PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE LA PATINOIRE PAILLERON

PRINCIPE DE
FONCTIONNEMENT
DE LA PATINOIRE
PAILLERON
Introduction
Les premières patinoires artificielles datent de la fin du 19° siècle. La première piste artificielle
(composée d’un mélange de produits chimiques malodorants) remonte à 1842 et fut construite par
l'anglais Henry Kirk. Cette tentative poussa les chercheurs à l’action. C’est ce que réussit à faire le
professeur John Gamgee avec l’ouverture de la première patinoire artificielle à Chelsea.
Nous avons étudié le système de fonctionnement de la patinoire Pailleron à Paris dans le 19e.
Cette patinoire appartient à un complexe sportif municipal géré par une société privée (UCPA) (Union
nationale des Centres sportifs Plein Air).
Tout d’abord, nous présenterons la structure d’une patinoire intérieure avec les caractéristiques de
celle du Pailleron ; puis nous préciserons son fonctionnement. Enfin, nous expliquerons son entretien
quotidien.
I °) Structure de la patinoire
Cette petite patinoire couverte de 800m2 (20m x 40m) n’est pas adaptée aux compétions qui
nécessitent une surface de 1800m2 (30m x 60m).
Sous la glace (composée uniquement d’eau de la ville), on trouve respectivement : une dalle froide,
une couche d’isolant solide et directement sur le sol une dalle chaude.
Figure 1 : Structure d’une patinoire intérieure
Pour former la couche de glace on dépose de l’eau directement sur la dalle de béton froide.
L’épaisseur de la glace est de 4 cm pour éviter d’abîmer cette dalle sous-jacente et pour que la
surface reste à l’état solide. Des relevés sont effectués afin de contrôler son épaisseur. Un travail de
lissage de la glace est important pour que l’épaisseur soit égale sur toute la surface. La température
de la dalle froide est de -6°C et peut-être modulée en fonction de la dureté souhaitée de la
glace (selon le sport pratiqué).La dalle chaude à 10°C empêche que le sol gèle et que l’ensemble se
fissure.
Il y a un traitement de l’air dans l’enceinte de la patinoire. En effet, de l’air extérieur est aspiré puis
réchauffé afin d’en évaporer l’eau . Cet air asséché est ensuite rejeté à l’intérieur, à une température
de 10°C.
Serpentins où circulent eau + glycol -6°C
Dalle de béton chaude 10°C
Dalle de béton froide -6°C
Surface de glace (800m2)
Isolant
Terre
4 cm
I I°) Fonctionnement de la patinoire
1. Circuit frigorifique
Le froid est fabriqué au niveau du circuit frigorifique. Le fluide frigorifique utilisé est le fréon R-22
(HCFCl) qui a un meilleur coefficient de performance par rapport aux autres liquides frigorigènes. Il
va refroidir l'eau glycolée qui circule dans la dalle froide à environ -6°C : il s'agit donc d'un système
indirect. On utilise de l'eau glycolée, car le glycol permet d'abaisser le point de congélation de l'eau à
-20°C.
L'eau fonctionne en circuit fermé : elle passe dans les serpentins de la dalle froide où elle se
réchauffe (environ de -6,9 à -6,4°C), puis elle est refroidie par le groupe frigorifique en passant par un
échangeur à plaqueévaporateur, avant de repartir dans la dalle froide. En parallèle le fréon évolue
également dans un circuit fermé.
Un schéma de fonctionnement de la pompe frigorifique est présenté en Annexe 1.
Nous refroidissons donc l'eau glycolée dans l'échangeur-évaporateur. L'eau traverse l'échangeur
propulsée par une pompe et le fluide frigorigène lui prend de l'énergie afin de s'évaporer: l'eau
ressort donc plus froide.
Le fréon vapeur chargé de l'énergie récupérée à l'eau sort donc de l'évaporateur et est aspiré par le
compresseur puis comprimé : il ressort donc à haute pression et réchauffé. Le circuit que nous avons
visité utilise trois compresseurs en dérivation, ce qui permet de travailler avec un débit plus
important à la fois pour le liquide frigorigène et pour l'eau glycolée.
Il se dirige ensuite vers l'échangeur-condenseur, où il échange l'énergie prise à l'évaporateur avec
l'eau de la piscine qu'il préchauffe. Dans le cas où l'eau de la piscine n'a pas besoin d'être
préchauffée, on dissipe la chaleur avec des ventilateurs. Au fil de son passage, le fréon se condense
afin de ressortir en phase liquide haute pression.
Puis il passe dans le détendeur, où il est détendu. De nouveau il est prêt à s'évaporer. Le cycle peut
alors recommencer.
La consigne de température de l'eau glycolée est de -6°C ; un système de régulation informatisé veille
au respect de la consigne grâce à une sonde thermométrique plongée dans la dalle froide. Cette
régulation informatique de la température se fait grâce à un automate qui agit sur le débit du fréon.
Toutefois il autorise des variations de température entre -5°C et -7°C. Cependant, pendant la nuit, la
température de la dalle est remontée à -4°C pour des économies d'énergie.
La température du fréon à l'état gazeux à la sortie de l'évaporateur est T0=-7,1°C, celle du fréon
liquide à la sortie du compresseur est de T'1=-6,4°C et celle à la sortie du condenseur est T1=32,3°C.
Les données énergétiques ne nous ont pas été fournies car la patinoire fait partie d'un complexe
sportif et les installations ne sont pas indépendantes.
Figure 2 : Diagramme de Mollier du fréon R22
Surchauffe
Sous refroidissement
La surchauffe permet de vaporiser tout le liquide pour qu'il n'y en ait pas dans le compresseur. Le
sousrefroidissement
permet de condenser la totalité du gaz afin de ne pas abîmer le détendeur. La surchauffe et le
sousrefroidissement augmentent le rendement.
2. Traitement de l'air
Pour éviter les pertes d'énergies, la patinoire possède un système de traitement de l'air permettant
une déshumidification ainsi que le maintien d'une température voisine de 10°C. Les sources
d'humidité peuvent être internes : patineurs, spectateurs, eau de surfaçage, ou externes : infiltration,
régénération d'air.
L'humidité va se condenser sur la glace et entraîner des pertes d'énergie. Par exemple, un kilo de
vapeur d'eau qui se condense sur la glace équivaut à : une augmentation des besoins de production
pour la glace de 880 W/h, une dégradation de la qualité de la glace, une augmentation du nombre de
surfaçages.
Pour déshumidifier l'air, on absorbe de l'air de l'extérieur (air neuf) et de l'air de la patinoire, que l'on
refroidit au contact d'un condenseur (plus froid). La vapeur d'eau contenue dans l'air se condense et
on récupère les gouttelettes dans un réservoir. L'air sec est ensuite soufflé (air rejeté) dans la
patinoire. Le débit d'air est d'environ 20 000 m3/h.
L'air neuf a une concentration en vapeur d'eau de 11,9g/Kgas (AS : air sec) et il est rejeté à une
concentration de 5g/Kgas.
I II°) Entretien et maintenance de la patinoire
Le système froid de la patinoire est vérifié deux fois par an par une société privée extérieure, pour
détecter d’éventuels problèmes de surpression ou au contraire de sous pression, problèmes qui
conduiraient à un refroidissement trop poussé ou insuffisant de la glace.
Mais quotidiennement l’entretien est réalisé par des surfaceurs, employés de la patinoire, qui relève,
régulièrement au cours de la journée, la hauteur de glace en différents points de la patinoire. En
effet, la glace à la surface s’abîme sous les nombreux coups de patin et de la neige apparaît tandis
que la couche de glace s’amincit, le plus souvent inégalement et en périphérie. Afin de corriger cela
et de retrouver une surface de glace, lisse et homogène, un employé passe une surfaceuse. Cette
machine motorisée est constituée d’un réservoir de 800L d’eau de la ville, puisée directement dans le
ballon d’eau chaude situé dans la salle des machines, d’un rabot et d’une serpillère.
Tout au long de sa progression, on a d’abord le rabot qui ôte la glace pour la stocker dans le capot de
la machine. La patinoire est aussi aspergée d’eau chaude (60°C), puis cette eau est répartie par la
serpillère de la machine. Il est donc nécessaire de progresser à faible vitesse afin de ne pas faire de
vague, le laps de temps garanti par la chaleur de l’eau est en effet quasi insignifiant car même
chaude, l’eau au contact de la dalle froide gèle très vite.
D’autre part, il faut également maintenir une vitesse constante afin d’obtenir un résultat homogène.
La neige amassée dans le capot est ensuite déversée dans la fosse située en salle des machines, où
grâce à des radiateurs elle sera remise à l’état liquide puis réutilisée ; ainsi les pertes d’eau sont très
faibles. Au niveau des bilans, on a autant d’eau sous forme de neige ramassée que d’eau liquide
aspergée par la surfaceuse, cette quantité d’eau s’élevant à 400L par passage de la surfaceuse, soit
0,5L/m². Et chaque passage de la surfaceuse se fait en dix minutes.
Figure 3 : Schéma d’une surfaceuse
Le travail de surfaçage est donc un travail délicat mais nécessaire, qui demande de l’entraînement et
de la dextérité.
Conclusion
Les avantages et intérêts écologiques de la patinoire sont les suivants :
- récupération de la chaleur pour le préchauffage de la piscine
- récupération de la neige après le surfaçage
- économies d'énergie pendant la nuit
Les inconvénients sont :
- fermeture en été à cause des coûts énergétiques et économiques
- le fréon R22 est très polluant car il détruit la couche d'ozone
- difficultés d'utilisation de la surfaceuse
La glace est entretenue par un cycle frigorifique qui refroidit de l'eau glycolée. Celle-ci maintient la
glace à une température négative au niveau d'une dalle de béton froide. L'entretien de la glace se fait
par une surfaceuse plusieurs fois par jour en fonction de l'utilisation de la patinoire.
Le couplage patinoire/piscine permet un rendement énergétique et économique maximal grâce à de
judicieux échanges thermiques.
Afin de récapituler plus clairement les différentes particularités du fonctionnement de cette
patinoire, nous vous fournissons en Annexe 2 : Le cahier des charges.
Actuellement de nouveaux systèmes de patinoire sont mis en oeuvre afin de remplacer les fluides
frigorigènes polluants.
Réservoir 400L
utilisés sur 800L
Capot
Place du conducteur
Jets d'eau chaude à 60°C et
serpillière pour l'étaler
Rabot
Annexe 2 : Cahier des charges
1. L a glace
La température de la glace doit être maintenue par une consigne à la température de -6°C grâce à
l'eau glycolée qui coule dans la dalle froide.
L'épaisseur de la glace est de 4 cm. La surface doit être lisse, sans dents pour permettre une glisse
optimale. Le renouvellement de la glace est assuré par la surfaceuse qui rajoute de l'épaisseur à
l'aide d'eau à 60°C et lisse la surface.
La dureté de la glace peut être changée en fonction de l'activité pratiquée par action sur la
température de la dalle froide.
2. L e fluide frigorigène
Le fluide frigorigène utilisé dans la machine frigorifique est le fréon R22 (CHClF). Il permet de refroidir
l'eau glycolée coulant dans la dalle froide grâce à deux changements d'état dans le cycle frigorifique.
Une modification du débit du fluide frigorigène modifie directement la température de l'eau glycolée
coulant dans la dalle froide et donc celle de la glace.
Au niveau de l'évaporateur:
ṁeau glycolée : débit massique d'eau glycolée (constant)
ṁfreon : débit massique de fréon (que l'on peut modifier)
Cpeau glycolée =3,70 kJ.kg-1.K-1
Cpfreon =0,057 kJ.kg-1.K-1
3. C ontrôle de l'air
L'air à l'intérieur de la patinoire doit être maintenu à une température inférieure à 12°C et à un taux
d'humidité faible (autour de 5g/kg AS) afin d'éviter la condensation sur la glace qui entraine des
pertes d'énergie.
4. F onctionnement
La patinoire fonctionne toute l'année sauf les mois de Juillet et Août car la faible fréquentation ne
permet pas un fonctionnement rentable : trop peu d'utilisateurs par rapport à l'énergie nécessaire.
ṁeau glycolée x Cpeau glycolée x dT = ṁfreon x Cpfreon x dT