CHAPITRE 7 REFROIDISSEMENT 7.1. 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). COP HP q = w q COPR = w h h h H 2 3 = net. in 2 h1 h h h L 1 4 = net. in 2 h1 MEC-733 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 o F) 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 o F et pour la température humide de l air à l entrée du condenseur de 67 o F. 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 o F. 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 44 o F (6.7 o C) débit d eau 2.4 gpm/tonne (0.043 L/s/kW il en résulte la température de l eau à l entrée 54 o F (12.2 o C) MEC-733 7-3
Condenseur refroidi à l eau température de l eau à l entrée 85 o F (29.4 o C) débit d eau 3 gpm/tonne (0.054 L/s/kW) il en résulte la température de l eau à la sortie 95 o F (35 o C) Condenseur refroidi à l air température de l air à l entrée 95 o F (35 o C) pression barométrique 101 kpa Paramètres de l échangeur de chaleur Facteur d encrassement (côté l eau) 0.00025 h pi 2 o F/Btu (0.044 m 2 o C/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 o F (29.4 o C) à pleine charge jusqu à 60 o F (15.6 o C) à la charge zéro. Pour les condenseurs refroidis à l air la variation ci-dessus est de 95 o F (35 o C) à pleine charge jusqu à 55 o F (12.8 o C) 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
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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
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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 t cws Refroidisseur et la tour de refroidissement Compresseur Eau glacée t chws 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 Q disponible CAP_ FT= a+ b t ( tchws, tcws) = ( CAP_ FT) Q nominale chws + c t 2 chws + d t cws + e t 2 cws + f t Q disponible puissance frigorifique disponible dans les conditions actuelles pour l évaporateur et le condenseur (MBH) t chws température de l eau glacée o F t cws température de l eau à l entrée du condenseur o F puissance nominale dans les conditions ARI (MBH) Q nominale Coefficient Refroidisseur à piston Refroidisseur centrifuge a 0.58531422-0.29861976 b 0.01539593 0.02996076 c 0.00007296-0.00080125 d -0.00212462 0.01736268 e -0.00000715-0.00032606 f -0.00004597 0.00063139 chws t cws MEC-733 7-10
Courbe de pondération de la demande électrique P actuelle = P nominale * ( EIR_ FPLR) ( EIR_ FT) *( CAP_ FT) P actuelle - P nominale - 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 PLR2 PLR nominale) coefficient de charge partielle selon la puissance disponible (non la puissance Coefficient Refroidisseur à piston Refroidisseur centrifuge a 0.08144133 0.17149273 b 0.41927141 0.58820208 c 0.49939604 0.23737257 Q actuelle Q disponible PLR= Q Q disponible actuelle ( tchws, tcws) demande actuelle du refroidisseur (Btu/hre) puissance frigorifique disponible dans les conditions actuelles pour l évaporateur et le condenseur (Btu/hre) EIR_ FT= a+ b t chws + c t 2 chws + d t cws + e t 2 cws + f t chws t cws t chws t cws température de l eau glacée o F température de l eau à l entrée du condenseur o F Coefficient Refroidisseur à piston Refroidisseur centrifuge a 0.46140041 0.51777196 b -0.00882156-0.00400363 c 0.00008223 0.00002028 d 0.00926607 0.00698793 e 0.00005722 0.00008290 f -0.00011594-0.00015467 MEC-733 7-11
7.5.2. Refroidisseurs à détente directe et avec les condenseurs refroidis à l air Courbe de pondération de la puissance frigorifique CAP _ FT Q disponible = a + b t ( twb, todb) = ( CAP_ FT) Q nominale wb + c t 2 wb + d t odb + e t 2 odb + f t wb t odb Q disponible puissance frigorifique disponible dans les conditions actuelles pour l évaporateur et le condenseur (MBH) Q nominale puissance nominale dans les conditions ARI (MBH) t wb température humide de l air à l entrée du serpentin t odb 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 P actuelle P nominale EIR_FPLR P actuelle = P nominale * ( EIR_ FPLR) ( EIR_ FT) *( CAP_ 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 du serpentin EIR_FT pondération de la puissance nominale due à des variables environnementales ( EIR_ FPLR) = a+ b PLR+ c PLR2+ d PLR3 PLR - coefficient de charge partielle selon la puissance disponible a = 0.2012301 b = -0.0312175 c = 1.9504979 d = -1.1205105 EIR_ FT= a+ b t wb + c t 2 wb + d t odb + e t 2 odb + f t wb t odb a = -1.0639310 d = 0.0154213 b = 0.0306584 e = 0.0000497 c = -0.0001269 f = -0.0002096 MEC-733 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 1 o F (environ 3% par 1 o C). 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 o F 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 6 o C 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 o F. 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 1 o F 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. MEC-733 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. MEC-733 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 o F, c est-à-dire de 35 o F 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 o F, c est-à-dire de 105 o F 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. MEC-733 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$/kWh. Cette action permet une circulation adéquate de l air extérieur à travers le condenseur ce qui se traduit par une baisse de la température de l air extérieur traversant le condenseur de 46.1 à 35 o C. Évaluation rapide Dans une méthode d évaluation rapide on admet que le coût d opération à pleine charge de la machine pendant 2000 heures par année est un équivalent du coût d opération réel de la machine. La quantité d énergie requise par le compresseur à 46,1 C La quantité d énergie requise par le compresseur à 35 C = 2 000 49,76 kw = 99 520 kwh = 2 000 42,3 kw = 84 600 kwh Énergie économisée = 99 520 84 600 = 14 920 kwh MEC-733 7-27
Économies = 14 920 kwh 0,05$/kWh = 746$/an Évaluation plus détaillée Il est à noter que la méthode ci-dessus est applicable seulement aux calculs approximatifs et une méthode plus précise est nécessaire pour une évaluation appropriée. Pour ces fins, on peut utiliser par exemple la méthode BIN qui permet de prendre en considération la variation de la charge frigorifique en fonction de la température extérieure. Pour déterminer l impacte de cette mesure, il faut faire les calculs dans deux étapes : 1. Calculs relatifs au cas actuel : la charge de frigorifique de la machine est calculée pour chaque tranche de température extérieure ; la capacité de la machine et la puissance du compresseur sont calculées pour chaque tranche en admettant cependant que la température de la tranche est supérieure à la température extérieure d environ 11 o C (46.1 35 = 11.1 o C). 2. Calculs relatifs au cas après l enlèvement des matériaux empilés autour du condenseur : la charge de frigorifique de la machine, la capacité de la machine et la puissance du compresseur sont calculées pour chaque tranche de température extérieure. Nettoyage des évaporateurs et des condenseurs On utilisait un refroidisseur centrifuge 880kW avec une tour de refroidissement pour la production d eau glacée demandée par un système de climatisation. Lors d une analyse, il fut remarqué qu il y avait formation d algues sur les surfaces mouillées de la tour de refroidissement. La purge de l eau visant à contrôler les dépôts de minéraux et de réactifs se faisait en continu. Aucun essai chimique et de traitement d eau n était assuré. Lors d un arrêt de l usine, il fut constaté que les surfaces de transfert de chaleur de l évaporateur et du condenseur étaient encrassées. Un entrepreneur fut embauché pour nettoyer le matériel au coût de 1 700$ 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) : 1,7 C = 274, 7K Température de condensation du fluide frigorigène (surfaces encrassées) : 46,1 C = 319,1 K Température d aspiration du fluide frigorigène (surfaces propres) : 7,2 C = 280,2 K Température de condensation du fluide frigorigène (surfaces propres) : 40,6 C = 313,6 K MEC-733 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) coefficient de performance (surfaces propres) L = 0,25 ( T T ) H T L = 0,25* ( T T ) * Les coefficients de performance réels sont estimés à 0,25 COP (théorique) H T L L 274,7 = 0,25 = 1,55 319,1 274,7 280,2 = 0,25 = 2,10 313,6 280,2 Modification du coefficient = ( 2,10 1,55 ) 100 = 35 % (amélioration) 1,55 Puissance nécessaire pour un refroidissement de 880 kw : Surfaces encrassées 880 880 = 568 kw Surfaces propres = 419 kw 1,55 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 Investissements 4800 $ = = = 0,72 année (9 mois) Économies 6705 $ 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. MEC-733 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. MEC-733 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. MEC-733 7-32