapport à la référence au R404A. 4. L'utilisation du R407A/F avec un compresseur scroll (cas 4 et 6) offre la meilleure solution en termes de rendement Les systèmes en cascade R744/R407A/F représentent également une très bonne alternative. énergétique. 5. Un système en cascade avec un compresseur scroll au R744 et du R404A ou du R407A/F en MT (cas 7 et 8) présente une consommation énergétique légèrement supérieure, en raison d'une pression d'évaporation MT plus basse. 6. Un système en cascade avec un compresseur semi-hermétique à pistons utilisant le R744 en BT et le R134a en MT (cas 9) présente une nette augmentation des besoins en énergie. 7. Pour un même système utilisant la technologie scroll (cas 10), la consommation énergétique en BT est réduite , en raison du moindre besoin en puissance électrique du scroll au R744, ce qui rapproche la consommation énergétique totale de celle de la solution au R407A/F (cas 8). 8. Les cas 11 à 13 sont des systèmes secondaires avec diverses options de réfrigérants en MT. La solution scroll au R410A (cas 11) fournit la consommation énergétique totale la plus basse au sein de la gamme des systèmes secondaires. 9. Le R290 (cas 12) a un rendement légèrement inférieur à celui du R410A, donc la consommation énergétique est un peu plus élevée. 10. Une transition éventuelle vers le réfrigérant HFO pourrait être possible pour le refroidisseur MT (cas 13). Un rendement similaire à celui du R134a est attendu, mais la consommation énergétique est supérieure à celle du R410A, qui est optimale (cas 11). 11. Le système booster au CO2 transcritique (cas 14) a un COP moyen équivalent à celui d'un système à détente directe avec 19 6.2. Impact sur l'environnement / Empreinte carbone Les données des définitions ci-dessus fournissent les informations valeurs relatives sont importantes. Les valeurs de TEWI indiquées nécessaires pour calculer le TEWI pour chaque cas. dans cette étude ne peuvent pas être directement comparées à celles Le TEWI est un outil comparatif ; la précision des émissions de CO2 d'autres sources, études ou publications où des hypothèses différentes sur la durée de vie dépend de diverses hypothèses, c'est pourquoi les sont utilisées. Émissions de CO2 sur la durée de vie, en tonnes (TEWI), Europe du Nord MT Énergie BT Énergie MT fuite BT fuite 1. R404A Scroll (Base) 2. R404A Recip. Détente directe 3. R404A/R134a Recip. 4. R407A/F* Scroll 5. R404A Scroll Détente directe répartie 6. R407A/F* Scroll 7. R744/R404A Scroll 8. R744/R407A/F* Scroll Cascade 9. R744/R134a Recip. 10. R744/R134a Scroll Case 1. 11. R744/R410A Scroll 12. R744/R290 Scroll Secondaire 13. R744/HFO Scroll 14. R744/R744 Scroll/Recip. Booster 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 * Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude. Émissions de CO2 sur la durée de vie, en tonnes (TEWI), Europe du Sud MT Énergie BT Énergie MT fuite BT fuite 1. R404A Scroll (Base) 2. R404A Recip. Détente directe 3. R404A/R134a Recip. 4. R407A/F* Scroll 5. R404A Scroll Détente directe répartie 6. R407A/F* Scroll 7. R744/R404A Scroll 8. R744/R407A/F* Scroll Cascade 9. R744/R134a Recip. 10. R744/R134a Scroll Case 1. 11. R744/R410A Scroll 12. R744/R290 Scroll Secondaire 13. R744/HFO Scroll 14. R744/R744 Scroll/Recip. Booster 0 500 1000 1500 2000 * Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude. 20 2500 3000 3500 Observations 1. Le remplacement, dans les systèmes à détente directe, du fluide 10. Le scroll au R410A (cas 11) consomme moins de puissance R404A par du R134a (en MT uniquement) ou du R407A/F (cas électrique que le compresseur équivalent au R290 (cas 12) en 3 et 4 par rapport aux cas 1 et 2) offre une réduction significative Europe du Sud. De ce point de vue, le choix du R290 ne présente du TEWI. Le R407A/F est la meilleure option. aucun avantage. 2. Un système réparti avec du R404A (cas 5) offre une réduction 11. Pour les applications avec secondaire, le HFO est une alternative de TEWI similaire à celle du R407A/F dans un système à détente possible au R134a puisqu'il offre un rendement semblable. directe centralisée (cas 4). Il pourrait être utilisé pour résoudre les problèmes de fuites , 3. Un système réparti scroll au R407A/F (cas 6) offre une valeur mais l'impact est minime comparé au R410A concernant le de TEWI proche de celle de la solution booster au R744 (cas TEWI (cas 11) et le système de refroidissement serait largement 14). En Europe du Sud, les émissions de CO2 pour le cas 6 sont plus grand. aussi basses que celles du cas 14. 4. Les systèmes en cascade (cas 7 à 10) sont pénalisés par Conclusion principale sur le TEWI : d'importants taux de fuite sur le système à détente directe En Europe du Nord, l'option booster au R744 est une configuration centralisée MT qui gère également le rejet de chaleur BT. excellente pour le TEWI. Les systèmes secondaires avec du R744 Le résultat est une économie très faible si le R404A est utilisé et du R410A peuvent même offrir des valeurs de TEWI légèrement (cas 7). inférieures. 5. Pour un TEWI bas, il faut choisir un réfrigérant à faible GWP En Europe du Sud, tous les systèmes secondaires offriront de (donc pas le R404A) pour les systèmes en cascade. Avec le meilleures caractéristiques. Les systèmes à détente directe répartie R404A (cas 7), l'effet des émissions liées aux fuites domine. avec du R407A/F offrent une excellente alternative dans toutes Passer à un réfrigérant de plus faible GWP comme le R134a ou les régions. le R407A/F (cas 8, 9, 10) engendre des réductions de TEWI, et le GWP plus faible du R134a joue un rôle important pour assurer les valeurs du TEWI des meilleures cascades (cas 9 et 10). 6. Les systèmes secondaires (cas 11 à 13) donnent les meilleures valeurs de TEWI. Les émissions indirectes émanant de la puissance consommée sont similaires à celles des systèmes en cascade, mais les émissions directes sont faibles, même avec le R410A (cas 11). 7. Avec des précautions de sécurité appropriées, des réfrigérants inflammables peuvent être utilisés dans ces systèmes, mais pas dans les systèmes à détente directe ni les systèmes en cascade. Les systèmes avec des réfrigérants inflammables à faible GWP (cas 12 et 13) donnent une indication de la réduction de TEWI possible en utilisant cette approche. 8. Le système secondaire utilisant un refroidisseur scroll fabriqué en usine comportant une faible charge de R410A, en supposant un taux de fuite de 5 % (cas 11), offre une meilleure valeur de TEWI que le système booster au R744. 9. En Europe du Sud, tous les systèmes secondaires (cas 11 à 13), ainsi que le système à détente directe répartie au R407A/F (cas 6), offrent de meilleures valeurs de TEWI que le système booster au R744 (cas 14). 21 6.3. Coûts d'investissement 6.3.1. Structure des coûts d'investissement et pondération des composants du système Une structure simple pour les coûts d'investissement relatifs a été construite pour les équipements de réfrigération, les compresseurs, les condenseurs et l'installation a été construite sur la base suivante : Équipements de réfrigération 100 % Condenseurs 20% Centrales de compresseurs 40% Compresseurs 35% 22 Autres composants des centrales + assemblage 65 % Assemblage du système et mise en service 40% Installation 95% Réfrigérant 5% Les vitrines de réfrigération ne sont pas incluses. Dans ce cadre, en prenant comme référence un compresseur scroll au R404A dans des systèmes centralisés, les pondérations suivantes sont effectuées : Compresseurs Type Scroll Semi-hermetique à piston 0 20 40 60 80 100 120 Réfrigérant R404A, R407A/F, R410A, R290 R134a, HFO R744 0 20 40 60 80 100 120 140 160 20 40 60 80 100 120 140 160 Système Détente directe centralisée Détente directe répartie Cascade, Secondaire Booster au R744 0 Ces graphiques montrent les surcoûts applicables dans chaque Exemples: cas. Par exemple, concernant les compresseurs, nous avons un • Un compresseur à pistons semi-hermétique au R134a aura un surcoût de 20 % pour un compresseur à pistons semi-hermétique par rapport à un scroll avec le même réfrigérant. Il n'y a pas de surcoût pour la plupart des réfrigérants, bien qu'il y ait une pénalité surcoût de 20 % (type) plus 20 % (réfrigérant) résultant en un surcoût total de 40 % par rapport au Scroll de base au R404A. • Un système booster utilisant du R744 aura un surcoût de 20 % pour le R134a et le HFO (nécessité de 70 % de volume balayé en (type) plus 20 % (réfrigérant) plus 40 % (système), résultant en plus) et pour le R744 (technologie haute pression). un surcoût total de 80 %. L'hypothèse a été réalisée pour des Le type de système affecte également l'investissement pour le compresseurs au CO2transcritiques ayant un gros volume de compresseur. Une redondance de puissance frigorifique supérieure production. Les prix et les coûts actuels pourraient être est nécessaire pour les systèmes répartis, et les systèmes booster considérablement plus élevés. et en cascade requièrent un plus grand volume balayé puisque la vapeur est comprimée deux fois. 23 Autres composants des centrales Type Scroll Semi-hermetique à piston 0 20 40 60 80 100 120 Réfrigérant R404A, R407A/F, R410A, R290 R134a, HFO R744 0 20 40 60 80 100 120 140 Système Détente directe centralisée Détente directe répartie Cascade, Secondaire Booster au R744 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Le débit volumique supplémentaire du R134a et du HFO engendre moins d'assemblage sur site, ce qui se reflète ci-dessous. Les un coût additionnel de 20 %. Un surcoût de 20 % est également systèmes en cascade et booster ont des circuits, des régulateurs appliqué aux composants pour le R744. Les systèmes à détente et des échangeurs de chaleur supplémentaires. directe répartie impliquent plus de coûts pour la centrale, mais 24 Installation Détente directe centralisée Détente directe répartie Cascade, Secondaire, Booster 0 20 40 60 80 100 120 140 0 20 40 60 80 100 120 140 Condenseur Refroidisseur de gaz au R744 Tous, excepté le refroidisseur de gaz au R744 Un surcoût de 30 % a été inclus pour le refroidisseur de gaz au R744, le réservoir/séparateur et les régulateurs additionnels. Réfrigérant Coût relatif, R404A = 100 R404A R407A/F R134a R410A R290 R744 HFO 0 20 40 60 80 100 120 140 1300 L'élément réfrigérant représente seulement 5 % du coût total de au R134a a été appliqué en absence d'informations spécifiques des l'installation. Les pondérations ont donc peu d'importance, sauf fabricants de réfrigérants. De plus, le R407A et le R407F ont un pour le HFO où un coût très élevé est impliqué. Le coût du HFO coût comparable. restant très incertain, un coefficient multiplicateur de 10 par rapport 25 6.3.2. Comparaison des coûts d'investissement Les données des définitions ci-dessus fournissent les informations où, là encore, la détente directe avec un scroll au R404A est utilisée nécessaires pour calculer le coût d'investissement total pour les comme référence (100) et indique la part des principaux coûts différents cas. Le graphique ci-dessous est un outil de comparaison dans le total. Comparaison des coûts d'investissement Compresseurs Autres composants Installation Condenseur Réfrigérant 1. R404A Scroll (Base) 2. R404A Recip. détente directe 3. R404A/R134a Recip. 4. R407A/F* Scroll 5. R404A Scroll détente directe répartie 6. R407A/F* Scroll Case 1. 7. R744/R404A Scroll 8. R744/R407A/F* Scroll 9. R744/R134a Recip. Cascade 10. R744/R134a Scroll 11. R744/R410A Scroll 12. R744/R290 Scroll Secondaire 13. R744/HFO Scroll 14. R744/R744 Scroll/Recip. Booster 0 20 40 60 80 100 120 140 160 * Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude. Observations • Les systèmes répartis ont le coût le plus faible, mais peuvent uniquement être appliqués dans une architecture/structure de bâtiment appropriée. • Le passage d'un système à détente directe à un système en cascade, avec secondaire ou au R744 impliquera des coûts supplémentaires. 26 • L'utilisation de la technologie Scroll dans des systèmes en cascade ou avec secondaire offre la meilleure alternative. • Le coût du réfrigérant joue un rôle mineur, sauf dans le cas du HFO. • Les systèmes booster au R744 éliminant les HFC et les réfrigérants inflammables demanderont le plus gros investissement. 7 Constatations et discussions 7.1. Constatations Les systèmes indirects à détente directe Les tableaux et les graphiques indiquent clairement la • Les systèmes à détente directe répartie peuvent avoir des consommation énergétique, l'impact sur l'environnement et les émissions directes inférieures, grâce à la charge réduite et aux implications des coûts d'investissement de différents systèmes de taux de fuite faibles des unités fabriquées en usine. supermarché. Les valeurs pour ces critères clés découlent directement des hypothèses considérées et des données des compresseurs. Les résultats ne sont pas basés sur des opinions ni • Les compresseurs scroll avec des connexions brasées contribuent à ces taux de fuite faibles. • Normalement, les compresseurs scroll sont utilisés dans ce type sur le besoin d'être perçus comme « écologistes », mais sur des pour lesquelles un montage en toiture est possible. L'effet sur le données quantifiées. Nous pouvons tirer un certain nombre de TEWI peut être observé en comparant le cas 5 au cas 1. constatations : La consommation énergétique obtenue est égale à celle du cas de base 1 bien que, en pratique, des économies devraient être Pour les systèmes à détente directe : possibles grâce à des tuyaux plus courts et de plus faible diamètre • Le cas de référence 1 est un système à détente directe simple (ce qui devrait réduire les pertes de charge et les pertes en basé sur les meilleurs compresseurs, les scroll EVI et les ZB. Les compresseurs de technologie haut de gamme offrent la consommation énergétique la plus faible à un prix compétitif. température). • Le cas 6 montre les avantages de l'utilisation du R407A/F dans cette configuration. L'impact sur l'environnement de tels systèmes peut être considérablement réduit en passant au fluide R407A/F. • Les solutions utilisant des compresseurs semi-hermétiques pour Pour les systèmes en cascade : • Un système en cascade permet d'utiliser le R744 d'être appliqué le même système montrent une consommation énergétique dans le circuit BT en utilisant la technologie de compression de environ10 % supérieure, donc un TEWI plus élevé. vapeur traditionnelle. Dans le cas 7, le R404A est utilisé dans un Les publications sur le rendement du R744 dans des systèmes système à détente directe en MT. La charge totale sur le système de supermarché font généralement la comparaison avec le MT inclut le rejet de chaleur BT. Il en résulte un système à détente rendement d'un système à détente directe utilisant un directe plus grand, avec une charge proportionnellement plus compresseur semi-hermétique au R404A , correspondant au importante et des effets de fuite plus marqués. cas 2 de notre étude. • Les valeurs de TEWI peuvent être améliorées en remplaçant le R404A par le R134a pour la moyenne température. En effet, on note une réduction substantielle de l'effet des fuites en raison • Le passage au R134a pour la MT améliore considérablement le TEWI pour le système en cascade, mais génère un impact important sur le coût. • Un système en cascade avec du R407A/F en MT (cas 8) améliore d'un GWP plus faible et de pressions moindres. Cependant, il y la consommation énergétique, mais le TEWI est plus élevé a un impact sur le coût en raison d'un volume balayé d'environ 4 % que pour l'alternative au R134a (en raison d'un supplémentaire de 70 %. De plus, le R134a est inapproprié pour GWP plus élevé). Cependant, le coût est largement réduit. les systèmes BT. • Une alternative au R134a dans les systèmes MT est le R407A/F, qui permet la conception d'un système compact, de manière Pour les systèmes secondaires : • Un système secondaire élimine virtuellement l'effet des émissions similaire au R404A. Le rendement avec un scroll MT au R407A/F directes. Un refroidisseur au R410A peut être utilisé pour la MT est légèrement supérieur à celui du R404A ce qui, combiné à la et la BT en cascade, et le taux de fuite du groupe fabriqué en technologie d'injection de vapeur en BT, offre une meilleure consommation énergétique totale inférieure et un TEWI plus usine est faible. • En utilisant du R290 ou du HFO pour le refroidisseur, même cette faible par rapport à la solution à détente directe au R134a. faible émission directe peut être éliminée, mais avec une pénalité Le R407A/F dans un système à détente directe centralisée de coût associée à des précautions de sécurité supplémentaires. (cas 4) est la solution la plus rentable alors qu'un système à détente directe répartie est peu pratique. 27 Pour les systèmes booster au R744 : En examinant les systèmes au R744, nous pouvons faire un Passer à un système booster au R744 entraînerait à l'heure actuelle certain nombre d'observations. Il est nécessaire de tirer parti des un changement d'architecture drastique pour le supermarché. avantages suivants pour que le système atteigne les performances Cette solution risque donc de rester limitée aux nouvelles indiquées dans les graphiques de comparaison : constructions, alors que la plupart des chantiers de rénovation • Meilleur transfert de chaleur : le R744 possède des propriétés resteraient basés sur les HFC. de transfert de chaleur particulièrement bonnes, ce qui autorise Sans des alternatives plus simples et moins onéreuses, les objectifs des différences de température moindres au sein des échangeurs de réduction de carbone pour 2020 seront difficile à atteindre. thermiques, améliorant ainsi le rendement du système. • Effet de refroidissement élevé : le volume de R744 requis pour obtenir le même effet de refroidissement est très inférieur à celui des HFC. Ceci permet à un grand nombre de composants (comme les compresseurs et les tuyauteries) d'être plus petits que dans les installations classiques. Cependant, il faut également prendre en compte : • La haute pression : les circuits de réfrigération au CO2 transcritique fonctionnent à des pressions bien plus élevées (jusqu'à 110 bars) que les systèmes au R404A classiques (jusqu'à 25 bars). Ceci requiert l'utilisation de composants et de techniques d'assemblage peu communs dans le secteur de la réfrigération pour les supermarchés. • La maintenance : le fonctionnement en mode transcritique requiert une conception différente par rapport aux systèmes HFC classiques, conception qui est peu connue de la plupart des techniciens de maintenance en réfrigération pour les supermarchés. • Coût élevé : le R744 n'est pas largement utilisé dans les systèmes de réfrigération. Ceci limite le choix des composants pour les concepteurs, ce qui entraîne une tendance à l'augmentation des coûts. Les pressions élevées nécessitent également des matériaux et des conceptions plus contraignants et, par conséquent, d'un coût plus élevé. • Les performances faibles en conditions ambiantes élevées : en mode transcritique, les COP sont alors plus faibles que pour les systèmes à compression de vapeur classiques. En Europe du Sud, ceci pénalise le R744. 28 7.2. Addition des trois critères Ceci est une addition simple des valeurs relatives des trois paramètres : la consommation énergétique, l'impact sur l'environnement (TEWI) et le coût d'investissement. Tous les chiffres sont exprimés en pourcentages par rapport au cas de base utilisant un Scroll au R404A (cas 1). Cas 1 2 3 4 6 7 8 Détente directe répartie Détente directe Système 5 9 10 11 Cascade 12 13 Secondaire 14 Booster Réfrigérant Moyenne température R404A R404A R134a R407A/F* R404A R407A/F* R404A R407A/F* R134a R134a R410A chiller R290 chiller HFO chiller R744 Réfrigérant Basse température R404A R404A R404A R407A/F* R404A R407A/F* Technologie du compr. Moyenne et Basse Temp. Scroll Résultat normalisé À pistons À pistons R744 R744 R744 R744 R744 R744 R744 R744 Scroll Scroll Scroll Scroll Scroll À pistons Scroll Scroll Scroll Scroll Scroll/ À pistons Puissance Base 12% 5% -3% 0% -3% 7% 4% 12% 9% 7% 9% 12% 12% TEWI Base 6% -18% -24% -24% -36% -2% -23% -27% -28% -42% -43% -41% -42% Coût d'investissement Base 3% 11% 0% -14% -13% 13% 13% 25% 21% 17% 18% 32% 48% * Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude. Meilleur choix Deuxième meilleur choix Troisième meilleur choix Les résultats peuvent également être comparés dans le graphique ci-dessous. Comparaison globale Puissance TEWI Coût d'investissement 1. R404A Scroll (Base) 2. R404A À pistons Détente directe 3. R404A/R134a À pistons 4. R407A Scroll 5. R404A/F* Scroll Détente directe répartie 6. R404A/F* Scroll 7. R744/R404A Scroll 8. R744/R404A/F* Scroll Cascade 9. R744/R134a À pistons 10. R744/R134a Scroll 11. R744/R410A Scroll 12. R744/R290 Scroll Secondaire 13. R744/HFO Scroll 14. R744/R744 Scroll/À pist. Booster 0 20 40 60 80 100 120 * Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude. 29 En supposant une importance égale pour ces 3 paramètres, une moyenne a été calculée pour classer ces différentes combinaisons réfrigérant/technologie. Cas 1 Système 2 3 4 5 6 7 8 Détente directe répartie Détente directe 9 10 11 Cascade 12 13 14 Booster Secondaire Réfrigérant Moyenne température R404A R404A R134a R407A/F* R404A R407A/F* R404A R407A/F* R134a R134a R410A chiller R290 chiller HFO chiller R744 Réfrigérant Basse température R404A R404A R404A R407A/F* R404A R407A/F* Technologie du compr. Moyenne et Basse Temp. Scroll Moyenne Classement À pistons À pistons R744 R744 R744 R744 R744 R744 R744 R744 Scroll Scroll Scroll Scroll Scroll À pistons Scroll Scroll Scroll Scroll Scroll/ À pistons 100 7% 0% -9% -12% -17% 6% -2% 3% 1% -6% -5% 1% 6% 7 14 8 3 2 1 12 6 11 9 4 5 10 13 * Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude. Nous constatons que le système réparti utilisant un scroll au R407A/F Nous savons qu'un système réel ne correspondra précisément à aucun est le meilleur choix (1re place) en combinant les trois critères. des cas exposés dans cette étude mais cette analyse fournit des conseils Les systèmes à détente directe R404A se placent en 2e position (cas 5). utiles pour réaliser des comparaisons. Cependant, lorsque l'installation d'un système réparti est impossible, Il n'existe aucune solution universelle offrant un système de réfrigération l'utilisateur peut se diriger vers un système à détente directe au R407A/F de faible coût et sans émission de CO2. Cependant, cette étude devrait avec un local technique séparé (cas 4, 3e place). Pour un client offrir des indicateurs utiles permettant d'évaluer les valeurs relatives recherchant le TEWI le plus faible tout en gardant un coût des différents arguments formulés par les partisans de tel ou tel système. d'investissement raisonnable, les systèmes secondaires (cas 11 et 12) sont d'excellentes options (4e et 5e places). En réalité, la pondération de ces facteurs par l'utilisateur final influencera sensiblement la comparaison. Chaque client devra prendre une décision en mettant l'accent sur les critères les plus importants pour ses activités. Tandis qu'un client privilégiera un faible coût d'investissement, un autre pourra préférer un faible impact sur l'environnement ou une faible consommation énergétique. Emerson Climate Technologies offre une large gamme de choix technologiques répondant à tous ces cas. Le Scroll domine les solutions haut de gamme et est surtout adapté aux systèmes à détente directe répartie et aux systèmes secondaires, où sa compacité est un atout, en utilisant la meilleure technologie au R410A disponible. 30 8 Conclusion générale Aucune technologie ne peut être idéale sur tous les plans. La détente directe permet d'avoir la meilleure efficacité énergétique, et de minimiser les coûts d'investissement. Pour optimiser les émissions de CO2 ou le TEWI, les systèmes transcritiques au CO2 peuvent apparaître comme la meilleure solution, s'ils sont appliqués de telle façon que la consommation énergétique annuelle est équivalente à celle d'un système à détente directe utilisant des compresseurs à pistons. Ceci est l'objectif habituel des concepteurs pour ce type de systèmes, mais risque d'être difficile à atteindre pour les climats d'Europe du Sud. Pour l'avenir, l'utilisation généralisée de systèmes transcritiques au CO2 restera liée au coût d'investissement et à son temps d'amortissement. Les systèmes secondaires pourraient apparaître comme une bonne alternative. Actuellement, l'utilisation du R407A/F (ou d'un autre réfrigérant de la série R407) semble être un très bon compromis, si les fuites peuvent être maintenues dans les limites demandées, vu que les émissions directes admissibles dépendent des valeurs du GWP. Un bon contrôle du taux de fuite accentuera l'avantage de l'utilisation du R407A/F. Les évolutions technologiques sont notamment guidées par la législation et le besoin d'être « perçu comme sensible à la protection de l'environnement ». Des mesures à court terme telle une législation simpliste peuvent aller à l'encontre de l'objectif global de réduction des émissions, particulièrement si l'engagement de l'industrie est insuffisant. Chacune des alternatives aux systèmes centralisés au R404A verra une technologie et un service poussés aux limites pour la réduction des fuites, l'intégration énergétique des bâtiments et la récupération d'énergie. Un contrôle efficace est indispensable pour s'assurer que les performances énergétiques attendues sont atteintes et constantes dans le temps. 31 Présentation d’Emerson Climate Technologies Emerson Climate Technologies est le premier fournisseur mondial de distribution afin d'offrir à rendement énergétique élevé, des de solutions de chauffage, ventilation, conditionnement d’air et solutions aux systèmes d'air conditionné, de chauffage et de réfrigération pour les applications résidentielles, industrielles et réfrigération , destinées à améliorer le confort, garantir la sécurité commerciales. Le groupe allie une technologie de première classe des denrées alimentaires et protéger l’environnement. TGE124/0911/F à des services éprouvés en matière d’ingénierie, de conception et Pour plus d'informations, visitez : www.emersonclimate.eu Emerson Climate Technologies - France - 8, Allée du Moulin Berger 69134 Ecully Cédex, France Tel. +33 4 78 66 85 70 - Fax +33 4 78 66 85 71 - Internet: www.emersonclimate.eu The Emerson Climate Technologies logo is a trademark and service mark of Emerson Electric Co. Emerson Climate Technologies Inc. is a subsidiary of Emerson Electric Co. Copeland is a registered trademark and Copeland Scroll is a trademark of Emerson Climate Technologies Inc.. All other trademarks are property of their respective owners. Information contained in this brochure is subject to change without notification. © 2011 Emerson Climate Technologies, Inc.