Refroidissement - 7 février 2012

CHAPITRE 7
7.1.
REFROIDISSEMENT
Cycles frigorifiques de base
°
cycle frigorifique à compression
° cycle à compression de vapeur
° cycle à compression de gaz
°
cycle frigorifique à absorption
°
cycle frigorifique thermoélectrique
Le coefficient de performance (COP) d’un cycle frigorifique est le rapport de l'effet frigorifique (en
kW) au travail fourni au compresseur (en kW).
COPHP =
COPR =
MEC-733
qH h2−h3
=
wnet.in h2−h1
qL h1−h4
=
wnet.in h2−h1
7-1
7.1.1. Cycle réel de refrigération
7.1.2. Utilisation d’un refroidisseur en mode de chauffage et de refroidissement
MEC-733
7-2
7.2.
Autres notions et unités utilisées dans le domaine
EER
Energy Efficiency Ratio
Aux États Unies on utilise le coefficient de performance (EER) qui est définie comme le COP
sauf que l’effet frigorifique est exprimé en Btu/hre et le travail du compresseu en kW. Par
conséquemce:
EER = 3.413 * COP
SEER
Seasonal Energy Efficiency Ratio
Coefficient de performance saisonnier (SEER) qui tient compte de la variation de l’EER durant
la période de refroidissement. Il s’agit donc d’un EER moyen de la machine qui fonctionne en
dehors des conditions de design.
TONNE DE REFRIGERATION
La capacité frigorifique d’une machine qui est capable de congeler (2000 lb) à (32 oF) pendant
24 heures.
1 tonne de réfrigération = 12 000 Btu/hre = 3.717 kW
7.3. L’impact des températures d’opération de la machine sur la capacité
frigorifique
Pour évaluer la machine frigorifique il faut connaître les conditions dans lesquelles le COP ou
EER ont été déterminé. L’efficacité d’une machine frigorifique dépend, entre autres, de la
température de l’eau glacée (l’eau à la sortie de l’évaporateur) et de l’eau à la sortie ou à l’entrée
du condenseur. L’ARI (Air-Conditionning and Refrigerating Institute) détermine les conditions
dans lesquelles les tests doivent être réalisés. Dans les catalogues on mentionne la capacité dans
les conditions de l’ARI. Par exemple, la capacité frigorifique d’une pompe à chaleur eau – air
présentée sur la feuille extraite d’un catalogue a été déterminée pour la température de l’eau à
l’entrée de l’évaporateur de 85 oF et pour la température humide de l’air à l’entrée du condenseur
de 67 oF. Pour le mode de chauffage la température de l’eau à l’entrée de l’évaporateur est de 70
o
F et la température sèche de l’air à l’entrée du condenseur est aussi de 70 oF. La variation de
capacité frigorifique et de chauffage de cette pompe à chaleur est présentée dans les tables sur la
feuille ci-dessus.
Les conditions de l’ARI pour les refroidisseurs avec les compresseurs centrifuges sont les
suivantes :
À pleine charge
Evaporateur
°
°
°
température de l’eau à la sortie
débit d’eau
il en résulte la température de l’eau à l’entrée
MEC-733
44 oF (6.7 oC)
2.4 gpm/tonne (0.043 L/s/kW
54 oF (12.2 oC)
7-3
Condenseur refroidi à l’eau
°
°
°
température de l’eau à l’entrée
débit d’eau
il en résulte la température de l’eau à la sortie
85 oF (29.4 oC)
3 gpm/tonne (0.054 L/s/kW)
95 oF (35 oC)
Condenseur refroidi à l’air
°
°
température de l’air à l’entrée
pression barométrique
95 oF (35 oC)
101 kPa
Paramètres de l’échangeur de chaleur
°
°
Facteur d’encrassement (côté l’eau)
0.00025 h pi2 oF/Btu (0.044 m2 oC/kW)
Facteur d’encrassement (côté air ou réfrigérant)
0.0
Charge partielle
Les conditions sont les même que pour la pleine charge sauf la température de l’eau à l’entrée du
condenseur refroidi à l’eau qui varie linéairement de 85 oF (29.4 oC) à pleine charge jusqu’à 60
o
F (15.6 oC) à la charge zéro.
Pour les condenseurs refroidis à l’air la variation ci-dessus est de 95 oF (35 oC) à pleine charge
jusqu’à 55 oF (12.8 oC) à la charge zéro.
Les normes ARI comportent aussi la méthode d’établissement du facteur ILPV (integrated partload value) relatif à la consommation d’énergie déterminée pour les variations de la charge et des
conditions climatiques typiques pour une année complète d’opération.
La variation de la puissance frigorifique de la machine frigorifique en fonction de la
température au condenseur et à l’évaporateur est aussi présentée sur les figures ci-dessous.
Pour pouvoir comparer les machines frigorifiques il faut aussi savoir si la demande des
équipements auxiliaires tels les ventilateurs, les pompes etc. est incluse dans le COP ou EER.
Par exemple, le COP de grandes machines inclue seulement la demande du compresseur, tandis
qu’EER ou SEER des refroidisseurs de fenêtre incluent la puissance des ventilateurs de
l’évaporateur et du condenseur. Les COP dans les catalogues sont présentés souvent seulement
pour la pleine charge, tandis que les machines la plupart de temps fonctionnent à la charge
partielle. C’est aussi un facteur à considérer pour une comparaison adéquate des ces machines.
MEC-733
7-4
Variation de la puissance frigorifique d’une machine frigorifique et de la demande électrique
d’un compresseur à piston
Variation de la puissance frigorifique d’une machine frigorifique et de la demande électrique
d’un compresseur à vis
MEC-733
7-5
MEC-733
7-6
7.4.
Compresseurs
Compresseurs volumétriques
°
°
°
A piston
Rotatifs
° à vis (Screw) (capacité de 50 à 1600 tonnes 176 kW à 5626 kW)
° à palettes
° à spirale (Srcoll)
Compresseurs dynamiques
°
Centrifuges (capacité de 100 à 10 000 tonnes 350 kW à 35 MW)
MEC-733
7-7
MEC-733
7-8
Compresseur à spiral (Scroll)
Principe de fonctionnement d’un compresseur à spiral (Scroll)
MEC-733
7-9
Réseau de l’eau de
condenseur
Condenseur
Rejet de chaleur
tcws
Compresseur
Refroidisseur et la
tour de
refroidissement
tchws
Eau glacée
Évaporateur
Schéma d’un système de refroidissement
7.5. Courbes de pondération relatives aux refroidisseurs à compression de
vapeur
7.5.1. Refroidisseurs avec les condenseurs refroidis à l’eau
Courbe de pondération de la puissance frigorifique
Qdisponible(tchws,tcws )=(CAP_ FT )∗Qnominale
CAP _ FT =a+b∗tchws +c∗tchws +d ∗tcws +e∗tcws + f ∗tchws∗tcws
2
2
puissance frigorifique disponible dans les conditions actuelles pour l’évaporateur et le
Qdisponible
condenseur (MBH)
tchws
température de l’eau glacée oF
tcws
température de l’eau à l’entrée du condenseur oF
Qnominale
puissance nominale dans les conditions ARI (MBH)
Coefficient
a
b
c
d
e
f
MEC-733
Refroidisseur à piston
0.58531422
0.01539593
0.00007296
-0.00212462
-0.00000715
-0.00004597
Refroidisseur centrifuge
-0.29861976
0.02996076
-0.00080125
0.01736268
-0.00032606
0.00063139
7-10
Courbe de pondération de la demande électrique
Pactuelle=Pnominale*(EIR_ FPLR)∗(EIR_ FT )*(CAP_ FT )
Pactuelle Pnominale EIR_FPLR
EIR_FT
puissance demandée dans les conditions réelles (kW)
puissance nominale demandée dans les conditions ARI (kW)
pondération de la puissance nominale due aux modifications de la charge
pondération de la puissance nominale due à des variables environnementales
(EIR _ FPLR )=a+b∗PLR+c∗PLR 2
PLR
nominale)
coefficient de charge partielle selon la puissance disponible (non la puissance
Coefficient
a
b
c
Refroidisseur à piston
0.08144133
0.41927141
0.49939604
Refroidisseur centrifuge
0.17149273
0.58820208
0.23737257
PLR=
Qactuelle
Qdisponible(tchws,tcws )
Qactuelle
demande actuelle du refroidisseur (Btu/hre)
Qdisponible
puissance frigorifique disponible dans les conditions actuelles pour l’évaporateur et le
condenseur (Btu/hre)
EIR _ FT =a+b∗tchws +c∗tchws +d ∗tcws +e∗tcws + f ∗tchws∗tcws
2
tchws
tcws
température de l’eau glacée oF
température de l’eau à l’entrée du condenseur oF
Coefficient
a
b
c
d
e
f
Refroidisseur à piston
0.46140041
-0.00882156
0.00008223
0.00926607
0.00005722
-0.00011594
MEC-733
2
Refroidisseur centrifuge
0.51777196
-0.00400363
0.00002028
0.00698793
0.00008290
-0.00015467
7-11
7.5.2. Refroidisseurs à détente directe et avec les condenseurs refroidis à l’air
Courbe de pondération de la puissance frigorifique
Qdisponible(twb,todb )=(CAP_ FT )∗Qnominale
CAP _ FT = a + b ∗ t wb + c ∗ t wb + d ∗ t odb + e ∗ t odb + f ∗ t wb ∗ t odb
2
2
Qdisponible
puissance frigorifique disponible dans les conditions actuelles pour
l’évaporateur et le condenseur (MBH)
puissance nominale dans les conditions ARI (MBH)
Qnominale
twb
température humide de l’air à l’entrée du serpentin
todb
température sèche de l’air extérieur
a
=
0.8740302
b
=
-0.0011416
c
=
0.0001711
d
=
-0.0029570
e
=
0.0000102
f
=
-0.0000592
Courbe de pondération de la demande électrique
Pactuelle=Pnominale*(EIR_ FPLR)∗(EIR_ FT )*(CAP_ FT )
Pactuelle
Pnominale
EIR_FPLR
puissance demandée dans les conditions réelles (kW)
puissance nominale demandée dans les conditions ARI (kW)
pondération de la puissance nominale due aux modifications de la charge
du serpentin
pondération de la puissance nominale due à des variables
environnementales
EIR_FT
(EIR _ FPLR )=a+b∗PLR+c∗PLR 2+d ∗PLR3
PLR
a
b
c
d
=
=
=
=
coefficient de charge partielle selon la puissance disponible
0.2012301
-0.0312175
1.9504979
-1.1205105
EIR _ FT =a+b∗twb +c∗twb +d ∗todb +e∗todb + f ∗twb∗todb
2
a
b
c
MEC-733
=
=
=
-1.0639310
0.0306584
-0.0001269
2
d
e
f
=
=
=
0.0154213
0.0000497
-0.0002096
7-12
7.6.
Possibilités de gestion d’énergie (1)
7.6.1. Cédule d’opération des refroidisseurs et des équipements
7.6.1.1. Cédule d’opération des refroidisseurs
Cette mesure ne s’applique que dans le cas d’une centrale comportant plusieurs refroidisseurs. Pour
minimiser le coût d’opération, la cédule doit tenir compte du comportement des refroidisseurs en
fonction de la charge partielle.
Refroidisseur fonctionnant en arrêt - départ
°
°
refroidisseurs à simple stage de même type - aucun impacte sur le coût d’opération
refroidisseurs à simple stage, mais avec les caractéristiques différentes – la cédule doit favoriser
les refroidisseurs plus efficaces
Refroidisseurs avec la possibilité de modulation de la puissance – cédule doit être déterminer en
fonction des caractéristiques des refroidisseurs sur place.
Cette mesure peut engendrer des économies relatives au coût d’opération de 1 à 20 %
dépendamment des caractéristiques des refroidisseurs installés.
7.6.1.2. Arrêt des centrales frigorifiques en absence de la charge
Les centrales frigorifiques (refroidisseurs avec les équipements connexes) ne doivent pas
fonctionner s’il n’y a pas de charge frigorifique. L’arrêt des centrales peut être réalisé
manuellement en fonction de conditions extérieures ou automatiquement en détectant l’absence de
la charge frigorifique par le système de contrôle.
Les économies d’énergie peuvent être réalisées de différentes façons, comme par exemple :
°
°
°
°
Arrêt des équipements connexes tels les ventilateurs et les pompes qui dans la plupart de cas
fonctionnent même si le refroidisseur est arrêté (ces équipements consomment de 5 à 20% de la
puissance du refroidisseur à pleine charge) ;
Élimination de la fausse charge qui peut se produire dans les refroidisseurs dont la capacité est
contrôlée par le by-pass de gaz chaud (si la machine fonctionne dans ce mode, elle consomme
de 10 à 40% de l’énergie qu’elle consommerait à pleine charge) ;
Élimination des charges provenant des gains de chaleur dans le réseau de distribution de l’eau
glacée qui pourrait être très important dans les grands réseaux
Élimination du gaspillage d’énergie résultant du comportement des occupants dans les
bâtiments ayant les fenêtres ouvrantes.
7.6.1.3. Contrôle adéquat des équipements de rejet de chaleur associés aux refroidisseurs en arrêt
Cette mesure s’applique surtout aux centrales comportant plusieurs refroidisseurs dont cédule de
fonctionnement est établie en fonction des besoins frigorifiques. Elle consiste à associer les
MEC-733
7-13
équipements de rejet de chaleur à chaque refroidisseur pour les pouvoir arrêter lorsque le
refroidisseur donné est en arrêt.
Cette mesure permettrait d’économiser de 5 à 30% de l’énergie consommée par les pompes et
ventilateurs des condenseurs.
7.6.1.4. Minimiser l’opération des pompes de l’eau glacée
La mesure consiste à arrêter les pompes qui n’ont pas à fournir de l’eau glacée et à couper la
circulation de l’eau glacée à travers les évaporateurs des machines en arrêt.
Cette mesure permettrait d’économiser de 20 à 70% de l’énergie des pompes de l’eau glacée ou de 1
à 5% de l’énergie totale du système.
7.6.2. Optimisation des températures d’opération
7.6.2.1. Maintenir la température de l’eau glacée la plus élevée possible
Variation de COP en fonction de la température de l’eau glacée (courbe type pour un refroidisseur
centrifuge)
L’augmentation de la température est limitée par les besoins de refroidissement tant sensible que
latent. Cette mesure peut être réalisée :
°
manuellement avec le potentiel de 4 à 10% de la consommation moyenne annuelle de l’énergie
du refroidisseur
MEC-733
7-14
°
automatiquement avec le potentiel de 5 à 15% de la consommation moyenne annuelle de
l’énergie du refroidisseur
Il est à noter cependant que l’impacte de cette mesure pourrait être partiellement réduite par
l’augmentation de débit d’air des ventilateurs des systèmes VAV desservis par le refroidisseur
donné et par l’augmentation de l’énergie consommée par les pompes de l’eau glacée si elles sont à
débit variable.
7.6.2.2. Optimiser la température de condensation
Variation de COP en fonction de la température de condensation (courbe type pour un
refroidisseur alternatif de la construction récente)
En moyenne la consommation d’énergie par le compresseur diminue de 1.5% par la baisse de la
température de condensation de 1oF (environ 3% par 1oC). L’optimisation de la température de
condensation n’est pas très simple à cause des facteurs suivants :
°
°
°
Baisse de température engendre l’augmentation de la consommation de l’énergie des
ventilateurs qui consomment en moyenne de 5 à 20% de l’énergie consommée par le système.
Comportement des refroidisseurs réels n’est pas forcement le même que la courbe présentée sur
la figure ci-dessus. En général, la baisse de température de condensation engendre
l’augmentation du COP de tous les types de refroidisseurs dans l’intervalle des hautes
températures. Cependant, la consommation d’énergie de certains refroidisseurs peut augmenter
si la température de condensation est réduite trop. Ce comportement se produit surtout à basse
charge des refroidisseurs.
Beaucoup de refroidisseurs doivent fonctionner avec une certaine limite minimale de
température de condensation.
MEC-733
7-15
La température de condensation est limitée par la température de fluide de refroidissement, l’eau ou
l’air. Si le condenseur est refroidi par l’air, la température de condensation ne peut as descendre audessous de la température sèche de l’air extérieur. Si le condenseur est refroidi par l’eau, elle ne
peut pas descendre au-dessous de la température humide de l’air extérieur. Selon la pratique dans
ce domaine on recommande à contrôler les ventilateurs de condenseurs ou de tour d’eau de manière
à atteint la température de l’air ou de l’eau du condenseur de 5 à 15 oF supérieure à la température
sèche ou humide de l’air extérieur.
Déterminer la température optimale de condensation n’est une tâche facile et souvent exige la
possession une base de données enregistrées pendant une période de temps représentative et
l’intervention d’un expert.
Le potentiel d’économie d’énergie grâce à l’implantation de cette mesure est de 5 à 15% dans le cas
de contrôle automatique de la température de condensation et de 3 à 8% dans le cas d’ajustement
manuel de cette température.
7.6.3. Inspection et nettoyage à intervalles réguliers des surfaces de transfert de
chaleur des évaporateurs et condenseurs
7.6.3.1. Systèmes avec les tours de refroidissement fonctionnant à boucle ouverte
En général, l’encrassement des condenseurs peut augmenter la consommation d’énergie plus que
10%. Cette augmentation résulte surtout du fait de l’augmentation de la température de
condensation.
La fréquence de nettoyage pourrait être déterminée en surveillant les températures relatives au
condenseur :
La différence de température entre la température du réfrigérant liquide et celle de l’eau à la sortie
du condenseur doit être faible
La différence de température entre la température de l’eau à l’entrée et sortie du condenseur doit
être élevée
En général, ces différences de températures sont relativement faibles et un bon monitoring exige les
sondes de température précises. De plus, ces différences varient en fonction de la charge du
système. Une expérience est donc nécessaire pour bien gérer cette activité.
Dans le cas des systèmes avec les tours de refroidissement fonctionnant à boucle ouverte le
nettoyage manuel régulier permet d’économiser de 2 à 10% de la consommation totale du système.
L’installation d’un système de nettoyage automatique permet L’économie de 3 à 12%.
MEC-733
7-16
7.6.3.2. Nettoyage régulier des évaporateurs de côté l’eau
L’encrassement des évaporateurs à pour conséquences de diminuer la température d’évaporation.
Un nettoyage régulier permet d’économiser de 0.5 à 3% de la consommation totale du système.
7.6.3.3. Traitement chimique de l’eau de refroidissement de condenseur
Le traitement de l’eau consiste à ajouter les produits chimiques et à contrôler les purges pour
compenser les pertes d’eau de la tour de refroidissement et des condenseurs évaporatifs. Cette
mesure permet d’économiser de 1 à 5% de la consommation totale du système.
7.6.4. Mesures relatives aux équipements de rejet de chaleur
Schéma d’un condenseur refroidi à l’air
Schéma d’un condenseur évaporatif
MEC-733
7-17
Schémas des tours de refroidissement
7.6.4.1. Application des variateurs de vitesse pour des ventilateurs des équipements de rejet de
chaleur
L’idée de cette mesure est d’ajuster le débit des ventilateurs en fonction de la charge frigorifique du
système. Plusieurs solutions sont envisageables et elles sont semblables aux solutions proposées
dans les systèmes de climatisation à débit d’air variable VAV. Le variateur de vitesse électronique
est une meilleure solution qui permet d’économiser de 30 à 70% de l’énergie consommée par les
ventilateurs ou de 0.5 à 3% de la consommation totale du système.
7.6.4.2. Cédule appropriée de fonctionnement des ventilateurs dans les tours de refroidissement
comportant plusieurs cellules
Les tours de refroidissement comportent parfois plusieurs cellules chacune comportant un
ventilateur. Souvent les ventilateurs ont deux stages de vitesse de rotation. Une cédule appropriée
de fonctionnement est dans ce cas rentable. Si le système comporte trois cellules et la charge
frigorifique augmente, on propose, par exemple, de mettre en marche le premier ventilateur à basse
vitesse, puis le deuxième et le troisième à basse vitesse après augmenter la vitesse du premier
ventilateur et puis deuxième et troisième.
Cette mesure permet d’économiser de 10 à 40% de l’énergie consommée par les ventilateurs ou de
1 à 5% de la consommation totale du système
7.6.4.3. Nettoyage régulier des équipements de rejet de chaleur
Cette mesure permet d’économiser de 0.1 à 5% de la consommation totale du système
MEC-733
7-18
7.6.4.4. Éviter la recirculation d’air autour des équipements de rejet de chaleur
Recirculation d’air autour d’une tour de
refroidissement installée à proximité d’un mur
Recirculation d’air autour d’une tour
de refroidissement installé dans un puits
MEC-733
7-19
7.6.5. Mesures relatives aux compresseurs
Au moins trois mesures d’économies d’énergie présentées ci-dessous peuvent être mentionnées :
°
°
°
Si un moteur du compresseur tombe en panne il doit être remplacé par un moteur plus efficace.
Cette mesure peut engendre les économies de 1 à 5% de l’énergie consommée par le moteur.
Si le remplacement d’un compresseur est envisagé à cause d’une panne ou à cause de son age,
ce compresseur doit être remplacé par un autre plus efficace. Cette mesure peut engendre les
économies de 10 à 35% de l’énergie consommée le refroidisseur dépendamment de la base de
comparaison.
Dans le cas d’un compresseur centrifuge l’installation d’un variateur de vitesse peut être
envisagée. Cette mesure peut engendre les économies de 10 à 40% de l’énergie consommée par
le refroidisseur.
7.6.6. Mesures relatives au design visant l’efficacité à faible charge frigorifique
7.6.6.1. Dimensionner adéquatement les refroidisseurs
Installer les refroidisseurs et les équipements connexes dimensionner adéquatement pour rendre les
périodes de fonctionnement à faibles charges les plus courtes possibles. Le but de cette mesure
consiste à s’assurer que le système fonctionne efficacement à n’importe quelle charge. Il est
proposé dans ce cas de dimensionner les équipements connexes en les associant à chaque
refroidisseur. Le choix des compresseurs doit être réalisé en fonction de leur comportement à la
charge partielle. Pour déterminer le nombre de compresseurs et leur puissance il faut prendre en
considération le profil annuel ou saisonnier de la charge frigorifique.
Cette mesure est liée partiellement avec la mesure visant à optimiser la cédule de fonctionnement
des refroidisseurs du système central de refroidissement. Cette mesure permet d’économiser de 5 à
20% de la consommation totale d’énergie de la centrale.
7.6.6.2. Installer les petites unités de refroidissement pour pouvoir arrêter les refroidisseurs de
grande puissance
Cette mesure s’applique aux cas spécifiques où les besoins de climatisation des certains locaux,
comme par exemple les salles d’ordinateurs, se produisent même si les autres locaux ne sont plus
utilisés. Cette mesure permet d’économiser de 5 à 30% de la consommation totale d’énergie de la
centrale.
7.6.6.3. Optimiser le fonctionnement des centrales frigorifiques s’il y a plusieurs centrales
frigorifiques sur place
C’est un cas peut être rare, mais s’il y a plusieurs centrales frigorifiques la mesure qui consiste à
optimiser leur fonctionnement peut être très rentable. La cédule de mise en marche des
refroidisseurs doit tenir compte de la demande actuelle versus la capacité des refroidisseurs et leur
efficacité. Cette mesure permet d’économiser de 5 à 20% de la consommation totale d’énergie de la
centrale.
MEC-733
7-20
7.6.7 Refroidissement par l’utilisation indirecte de l’air extérieur
Cette mesure consiste à refroidire l’eau glacée en utilisant l’air extérieur à basse température. Le
but est de réduire la charge du refroidisseur ou de l’arrêter. Le coût d’application de cette mesure
est assez élevé, c’est pourquoi elle exige une étude détaillée portant sur la rentabilité. Elle
s’applique si le nombre d’heures de fonctionnement dans ce mode de refroidissement est élevé. Ce
nombre d’heures dépend entre autres des facteurs suivants :
°
°
°
Profil adéquat de la charge frigorifique c’est-à-dire la charge doit être importante lorsque les
températures extérieures sont basses. Il s’agit donc des bâtiments ou des espaces ayant les gains
de chaleur important pendant la période relativement froide.
Température de l’eau glacée relativement élevée parce que cette mesure n’est qu’applicable si la
température extérieure est inférieure à celle de l’eau glacée. Par exemple, l’eau glacée dans le
système de climatisation est souvent à 6oC lorsque la charge est la plus élevée. Il est donc
préférable pour appliquer cette méthode que la température de l’eau glacée soit la plus élevée
possible.
Conditions climatiques favorables pour augmenter le nombre d’heures de l’utilisation de cette
technique.
7.6.7.1. Installation de refroidissement permettant le « free cooling »
La modification, par rapport à un refroidisseur ordinaire, consiste à permette le transfert de chaleur
directe entre le condenseur et l’évaporateur du refroidisseur par l’intermédiaire du qui circule entre
ces deux échangeurs de chaleur. Le refroidisseur fonctionne comme un thermosiphon ou un
caloduc (« heat pipe »). La figure ci-dessous explique cette opération.
Schéma d’un refroidisseur permettant le « free cooling »
MEC-733
7-21
Le potentiel d’économie d’énergie est de 5 à 30% de l’énergie consommée par le refroidisseur.
7.6.7.2. Installation d’un échangeur de chaleur dans le circuit de la tour de refroidissement
Cette solution ressemble à celle mentionnée ci-dessus, mais elle permet aussi le pré-refroidissement
de l’eau glacée. Le schéma est ci-dessous.
Le potentiel d’économie d’énergie est semblable à la mesure précédente de 5 à 30%. Le retour
d’investissement est assez long de 3 à 15 ans.
Échangeur de chaleur installé entre le condenseur et le réseau de l’eau glacée
7.6.7.3. Utilisation d’un cycle économiseur sur le circuit d’eau
Cette mesure consiste à installer un échangeur de chaleur supplémentaire dans la gaine d’air d’un
système de climatisation qui est alimenté en eau provenant de la tour de refroidissement comme
présenté sur la figure ci-jointe. Cette mesure s’applique souvent aux systèmes comportant un
refroidissement par détente directe et plutôt aux nouvelles constructions. L’inconvénient principal
de cette mesure est l’insertion d’un serpentin supplémentaire dans la gaine qui c’est traduit par
l’augmentation de la pression statique du ventilateur. Cette mesure exige aussi installation d’un
échangeur de chaleur entre la tour de refroidissement et les unités desservies pour ne pas les
alimenter en eau polluée provenant de la tour.
MEC-733
7-22
Schéma d’un système utilisant le cycle économiseur sur le circuit d’eau
Le potentiel d’économie d’énergie est de 10 à 30% de l’énergie consommée par le refroidisseur. Le
paragraphe 7.3.2.3 du Code national de l’énergie porte sur l’utilisation de cette technique.
7.6.8. Récupération de la chaleur rejetée par les refroidisseurs
La quantité d’énergie rejetée par le refroidisseur est une somme de l’effet frigorifique et l’énergie
consommée par le compresseur. La récupération de cette énergie est limitée par la température de
condensation qui devrait être assez faible parce qu’elle a un impacte sur le COP du refroidisseur.
Très souvent la récupération de chaleur à ces températures est difficile à réalisée. Typiquement, la
température de condensation des refroidisseurs fonctionnant à pleine charge est de 100 à 110 oF. À
la charge partielle cette température est plus faible. L’augmentation de cette température pour
favoriser la récupération de chaleur a plusieurs conséquences comme par exemple :
°
°
°
diminution du COP du refroidisseur. En général, l’augmentation de cette température de 1oF a
pour effet de diminuer le COP de 1 à 2%
réduction de la capacité frigorifique du refroidisseur
possibilité de l’usure accélérée des éléments du refroidisseur.
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7-23
La récupération de chaleur doit être considérée comme la source supplémentaire d’énergie
autrement dit, il faut récupérer la chaleur seulement lorsque lorsqu’il y a la demande de
refroidissement. Il ne faut pas utiliser le refroidisseur seulement pour récupérer la chaleur. Le
système qui absorbe la chaleur doit être choisi de manière que ses besoins coïncident avec la charge
frigorifique et que la température de rejet de chaleur soit adéquate.
7.6.8.1. Utilisation directe de l’eau de refroidissement (du condenseur) par le système de la
récupération de chaleur
Schémas des systèmes sans et avec le by-pass de la tour de refroidissement
Deux possibles schémas de la récupération de chaleur sont présentés sur les figures. Le potentiel
d’économie d’énergie dépend de plusieurs facteurs. Tout d’abord, ce système permet de réduire la
consommation d’énergie des ventilateurs de la tour de refroidissement. De plus, si la récupération
peut être réalisée à la température minimale de condensation la performance de la machine est
élevée et elle fonctionne dans ces meilleures conditions. La quantité d’énergie récupérée dépend
aussi de choix du système qui absorbe la chaleur récupérée. Le coût d’implantation de cette mesure
peut varier beaucoup dépendamment de la grandeur de l’installation.
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7-24
7.6.8.2. Utilisation d’un condenseur spécial pour la récupération de chaleur (double bundle
condenser)
Schéma d’un système comportant un condenseur supplémentaire pour la récupération de chaleur
Le deuxième condenseur doit être dimensionné en tenant compte de la capacité du système de
récupération de chaleur. Le potentiel d’économie d’énergie ainsi que les facteurs qui influence ce
potentiel sont semblables à ceux présentés dans la mesure précédente. Le coût d’ajout du
condenseur supplémentaire est de 10 à 20$ par 1000 Btu/hre de la chaleur récupérée.
7.6.8.3. Autres possibilités de récupération de chaleur.
Le choix du système de la récupération de chaleur doit toujours être basé sur les résultats d’une
analyse du potentiel d’économie d’énergie. Cette analyse doit prendre en considération de la
quantité de chaleur rejetée, la température à laquelle le rejet est réalisé et le besoin de chaleur du
système de récupération. Si par exemple, une quantité importante de la chaleur doit être récupérée à
une température élevée (plus élevée que la température minimale de condensation) il faut envisager
l’installation d’un refroidisseur spécial permettant la condensation à la température élevée sans
réduire son COP.
Si par exemple, une petite quantité de chaleur doit être récupérer à une température élevée il faut
plutôt envisager la récupération de chaleur du réfrigérant sortant du compresseur de la machine
frigorifique. Le réfrigérant sort du compresseur à l’état de la vapeur surchauffée. On envisage
MEC-733
7-25
donc, dans ce système, de refroidir le réfrigérant jusqu’à sa température de saturation. La quantité
de chaleur ainsi récupérée dépend, entre autres, du réfrigérant utilisé par le refroidisseur. À titre
d’exemple on peut citer les cas suivants :
°
Réfrigérant R134a – seulement 4% de la chaleur totale rejetée peut être récupérée en appliquant
cette mesure parce que la température de réfrigérant à la sortie du compresseur n’est que de 12
o
F supérieure à la température de saturation.
°
Réfrigérant R22 - 11% de la chaleur totale rejetée peut être récupérée en appliquant cette
mesure. La température à la sortie du compresseur est de 155 oF, c’est-à-dire de 35 oF
supérieure à la température de saturation
°
Ammoniac - 14% de la chaleur totale rejetée peut être récupérée en appliquant cette mesure. La
température à la sortie du compresseur est de 225 oF, c’est-à-dire de 105 oF supérieure à la
température de saturation
7.7.
Possibilités de gestion d’énergie (2)
Dans le chapitre précédant, on présente plusieurs possibilités de gestion de l’énergie relatives aux
systèmes de refroidissement et aux éléments de ces systèmes. Elles sont regroupées selon le rôle
d’éléments auxquels elles sont relatives. Ci-dessous on présente certaines possibilités de gestion
d’énergie proposées dans le cahier no 11 « Refroidissement et pompes à chaleur » faisant partie
d’une Série de la gestion de l’énergie publiée par Ministère de l’Énergie, des Mines et des
Ressources Canada en 1983. Parfois il s’agit des possibilités déjà présentées dans le chapitre
précédant. Cette fois elles sont quand même sont regroupées en tenant compte de la facilité de leur
implantation. On distingue donc les mesures qui peuvent être classifiées comme les possibilités de
maintenance ou les possibilités de coût modique ou de rénovation.
7.7.1. Possibilités de maintenance
Les possibilités de maintenance sont des initiatives de gestion de l’énergie exécutées de façon
périodique et au moins une fois par année. Parmi les possibilités de gestion de l’énergie de cette
catégorie, mentionnons :
°
Inspection et nettoyage à intervalles réguliers des surfaces de transfert de chaleur des
évaporateurs et condenseurs. Des surfaces encrassées diminuent l’efficacité du transfert de la
chaleur, ce qui exige de plus grandes différences de température pour maintenir le taux de
transfert de chaleur. Plus l’écart de température est grand, plus le coefficient de performance
(COP) s’en trouve diminué.
°
Réparation de l’isolation des conduites d’aspiration et refoulement du compresseur pour
diminuer la surchauffe des gaz d’aspiration. Les conduites du réfrigérant absorbent de la
chaleur lorsqu’elles sont installées dans des endroits où l’air n’est pas climatisé, ce qui
augmente la charge du système inutilement.
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7-26
°
Calibrage des appareils de régulation et commandes de même que vérification de leur
fonctionnement à intervalles réguliers pour s’assurer que les installations frigorifiques et les
pompes à chaleur fonctionnent efficacement.
°
Maintien de la quantité de réfrigérant prévue dans les circuits des installations frigorifiques et
des pompes à chaleur. Un bas niveau de fluide frigorigène diminue l’efficacité et la puissance
frigorifique des installations. Une diminution du débit du fluide frigorigène cause une
surchauffe excessive à l’évaporateur, réduit l’efficacité du compresseur et augmente la
température de condensation ;
°
Circulation d’air sans obstruction autour des condenseurs et des tours de refroidissement pour
supprimer le « court-circuit » des courants d’air favorisant des températures et des pressions de
condensation plus élevées ;
°
Réduction au minimum du fonctionnement simultané des systèmes de chauffage et de
refroidissement. Des thermomètres situés à divers endroits stratégiques peuvent permettre
d’identifier ce genre de problème.
7.7.1.1. Exemples concrets de maintenance
Diminution de la température de condensation par une maintenance adéquate du condenseur
Au cours des ans, le rendement d’une installation frigorifique de 175kW équipée d’un condenseur
refroidi à l’air avait nettement diminué. Une inspection avait permis de découvrir que l’endroit où
se trouvait le condenseur avait été transformé en aire d’entreposage où des matériaux étaient
empilés. La circulation de l’air près du condenseur était donc obstruée causant ainsi un court-circuit
du flux d’air traversant le condenseur. Selon les mesures, lorsque la température de l’air ambiant
était de 35°C, l’air entrait dans le condenseur à une température de 46,1°C. La charge frigorifique
actuelle était de 120kW. Les données du fabricant indiquaient que la puissance du compresseur
était de 42,3 kW à 35°C et de 49,76 kW à 46,1°C pour une charge frigorifique de 120kW.
Évaluer l’impacte de l’enlèvement des matériaux empilés à proximité du condenseur sur le coût
d’opération du refroidisseur si le coût de l’électricité est de 0,05$/kWh. Cette action permet une
circulation adéquate de l’air extérieur à travers le condenseur ce qui se traduit par une baisse de la
température de l’air extérieur traversant le condenseur de 46.1 à 35 oC.
Évaluation rapide
Dans une méthode d’évaluation rapide on admet que le coût d’opération à pleine charge de la
machine pendant 2000 heures par année est un équivalent du coût d’opération réel de la machine.
La quantité d’énergie requise par le compresseur à 46,1°C
= 2 000 × 49,76 kW = 99 520 kWh
La quantité d’énergie requise par le compresseur à 35°C
= 2 000 × 42,3 kW = 84 600 kWh
Énergie économisée
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= 99 520 – 84 600 = 14 920 kWh
7-27
Économies
= 14 920 kWh × 0,05$/kWh = 746$/an
Évaluation plus détaillée
Il est à noter que la méthode ci-dessus est applicable seulement aux calculs approximatifs et une
méthode plus précise est nécessaire pour une évaluation appropriée. Pour ces fins, on peut utiliser
par exemple la méthode BIN qui permet de prendre en considération la variation de la charge
frigorifique en fonction de la température extérieure. Pour déterminer l’impacte de cette mesure, il
faut faire les calculs dans deux étapes :
1. Calculs relatifs au cas actuel :
°
°
la charge de frigorifique de la machine est calculée pour chaque tranche de température
extérieure ;
la capacité de la machine et la puissance du compresseur sont calculées pour chaque tranche
en admettant cependant que la température de la tranche est supérieure à la température
extérieure d’environ 11oC (46.1 – 35 = 11.1 oC).
2. Calculs relatifs au cas après l’enlèvement des matériaux empilés autour du condenseur :
°
la charge de frigorifique de la machine, la capacité de la machine et la puissance du
compresseur sont calculées pour chaque tranche de température extérieure.
Nettoyage des évaporateurs et des condenseurs
On utilisait un refroidisseur centrifuge 880kW avec une tour de refroidissement pour la production
d’eau glacée demandée par un système de climatisation. Lors d’une analyse, il fut remarqué qu’il y
avait formation d’algues sur les surfaces mouillées de la tour de refroidissement. La purge de l’eau
visant à contrôler les dépôts de minéraux et de réactifs se faisait en continu. Aucun essai chimique
et de traitement d’eau n’était assuré.
Lors d’un arrêt de l’usine, il fut constaté que les surfaces de transfert de chaleur de l’évaporateur et
du condenseur étaient encrassées. Un entrepreneur fut embauché pour nettoyer le matériel au coût
de 1 700$ pour chaque échangeur de chaleur et de 1 400$ pour la tour de refroidissement, pour une
somme de 4 800$. Le coût de l’électricité est de 0,05$ le kWh.
Le rendement du système fut évalué avant et après le nettoyage en se servant des données du
fabricant et des estimés des coefficients de performance.
Température d’aspiration du fluide frigorigène (surfaces encrassées) :
Température de condensation du fluide frigorigène (surfaces encrassées) :
Température d’aspiration du fluide frigorigène (surfaces propres) :
Température de condensation du fluide frigorigène (surfaces propres) :
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1,7°C = 274, 7K
46,1°C = 319,1 K
7,2°C = 280,2 K
40,6°C = 313,6 K
7-28
Le système fonctionne à pleine charge pendant environ 900 heures par année. Ci-dessous la
méthode de calcul utilisée dans le livre de référence qui n’est pas très déraillée et surestime
l’impacte de cette mesure d’économie d’énergie.
Coefficient de performance (surfaces encrassées)
= 0,25 ×
TL
274,7
= 0,25 ×
= 1,55
(TH − TL )
319,1 − 274,7
coefficient de performance (surfaces propres)
= 0,25* ×
TL
280,2
= 0,25 ×
= 2,10
(TH − TL )
313,6 − 280,2
* Les coefficients de performance réels sont estimés à 0,25 × COP (théorique)
Modification du coefficient =
(2,10 − 1,55) × 100
1,55
= 35 % (amélioration)
Puissance nécessaire pour un refroidissement de 880 kW :
Surfaces encrassées
880
= 568 kW
1,55
Surfaces propres
880
= 419 kW
2,10
Le système fonctionne à pleine charge pendant environ 900 heures par année. Les économies
résultant du nettoyage sont les suivantes :
Économies
= (568 – 419) kW × 900 h × 0,05$/kW = 6 705$
Période de rentabilité
=
4 800 $
Investissements
= 0,72 année (9 mois)
=
6 705 $
Économies
Déterminez les économies résultant du nettoyage en utilisant les formules du chapitre 7.5.1. qui
tiennent compte de la variation de la capacité et de la puissance en fonction des températures de
l’eau glacée et de l’eau à la sortie du condenseur.
7.7.2. Possibilités d’amélioration de coût modique
Les possibilités d’amélioration de coût modique sont des initiatives de gestion de l’énergie réalisées
une seule fois, et dont le coût n’est pas élevé. Des exemples de possibilités d’amélioration de coût
modique sont décrits ci-dessous.
°
Élévation de la température de l’évaporateur pour augmenter le coefficient de performance du
système.
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7-29
°
°
°
Régler la température de l’eau glacée, de la solution au glycol ou de l’air en fonction de la
puissance frigorifique voulue ou requise pour augmenter ainsi la température de
l’évaporateur de pendant les charges partielles. Par exemple, le réglage de la température de
l’air quittant l’évaporateur d’un système de climatisation peut être déterminé selon la charge
latente. Au fur et à mesure que la charge latente baisse, les besoins de déshumidification
diminuent, et les appareils de régulation réajustent la température de l’évaporateur à la
hausse.
Relocaliser le serpentin extérieur d’une pompe à chaleur air-air dans un courant d’air évacué
propre. L’air évacué d’un édifice est toujours plus chaud que l’air extérieur ambiant
pendant la saison de chauffage.
Diminution de la température de condensation pour augmenter le coefficient de performance du
système.
°
°
°
Relocaliser les condenseurs refroidis à l’air et les serpentins extérieurs des pompes à chaleur
dans un courant d’air évacué propre. Règle générale, l’air évacué des édifices est plus froid
que l’air extérieur ambiant pendant les périodes de refroidissement.
Abaisser la température de l’eau des condenseurs en réglant différemment les valeurs de
consigne des régulateurs de température de la tour de refroidissement. Une analyse détaillée
est nécessaire pour déterminer si une augmentation de la performance des installations
frigorifiques compense les besoins de puissance supplémentaires du ventilateur de la tour de
refroidissement et les coûts d’eau d’appoint.
Fournir un système de traitement de l’eau automatique pour ajouter des produits chimiques
et contrôler les purges de même que pour compenser les pertes d’eau de la tour de
refroidissement et des condenseurs évaporatifs. Un système de traitement de l’eau adéquat
maximise l’efficacité du transfert de chaleur et permet de maintenir les températures de
condensation à un niveau plus bas. Parmi les autres avantages, mentionnons de moins
grandes quantités d’eau d’appoint et de purge de même que des coûts d’exploitation et
d’entretien moins élevés.
°
Réviser la cédule de fonctionnement pour diminuer les périodes de point et faire meilleur usage
de l’énergie frigorifique ou calorifique disponible. La révision de la cédule peut permettre
l’arrêt de certains compresseurs des systèmes multiples et le fonctionnement d’autres unités à
charge optimale et efficacité maximale. Le fonctionnement des appareils selon une efficacité
plus élevée pourrait reporter l’achat de nouveau matériel lorsqu’il y aura augmentation de la
charge totale.
°
Améliorer l’isolation des conduites des fluides frigorigènes primaire et secondaire..
°
Équiper les tours de refroidissement, les refroidisseurs évaporatifs et les condenseurs refroidis
à l’air, de moteurs de ventilateur à vitesses multiples. Normalement, l’équipement est choisi en
fonction de la demande maximale de conception qui est rarement atteinte. En diminuant le débit
d’air au condenseur de façon à répondre aux besoins, la consommation électrique diminue.
°
Des refroidisseurs et condenseurs évaporatifs utilisés en hiver peuvent donner les résultats
recherchés lorsqu’ils fonctionnent avec des serpentins secs.
Les coûts d’entretien,
MEC-733
7-30
d’alimentation en eau et en électricité peuvent alors être diminués. Il faut noter que la
diminution des besoins énergétiques du ventilateur et des pompes de circulation des tours de
refroidissement et des refroidisseurs évaporatifs peut être annulée par une baisse du COP causée
par des températures de condenseur plus élevées. Une analyse détaillée est donc nécessaire.
°
Envisager l’utilisation d’un nouveau système de pompes à chaleur au lieu d’un nouveau
système de climatisation si le chauffage est requis en hiver. Le coût plus élevé de l’équipement
sera compensé par des coûts de chauffage moindres.
°
Munir les thermostats et les appareils de régulation de couvercles verrouillables pour éviter
tout ajustement ou modification non autorisé des valeurs de consigne.
°
Utiliser l’eau de refroidissement propre destinée aux procédés qui est normalement envoyée à
l’égout comme eau d’appoint pour les condenseurs évaporatifs ou les tours de refroidissement.
Bien qu’il s’agisse là d’une mesure qui ne favorise par directement la conservation de l’énergie,
elle permet tout de même de diminuer les coûts d’exploitation.
°
Revoir l’emploi de la dérivation des gaz chauds lorsqu’un système frigorifique fonctionne à
charge partielle pendant une période relativement longue. Il peut se révéler possible de
supprimer la dérivation et le cyclage ou encore arrêter l’installation frigorifique.
7.7.3. Possibilités de rénovation
Les possibilités de rénovation sont des initiatives de gestion de l’énergie qui sont réalisées une seule
fois et dont le coût est important. Dans cette catégorie, un grand nombre de possibilités méritent
d’être examinées attentivement par des spécialistes. Elles ne sont pas décrites en détail ci-dessous.
Dans certains cas, on fournit des exemples concrets, alors que dans d’autres cas, on se limitera à des
commentaires. Parmi les possibilités de gestion de l’énergie les plus caractéristiques que l’on
retrouve dans cette catégorie, mentionnons :
°
Utilisation de machines frigorifique à absorption lorsqu’il est possible de récupérer de la
chaleur rejetée à haute température ;
°
Utilisation d’une pompe à chaleur pour récupérer la chaleur rejetée à basse température et
l’utiliser dans le système de chauffage ;
°
Implantation d’un système de stockage thermique pour éviter le fonctionnement cyclique des
compresseurs, et permettre un fonctionnement continu à pleine charge et haute efficacité ;
°
Mise en place de systèmes décentralisés pour répondre aux charges avec des besoins spéciaux.
Par exemple, si une grande installation frigorifique fonctionne avec une basse température
d’évaporation quand seulement une petite partie de l’installation utilise cette basse température,
il suffit d’installer un petit système à basse température pour satisfaire à cette demande
particulière. Cette solution permettra de faire fonctionner la grande installation à une plus haute
température d’évaporation pour améliorer le COP.
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7-31
°
Récupération de la chaleur rejetée au condenseur aux fins de chauffage des locaux et de
procédés ou encore de préchauffage de l’eau. Le coefficient de performance du système peut
être amélioré lorsqu’on a la possibilité de rejeter la chaleur à une plus basse température. Par
exemple, le préchauffage de l’eau potable diminue la quantité d’énergie nécessaire au chauffage
de l’eau et permet d’abaisser la température de condensation. Cette eau peut souvent être
utilisée pour abaisser la température de condensation de 5 à 10 °C, augmentant le COP du
système. On pourrait aussi utiliser la chaleur des condenseurs pour faire fondre la neige ou
prévenir la pénétration de gel dans le sol sous le plateau de glace d’une patinoire ;
°
Désurchauffe de la vapeur du fluide frigorigène (gaz chaud) sortant du compresseur. La
surchauffe peut être récupérée dans le but de préchauffer l’eau d’appoint ou l’eau pour les
procédés. Comme la température des gaz surchauffés est supérieure à la température de
condensation, on peut utiliser la surchauffe là où la chaleur latente à plus basse température ne
peut pas l’être. Cependant, il faut porter une attention particulière à la conception du réseau de
conduites du fluide frigorigène pour s’assurer du retour du fluide frigorigène et de l’huile en
provenance du désurchauffeur ;
°
Utilisation de l’eau de puits, de rivière ou de lac comme fluide de refroidissement à basse
température pour abaisser la température de condensation. Si un condenseur refroidi à l’air a
besoins de réparations importantes ou encore d’être remplacé, envisagez plutôt d’installer un
nouveau condenseur évaporatif. Un rendement amélioré et une diminution des coûts d’énergie
due à un COP supérieur peuvent justifier les dépenses supplémentaires ;
°
Utilisation de machines frigorifiques pour déshumidifier l’air dans les piscines intérieures, là où
les taux de ventilation sont normalement élevés pour contrôler l’humidité. En hiver, les coûts de
chauffage de l’air de ventilation peuvent alors être diminués en réduisant le taux de ventilation
tout en assurant la déshumidification par le refroidissement de l’air. La chaleur rejetée peut être
utilisée pour préchauffer l’air de ventilation et/ou l’eau d’appoint pour la piscine. Toutes ces
mesures se traduisent par des économies d’énergie.
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