Économie d énergie dans les centrales frigorifiques : La basse pression flottante

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1 Économie d énergie dans les centrales frigorifiques : La basse pression flottante Aout 2011/White paper par Christophe Borlein membre de l AFF et de l IIF-IIR Make the most of your energy

2 Sommaire Avant-propos I Introduction II L installation frigorifique 1 La basse pression 3 Les différents modes de régulation de la BP 4 La consigne BP 7 Concrètement sur le terrain 9 Les Certificats d Économie d Énergie (CEE) 10 Conclusion 11

3 Avant-propos Illustration de la consommation d énergie électrique mondiale. Le froid et le conditionnement d air représentent 15 % de la consommation électrique mondiale, ce qui correspond à 4,5 % des émissions globales de gaz à effet de serre (GES). Que ce soit dans l industrie agroalimentaire, l entreposage ou les grandes et moyennes surfaces (GMS) le froid représente une part considérable de la consommation énergétique (de 30 à 80 %). Il est le premier poste sur lequel les utilisateurs souhaiteraient faire des économies, mais c est aussi celui qui est le moins connu et le plus critique. Malgré des solutions qui existent depuis des années, le choix initial privilégie le fonctionnement et le prix au détriment de la consommation. La basse pression (BP) flottante n est pas souvent citée quand on parle de solutions d économies d énergie. Elle est souvent associée à une réduction de la puissance frigorifique entraînant une hausse des températures et une faible économie d énergie par rapport à la HP flottante. Il est vrai que les économies d énergie obtenues pas la mise en œuvre la BP flottante sont moins importantes mais elles ne devraient pas être négligées. De plus sa mise en œuvre technique sur une installation neuve est aussi simple que pour la HP flottante. Les économies de la BP flottante dépendent de l usage de l installation, mais aussi et surtout des réglages et de l analyse préalable de l installation. Mais dans certains cas, une BP flottante mal maîtrisée peut entraîner une surconsommation.. Ce document explique pourquoi la BP flottante génère des économies d énergie par rapport à une régulation classique et donne les contraintes techniques à respecter. White paper économies d énergie I

4 Introduction Si le compresseur est le cœur d une installation, la Basse Pression (BP) en est l artère. C est la pression la plus importante en termes de production du froid. Il y a évidemment un intérêt énergétique à la réguler ni trop haut, ni trop bas, mais il y a également d autres intérêts. La BP flottante est possible grâce à la régulation électronique. Bien qu il existe de nombreux appareils pour réaliser cette fonction, cette solution est rarement proposée. Dans le domaine de la climatisation, cette solution est fréquemment présente sur les appareils. Cependant, ce n est pas la BP qui est régulée, mais la température d eau de sortie, cette technique peut être appelée modulation de consigne. Bien que cette fonctionnalité soit connue, elle est également peu souvent mise en œuvre. La BP flottante est une solution intéressante car si elle génère moins d économies que la haute pression flottante elle nécessite peu d investissement. White paper économies d énergie II

5 Le fonctionnement des installations frigorifiques

6 L installation frigorifique Constitution Une installation frigorifique est un système thermodynamique qui transporte les calories d un point froid (ex. : une chambre froide), via l évaporateur, à un point chaud (ex. : l extérieur) avec le condenseur (la Figure 1 représente un système frigorifique permettant de situer les appareils). Détendeur Condenseur Compresseur La BP, représentée en bleu sur la figure 1, se trouve entre le détendeur et l aspiration du compresseur (dans le sens de la circulation du fluide). Évaporateur Les compresseurs Fig.1- Représentation d un système frigorifique Le compresseur est le cœur du circuit, c est lui qui met le fluide en mouvement, c est lui aussi qui en général consomme le plus. Sa consommation n est pas stable et dépend de plusieurs variables, les plus importantes sont la basse et la haute pression. Certains compresseurs sont munis d un organe mécanique permettant de réduire la puissance frigorifique. L usage de ces dispositifs de charge partielle influe sur les performances du compresseur. En matière de consommation, l information la plus utile est le COP (COefficient de Performance). Le COP prend en compte la variation des rendements internes du compresseur ainsi que le régime du cycle frigorifique. Il est donc nécessaire d avoir le régime de fonctionnement associé au COP pour pouvoir le juger. (Ex. : -10 C/+35 C). Le COP est le rapport entre la puissance frigorifique produite (ou utile) et la puissance électrique consommée. Le COP évolue dans le même sens que le rendement. White paper économies d énergie 1

7 L installation frigorifique Les évaporateurs L évaporateur est le composant frigorifique qui a le plus d utilisations et de formes différentes. Un évaporateur est une surface d échange entre le fluide frigorigène et le fluide (ou solide) à refroidir. Que ce soit le fluide frigorigène ou le fluide à refroidir, ils peuvent être mis en mouvement par un ventilateur ou une pompe afin d augmenter le coefficient d échange. Les constructeurs d évaporateurs donnent la puissance évacuée d un évaporateur en fonction d un écart de température entre les deux fluides. La puissance échangée dans un échangeur est donnée par la formule [1] (dans un but de simplification, la surchauffe n est pas prise en compte). La figure 2 est la représentation de l évolution de la température des fluides dans l échangeur. Formule [1] P K S LM P = puissance échangée [W] K = coefficient d échange [W.m -2.K -1 ] S = surface d échange [m²] LM = écart de température logarithme moyen ou DTLM [K] donné par la formule [2] Température Entrée T e Sortie T ff_s Fluide à refroidir Fluide frigorigène Évaporateur Figure 2 - Évolution des températures dans un évaporateur Sortie T s Entrée T ff_e Formule [2] ( T T ) ( T T ) e ff_s s ff_e θ LM = Te Tff_s ln( ) T T s ff_e Les caractéristiques de l évaporateur (Coefficient d échange et surface) sont considérées comme constantes. Il y a donc une relation directe et proportionnelle entre l écart de température entre les fluides et la puissance échangée. Il est à noter que le coefficient d échange peut évoluer en fonction de plusieurs paramètres : -l encrassement, -la prise de givre, -la vitesse des fluides et du fluide de refroidissement, -la surchauffe. White paper économies d énergie 2

8 La basse pression La BP se crée par l équilibre entre la puissance à évacuer par l évaporateur, en rouge sur la figure 3, et la puissance évacuable par les compresseurs, en vert. Lorsque la température du fluide frigorigène est égale à celle du fluide à refroidir, il n y a plus d échange de puissance. La régulation des compresseurs permet de maintenir cet équilibre avec les valeurs de consigne. La figure 4 montre l impact d un compresseur en plus ou en moins sur l équilibre de la BP. Lorsque le nombre de compresseurs augmente, la BP descend. Il s agît ici de puissance instantanée, pour répondre aux mêmes besoins du fluide à refroidir, les durées de fonctionnement vont changer. En fonctionnement, pour un même nombre de compresseurs, le besoin évolue, que ce soit la puissance ou le nombre d évaporateurs, la BP va descendre lorsque les besoins diminuent. Sur la figure 5, le fonctionnement avec 2 évaporateurs sur 1 compresseur va entraîner une pression plus faible que pour 3 évaporateurs. Dans ce fonctionnement avec 2 évaporateurs, la puissance frigorifique par évaporateur est supérieure au dimensionnement initial prévu pour les 3 évaporateurs fonctionnement en même temps, mais inférieure à la puissance frigorifique totale, car la BP est plus basse. Une BP trop basse augmente la production de puissance instantanée des évaporateurs (dans la limite de possibilité de fourniture des compresseurs, lorsque tous les compresseurs sont en fonctionnement), la réduction de la BP entraîne une réduction de la puissance instantanée comme le montre la figure 4. L augmentation de puissance instantanée va entraîner de courts cycles de fonctionnement au niveau des évaporateurs, mais aussi des compresseurs. La BP flottante consiste à réguler la pression d évaporation, à une valeur permettant d obtenir la plus faible consommation, du couple compresseurs / évaporateurs (et auxiliaires). Puissance frigorifique à l évaporateur Puissance frigorifique à l évaporateur P à l évaporateur Figure 3 - Équilibre de la BP Équilibre de la BP Basse Pression Basse Pression Figure 4 - Impact du nombre de compresseurs T fluide frigo = T fluide à refroidir P aux compresseurs P aux compresseurs P aux compresseurs Basse Pression Figure 5 - Impact du nombre d évaporateurs White paper économies d énergie 3

9 Les différents modes de régulation de la BP La régulation de la BP se fait par le pilotage des compresseurs. Afin de concentrer l explication sur la BP flottante, les modes de réduction de puissance des compresseurs ne sont pas pris en compte. Un White Paper sur la variation de vitesse des compresseurs frigorifiques reprendra les différentes méthodes de réduction de charge. La régulation de la BP par hystérésis Puissance frigorifique f6 C est la méthode historique, elle peut être faite par dez pressostats ou exécutée par un régulateur. Elle consiste à affecter des seuils (étages) de pression pour chaque compresseur. La figure 6 montre dans quel sens sont régulés les étages. Lorsque la puissance frigorifique est la plus faible, la pression BP est la plus basse. Cette régulation est à contre sens de ce qui serait nécessaire, mais avec des pressostats il n y a pas d autre moyen. La figure 7 représente la régulation pour un système avec plusieurs évaporateurs et compresseurs. La BP nominale (celle du dimensionnement) est atteinte lorsque la demande est maximale, le reste du temps la BP est à une valeur inférieure. Il y a donc fréquemment une perte de performance des compresseurs à cause de ce décalage de la BP vers le bas. Puissance frigorifique Figure 6 - Régulation par étage Plage de fonctionnement Basse Pression Dimensionnement P aux compresseurs Plage de fonctionnement Basse Pression Figure 7 - Régulation des compresseurs sur plusieurs évaporateurs White paper économies d énergie 4

10 Les différents modes de régulation de la BP La BP fixe La BP fixe corrige ce problème de décalage, car la pression va être maintenue plus ou moins constante. Il existe plusieurs méthodes de régulation, les plus utilisées sont : -la zone neutre, -le PID. La régulation à zone neutre (cf. Figure 8) consiste à définir une plage de pression autour de la consigne, dans laquelle il n y a pas de réaction du système. Si la BP dépasse de cette plage vers le bas ou le haut, un compresseur est arrêté ou démarré au bout d un délai. Ensuite, si la pression n évolue pas dans le bon sens, soit après un délai, soit à partir d une autre limite, la régulation agit sur un autre compresseur. Étant donné que cette régulation réagit à des écarts, elle ne permet pas d obtenir un système très stable. Pression Nombre de compresseurs ou étages de puissance Figure 8 - Régulation par zone neutre ++Zone +Zone Consigne -Zone --Zone Temps ZN La régulation par PID (Proportionnelle Intégrale Dérivée), figure 9, est un système de régulation complet qui prend en compte la correction des écarts (proportionnelle), la stabilisation à la consigne (Intégrale) et la réaction aux variations (dérivée). Cette méthode de régulation permet d obtenir un système plus stable et proche de la consigne, et la vitesse de réaction du système est en réponse avec la dynamique de la demande. Sur un système équipé de variation de vitesse ou d un système de régulation analogique, la régulation par PID est la plus adaptée. Pression Temps Consigne Figure 9 - Régulation par PID White paper économies d énergie 5

11 Les différents modes de régulation de la BP La BP flottante Le but de la BP flottante est de faire des économies d énergie en remontant la BP lorsque cela est possible sans impacter le bon fonctionnement de l installation frigorifique. En effet, la figure 10 représente l évolution du COP en fonction de la BP pour différentes HP. Lorsque la BP augmente, le COP augmente également. (Les valeurs sont spécifiques au compresseur pris pour exemple, il sera nécessaire de refaire la démarche pour chaque compresseur.) Le COP évolue fortement, mais de telles variations avec une régulation de la de BP ne sont pas possibles, les variations en BP flottante ne seront que de quelques degrés. La figure 11 montre pour le même compresseur, les pourcentages de variation du COP par variation d un degré de BP. Les variations vont de 2,6 à 3,5 %/K. Remonter la BP de 2 K sur le compresseur de l exemple, donnera une économie d environ de 5,3 % à 7,1 % ( (1+ 0,026)² = 1,053 ; (1+0,035)² = 1,071 ) selon le régime de fonctionnement. Remonter la BP génère des économies d énergie, le plus délicat est de déterminer dans quelles conditions il est possible de remonter la BP sans affecter le fonctionnement. La BP flottante va utiliser une technologie de régulation de la BP fixe (zone neutre ou PID), mais la consigne de la régulation va évoluer en fonction d un paramètre à définir. Le paramètre ou les paramètres qui reflètent la variation des besoins doivent être identifiés. Ce paramètre sera utilisé pour faire varier la BP. Il sera également utilisé pour définir l amplitude de variation de la BP admissible. Ce paramètre doit refléter la variation du besoin à l évaporateur, cela peut-être : -la température extérieure, -la température intérieure, -un débit de produit, -une hygrométrie, COP compresseur Variation du COP par K de BP [%/K] C Figure 10 - Évolution du COP d un compresseur en fonction de la BP pour plusieurs HP 4.4% 4.2% 4.0% 3.8% 3.6% 3.4% 3.2% 3.0% 2.8% 2.6% 2.4% 2.2% HP=20 C HP=20 C HP=30 C HP=30 C HP=40 C HP=40 C HP=50 C HP=50 C 2.0% Figure 11 - Variation en % du COP par K en fonction de la BP 50 C BP -Température saturante d évaporation [ C] BP-Température saturante d évaporation [ C] White paper économies d énergie 6

12 La consigne BP Limitation haute de la BP Dans un entrepôt frigorifique par exemple, les besoins vont varier en fonction de la température extérieure. Lorsque la température extérieure sera égale à la température de stockage (pour un stockage positif), les besoins correspondront aux apports internes. En prenant comme hypothèse que ceux-ci correspondent à 20% de la puissance nominale, il serait possible de faire le raccourcit que l écart de température entre la consigne et la BP puisse être réduit de 80% ; sauf que cela n est pas réaliste. Une réduction forte de l écart de température va avoir un impact sur le coefficient d échange de l échangeur, ce qui va réduire les performances de celui-ci. De plus, le facteur le plus limitatif sera la surchauffe. Il n est pas envisageable (sans modification) de réduire l écart (entre la BP et la consigne en circulation contre-courant, entre la BP et la température de sortie en co-courant) à une valeur inférieure à la surchauffe plus 1 degré environ. Ce calcul doit être fait sur l évaporateur le plus contraignant. En fonction des écarts entre le plus contraignant et les autres, le remplacement ou la modification de celui-ci peut s avérer rentable. Gain indirect Humidité absolue [kg e /kg as ] Enthalpie [kj/kg as ] BP Puissance frigorifique Chaleur sensible Température sèche [ C] Figure 12 - Représentation de l évolution de l air sur le diagramme de l air humide. Chaleur latente Dans certains cas, la variation de la BP entraîne également des gains indirects (économie d énergie complémentaire). Dans un évaporateur à air, l augmentation de la BP va réduire la part du refroidissement en puissance latente, ce qui revient à dire que l air sera moins séché et qu il y aura moins d énergie utilisée pour le séchage. La figure 12 représente l évolution de l air sur le diagramme de l air humide, plus la droite est pentue, plus l air sera séché et plus la puissance frigorifique sera importante, sans pour autant changer l écart de température de l air. La température de la BP donne l inclinaison de la droite, plus la BP est élevée, moins la droite sera pentue. La figure 13 représente la part de la chaleur latente sur la puissance d évaporateur dans une chambre froide à 2 C ; 80% en fonction de la BP. Le passage d un écart de 12 K à un écart de 8 K va entrainer un gain complémentaire de 10 %. Ce gain est à foisonner, car le calcul est fait à condition interne constante, alors que l humidité relative ambiante va augmenter. Part de la chaleur latente dans la puissance totale 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% Ecart de température entre la BP et le fluide à refroidir [K] Figure 13 - Part de la chaleur latente dans la puissance échangée White paper économies d énergie 7

13 La consigne BP Détermination de la bonne BP 52 Lors des calculs de la BP flottante et des économies d énergie, il faut prendre en compte d autres facteurs comme le pompage ou les ventilateurs des évaporateurs. Lorsqu il n y a pas de régulation sur ces appareils, remonter la BP est la meilleure solution. S il y a une régulation, en fonction de celle-ci, il est nécessaire de la prendre en compte afin de définir la BP qui permet d obtenir la plus faible consommation. L asservissement des ventilateurs à la demande de froid est une solution couramment utilisée pour réduire la consommation. Avec la BP flottante, lorsque la BP augmente la puissance instantanée de l évaporateur réduit, ce qui nécessite de faire fonctionner plus longtemps l évaporateur et donc les ventilateurs pour le même besoin. Et inversement, réduire la BP va réduire le temps de fonctionnement des ventilateurs. La figure 14 représente la puissance absorbée moyenne de l ensemble compresseurs et évaporateurs pour un exemple de chambre froide négative. Un calcul simple de BP flottante aurait donné une BP à -26 C, avec la prise en compte du fonctionnement asservi des ventilateurs, la consommation est réduite de 7% sur cet exemple et pour une température extérieure de 8 C. Puissance électrique cp + ev [kw] Pour une température extérieure de 8 C consigne de -21 C Température de la BP en C Figure 14 - Puissance électrique des compresseurs et évaporateurs en fonction de la BP 7% White paper économies d énergie 8

14 Économie d énergie dans les centrales frigorifiques : La basse pression flottante Concrètement sur le terrain Par rapport à un système classique à zone neutre ou PID, la BP flottante à besoin : -d une information complémentaire (par exemple une sonde de température extérieure); - d n algorithme de régulation. À cette mise en œuvre technique, il faut ajouter le calcul des valeurs de réglages et un affinage sur site des valeurs de réglage de l algorithme. La BP flottante ne peut être mise en oeuvre qu avec un régulateur adapté. Ce régulateur va donc avoir deux fonctions: - définir la consigne BP (BP flottante); - réguler la BP à la consigne (Régulation BP Fixe). Text P Câbles de puissance électrique Tuyauterie frigorifique (BP) Télécommande La régulation de la BP nécessite une mesure de la BP, un transmetteur de pression est donc relié au régulateur, comme pour les régulateurs classiques pour une BP fixe. Signal capteurs Figure 15 - Application comportant 3 compresseurs Pour déterminer la consigne BP, le régulateur a besoin d une ou plusieurs informations complémentaires. Ces informations caractérisent la variation de la demande. S il s agit de la température extérieure, un transmetteur de température doit être ajouté. Les compresseurs peuvent être pilotés soit avec les moyens classiques (tout ou rien, tiroir de puissance, électrovanne de décharge,...). Cependant, l utilisation d un variateur de vitesse pour piloter au moins un compresseur permet de maximiser l intérêt de la BP flottante. Techniquement, la mise en oeuvre d une BP flottante est aisée, elle ne nécessite qu une sonde en plus d une régulation à BP fixe. La difficulté réside dans : - le choix de la bonne valeur sur laquelle déterminer la consigne, sans oublier le positionnement du capteur, sa dynamique de variation, le bruit qu il peut y avoir,... ; - définir le bon algorithme, en fonction des installations et des valeurs choisies pour réguler ; - mettre les réglages adaptés, la BP flottante fait varier la BP de quelques degrés. Un degré d écart entre la BP optimale et la valeur régulée peut réduire fortement les économies d énergie, voire même dans certains cas augmenter la consommation. White paper économies d énergie 9

15 Les Certificats d Économie d Énergie (CEE) Le dispositif des certificats d économies d énergie repose sur une obligation de réalisation d économies d énergie imposée aux vendeurs d électricité, de gaz, de fioul domestique, de gaz de pétrole liquéfié et de chaleur ou de froid par réseaux (qui sont appelés «obligés» dans le dispositif). Une fiche standard est dédiée à la BP flottante, elle est numérotée IND-UT-15 «Régulation d un groupe de production de froid permettant d avoir une basse pression flottante». Elle s applique aux industries de manière générale. Le tableau ci-dessous représente la méthode de calcul donnant les CEE en kwh cumac : Pour une installation frigorifique de 500 kwélec en froid positif, avec une variation de 3 C grâce à la BP flottante, donne 300 MWh cumac. Pour une valorisation à 3 /MWh cumac, cela représente 900 de recette complémentaire grâce aux CEE pour l installation d une BP flottante. P compresseurs x Ecart entre la température d évaporation initiale et celle en BP flottante C x a (h cumac/ C)/ 200 Pour plus d informations sur le dispositif : White paper on Energy Efficiency 10

16 Conclusion La BP flottante est une solution peu populaire, mais qui mériterait d être plus utilisée. Même si cette solution s adapte à beaucoup de systèmes (de la climatisation à la réfrigération), elle n est pas compatible avec d autres où la température a une importance (génération de glace, condensation de gaz, séchage ) Les économies d énergie réalisables avec cette solution sont très variables et moins importantes qu avec une HP flottante. Ceci peut être compensé par une facilité technique de mise en œuvre. Cependant, l ingénierie est très importante afin de définir les meilleures lois de régulation et de paramétrer correctement ces algorithmes. Même si l installation peut être faite aisément, la mise en oeuvre devra être conduite par une personne qualifiée. La réduction de la consommation des installations frigorifiques passe par l association de plusieurs techniques permettant d économiser, plus ou moins, sur tous les postes de consommation des installations.. White paper économies d énergie 11

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