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La récupération d’énergie sur les systèmes de production de froid
consiste la plus communément en la récupération de chaleur sur une
boucle d’eau dans le but de l’utiliser sur un système de chauffage ou de
préparation d’eau chaude sanitaire. Ces dernières sont le plus souvent
utilisables partiellement ou seulement de façon périodique, comme le
chauffage.
Toutefois, d’autres applications, externes mais également internes au système
frigorifique sont possibles et utilisables à longueur d’année. Cet article se veut un
mémo simple de rappel des bonnes pratiques ouvrant à d’autres possibilités, en usage,
mais restant encore traitées occasionnellement.
1/ Les points de récupération d’énergie
Désurchauffe (4-3)
A la sortie du compresseur le fluide subit une élévation de température importante, due
au phénomène de compression et limité par la température (pression) de condensation.
De ce point de sortie du compresseur au point où le phénomène de condensation
commence (c’est-à-dire où le condenseur est réellement actif) le fluide est refroidi de
plusieurs dizaines de degrés, c’est le phénomène de désurchauffe.
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Le potentiel de chaleur récupérable est faible, mais la température élevée (d’environ 70 à
90°C selon les compresseurs)
Refroidissement d’huile (4)
Certaines technologies de compresseur (les vis en particulier) nécessitent un
refroidissement externe de l’huile servant à la lubrification des parties mécaniques. Là
encore, il s’agit d’un potentiel de chaleur utilisable, faible en quantité, mais à haute
température.
Sous-refroidissement (3-1)
Lorsque le fluide sort du condenseur, il présente une température qu’il est intéressant
d’abaisser. En effet, plus sa température sera abaissée, plus l’effet frigorifique produit par
le système sera élevé. Le potentiel énergétique comme la température sont faibles ;
l’intérêt énergétique se situe davantage au niveau fonctionnel que par l’usage.
Condensation (3)
Le potentiel de récupération de chaleur le plus important se situe bien évidemment au
niveau du condenseur. Toutefois, c’est essentiellement pour des usages de chauffage que
ce potentiel de chaleur est utilisé, et cela impose un circuit parallèle de refroidissement.
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2/ Les usages internes aux installations
frigorifiques
La production de froid conduit à au moins
un besoin de chauffage, discontinu dans
son utilisation, mais continu dans le temps,
c’est le dégivrage des évaporateurs et des
frigorifères. En fonction de l’usage de ces
échangeurs de chaleur, le dégivrage
s’effectue de façon naturelle par brassage
de l’air ambiant sans production de froid
ou à l’aide de résistances électriques. C’est
la solution la plus simple et la moins
onéreuse
…
à
l’investissement.
Prenons le cas d’une petite chambre froide
négative de 3000 m3, équipée de 2
évaporateurs de 30 kW froid chacun à 18°C et équipés de 30 kW de résistance
électrique (batterie et bac). Les opérations
de dégivrage (2 dégivrages d’une heure
chacun) conduisent à une consommation
annuelle d’environ 44 MWh, alors que la
consommation équivalente pour l’usage
d’une pompe de circulation d’eau chaude
sera de moins de 2 MWh.
Le besoin s’exprime par une température d’eau à 30/35°C maximum ; il se réalise par la
mise en œuvre de batteries double tubes sur les échangeurs de chaleur et d’une station
de pompes.
Certes, les surcoûts à l’investissement sont nettement supérieurs, toutefois, cela est très
avantageux quand le nombre de poste est suffisamment important ou que la nécessité
d’une condensation par eau s’impose.
Maintien hors gel des sols Par ailleurs, les entrepôts comportant des chambres froides
négatives nécessitent un maintien hors gel des sols. Ceci peut être réalisé par un vide
sanitaire ou par un maintien en température positive de la sous-dalle. Dans ce cas, le
besoin consiste en une circulation d’eau chaude à +15°C environ, et nécessite un circuit
de sol et une station de pompes.
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3/ Les usages internes au circuit frigorifique
La désurchauffe
La récupération de chaleur au niveau de la désurchauffe a plusieurs avantages. En tout
premier lieu, cela a pour conséquence l’abaissement de la température du fluide à
l’entrée des condenseurs permettant à celui-ci de disposer d’une surface utile à la
condensation plus importante. Ceci conduit à une réduction de l’écart de température
avec le médium de refroidissement, et permet in fine d’abaisser la température de
condensation - et/ou de diminuer l’énergie consommée par les ventilateurs, donc baisser
la pression de condensation et de refoulement (dans les limites surface/température
extérieure). Par ailleurs, l’optimisation de la surface utile peut également générer un
sous-refroidissement plus important. Les conséquences en sont une réduction de la
puissance absorbée et une augmentation de l’effet frigorifique.
Le sous-refroidissement
Le sous-refroidissement d’un fluide au sein d’un circuit frigorifique est la quantité de
chaleur dont il peut se départir après condensation complète et avant l’entrée au
détendeur. Plus le fluide est refroidi, plus l’effet frigorifique augmente. L’illustration sur
un diagramme enthalpique est significative.
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Un phénomène de sous-refroidissement naturel est généralement présent au sein d’une
installation, permettant d’assurer la bonne alimentation du détendeur ; toutefois, les
conditions météorologiques d’un lieu ne permettent pas toujours de disposer d’un
potentiel plus important. Par ailleurs, le faible potentiel qu’il représente en termes de
puissance comme de température conduisent à le négliger. Or, l’utilité d’un sousrefroidissement est loin d’être négligeable, sur le circuit lui-même. Pour améliorer le
sous-refroidissement, un échangeur intrinsèque au système est alors mis en œuvre, entre
le sous-refroidissement et l’aspiration. Le système a bien sûr une limite, celle à partir de
laquelle la modification des conditions d’aspiration rencontre les limites acceptables pour
le compresseur, mais il reste intéressant ; en voici un exemple, appliqué sur des
compresseurs à piston, à l’aide d’un logiciel de fabricant de compresseur.
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L’injection
Si l’on est ici à la limite du phénomène de récupération de chaleur, l’application s’en
rapproche et le gain énergétique sur un système est suffisamment intéressant pour être
abordé. Le principe de l’injection consiste au prélèvement d’une partie de fluide liquide
haute pression, de sa détente avant injection en général à la moyenne pression d’un
système de compression. Les effets d’une injection sont la diminution de la température
et de la pression de l’étage moyenne pression, l’augmente relative du sousrefroidissement, l’amélioration de l’effet frigorifique, et enfin et surtout la diminution de
la consommation d’énergie des compresseurs. Reporté sur un diagramme enthalpique,
en voici la conséquence :
L’injection peut être effectuée uniquement dans le but, mais à présente l’avantage de
pouvoir prendre en charge le refroidissement d’huile.
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4/ En conclusion
La récupération de chaleur sur un circuit frigorifique revêt bien d’autres aspects que ceux
habituellement utilisés. Le procédé de récupération peut bien entendu être effectué pour
des usages extérieurs, comme le chauffage ou l’eau chaude sanitaire, toutefois, des
usages liés à la production de froid ou sur le circuit lui-même ont tout intérêt à être
envisagés. Il en va de la consommation comme de l’efficacité énergétique des systèmes.
Par Florence Moulins IFFI – INM
Ingénieur Expertise-Conseil au Cemafroid, elle intervient au travers de son expérience de plus de
20 ans dans les métiers du froid, du génie climatique et de l'énergétique.
florence.moulins(at)cemafroid.fr
SOURCES ET LIENS
www.cemafroid.fr
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