Gains énergétiques et vitesse variables des compresseurs frigorifiques Abdoul BENAMER, Denis CLODIC ECOLE DES MINES DE PARIS Centre D Energétique 60, boulevard Saint-Michel 75272 PARIS Cedex 06 Résumé L utilisation de la variation électronique de vitesse (VEV) est en train de se répandre pour les ventilateurs et les pompes. Par contre, pour les compresseurs des systèmes frigorifiques ou de climatisation, le surcoût est élevé et le gain énergétique associé à la variation de vitesse du compresseur est difficile à évaluer. Cette communication : présente la conception du banc d essais réalisé au Centre d Energétique de l Ecole des Mines de Paris avec le soutien de l ADEME. explicite les principes d une comparaison entre des systèmes frigorifiques à vitesse fixe et à vitesse variable. donne les premiers résultats de comparaison pour un compresseur Scroll à vitesse fixe et un compresseur Scroll à vitesse variable. Ces premiers résultats montrent que la variation électronique de vitesse pour les compresseurs suppose que le compresseur lui-même et son moteur électrique soient développés spécifiquement avec le variateur de fréquence. D autre part, le système frigorifique complet doit intégrer la vitesse variable du compresseur. Introduction Il existe une relation directe entre économies d exploitation et performances des installations. La variation électronique de vitesse pour les moteurs électriques des ventilateurs et des pompes de circulation présente de nombreux avantages, et le surcoût du variateur de fréquence est considéré comme acceptable dans de nombreux cas. Par contre, la VEV appliquée aux compresseurs frigorifiques reste encore un domaine peu développé et cette étude vise à évaluer les gains énergétiques qui y sont associés. 1 - Conception du banc d essais 1.1 - Régulation Les installations frigorifiques sont dimensionnées pour la charge thermique maximale. Le fonctionnement à ce régime nominal est exceptionnel. Comme l indique la figure 1, les besoins frigorifiques sont variables dans le temps et, dans de nombreuses applications, les temps de fonctionnement à puissance réduite constituent l essentiel des fonctionnements. Durée de fonctionnement % 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Puissance frigorifique % Figure 1 - Exemple de variation des besoins frigorifiques dans le temps Pour les installations de petite et de moyenne puissances, les compresseurs fonctionnent selon une succession de cycles marche/arrêt. Pour répondre à la variation des besoins thermiques les concepteurs installent plusieurs compresseurs en parallèle, ce qui permet un fractionnement simple de la puissance frigorifique. Par contre, pour les puissances importantes, ce concept ne peut pas être utilisé et il faut un dispositif de variation de puissance sur le compresseur lui-même. C est le cas pour les compresseurs à vis ou centrifuges. A. Benamer, D. Clodic - Ecole des mines de Paris Centre d Energétique (30.09.98) 1
1.2 - La variation de vitesse L adaptation du débit de fluide frigorigène aux besoins frigorifiques par variation de la vitesse de rotation avec un variateur électronique est énergétiquement intéressant. Cette variation permet une proportionnalité de la puissance électrique absorbée à la puissance frigorifique appelée. 1.2.1 - Le système de compression Les quatre technologies principales de compresseurs : à piston, spiro-orbitaux, à vis et centrifuge ne peuvent pas utiliser la variation de fréquence de la même manière. En règle générale, un compresseur développé pour la vitesse variable aura une vitesse de rotation nettement supérieure au compresseur de même technologie fonctionnant à vitesse fixe. Typiquement, les compresseurs Scroll ou à vis fonctionnent à une vitesse de 6 à 7 000 tr/mn alors que les technologies à vitesse fixe fonctionnent à 3 000 tr/mn. Ces modifications ont des conséquences importantes pour les tolérances de fabrication et pour le système de lubrification. Pour les compresseurs alternatifs à pistons de moyenne et de grandes puissances, il n est pas souhaitable d accroître la vitesse de rotation. Cette technologie de compresseur est donc peu prometteuse pour l utilisation de la vitesse variable. Pour les compresseurs centrifuges, compte tenu du principe même du compresseur, le taux de compression est directement relié à la vitesse de rotation. Si on modifie la vitesse, on modifie aussi l écart de pression entre source et puits. Il n est donc possible d utiliser la vitesse variable pour les compresseurs centrifuges que si l on peut faire glisser soit les températures de condensation, soit les températures d évaporation. Cette contrainte limite fortement l utilisation de la VEV pour les compresseurs centrifuges, même si un fabricant de compresseurs l utilise associée à la baisse de température de condensation. Figure 2 - Compresseur Scroll (Source : D.T. Mitsubishi) 1.2.2 - L électronique de puissance Les convertisseurs possèdent en général de hautes valeurs de rendement. Ces valeurs sont fonction de la charge à entraîner et de la puissance électrique du moteur. Ces variateurs sont constitués de redresseurs, d un circuit intermédiaire et d un onduleur. Ce sont les fréquences de commutation (plus particulièrement la vitesse de commutation) des transistors de l onduleur qui perturbent les appareils environnants. Les harmoniques transmises par rayonnement et/ou par conduction peuvent être éliminées par des filtres, des câbles blindés et des cages de Faraday. 1.2.3 - Le moteur électrique La plupart des moteurs utilisés dans l industrie du froid sont des moteurs à deux paires de pôles, dont la vitesse de rotation est de 3 000 tr/mn. L application de la vitesse variable à cette technologie de moteur, engendre une faible plage de régulation. Cette limite est générée par la limite haute des moteurs électriques. Il n'y a aucune contradiction à faire tourner un moteur électrique à de faibles vitesses de rotation. Ainsi la Variation Electronique de Vitesse (VEV) ne permet des gains énergétiques que si elle est intégrée dès la conception du compresseur et aussi celle de l installation. La plage de variation va de la limite basse fixée par la lubrification du compresseur, à la limite haute fixée par la vitesse de rotation maximale du moteur électrique. Les vitesses de rotation des modèles VEV varient entre 1 000 tr/mn et 7 000 tr/mn, d où une aisance de variation de la puissance frigorifique. A. Benamer, D. Clodic - Ecole des mines de Paris Centre d Energétique (30.09.98) 2
1.3 - Le banc d essais 1.3.1 - Description Le banc expérimental représente une installation frigorifique eau / eau. L installation comprend : deux échangeurs bi-tube, le condenseur et l évaporateur, une cuve d eau et un système de chauffage permettant de simuler différentes inerties (P = 20 kw), un ordinateur doté d un système de supervision et de commande, un compresseur de technologie Scroll, vitesse de rotation nominale de 6 750 tr/mn (400VAC, 116Hz), un compresseur de technologie Scroll, vitesse de rotation nominale de 2 950 tr/mn (400VAC, 50Hz), une régulation pour le fonctionnement à vitesse variable, une régulation pour le fonctionnement à vitesse fixe, puissance frigorifique 13 kw (T o = 0 C, T k = 30 C). a) Vue des compresseurs et de l électronique de puissance b) Vue du stock d eau et du PC d acquisition Figure 3 - Photos du banc d essais Le banc est composé de deux parties distinctes : un groupe de compression et variateur électronique et un groupe évaporation condensation. 1.3.2 - Circuit frigorifique Conçu pour l étude des consommations électriques des compresseurs, ce banc d essai permet d étudier : la régulation des systèmes à vitesse fixe, les gains énergétiques associés à la haute pression flottante sur les systèmes à vitesse fixe et variable, la comparaison de différents types de détendeurs pour les systèmes à vitesse fixe et variable. Le circuit frigorifique est présenté figure 4. Le compresseur à vitesse variable est utilisé avec le détendeur électronique. Par contre, le compresseur à vitesse fixe est utilisé avec le détendeur thermostatique usuel. Figure 4 - Représentation du circuit frigorifique A. Benamer, D. Clodic - Ecole des mines de Paris Centre d Energétique (30.09.98) 3
L instrumentation a été effectuée selon les recommandations de la norme ISO917 [NOR89] 2 - Comparaison des consommations d énergie des systèmes à vitesse fixe et à vitesse variable Pour les systèmes à vitesse fixe, on constate que la consommation d énergie n est pas proportionnelle à la charge thermique. Moins cette charge thermique est importante plus la consommation énergétique l est. Ces constats ont été faits en réalisant des scénarios thermiques où les charges sont variables de 10 à 100% par pas de 10%. Ces scénarios thermiques discrétisés permettent la comparaison des consommations d énergie des deux types de compresseurs : à vitesse et à vitesse variable. Cette méthodologie a l avantage de la simplicité et ne dépend pas des scénarios thermiques extrêmement variables que l on peut trouver dans les différentes applications industrielles. Pour chaque étage de charge thermique, nous obtenons l information de consommation électrique du compresseur. La consommation du compresseur à vitesse fixe est la somme des temps de marche qui sont fonction de la charge thermique. Figure 5 - Evolution de la puissance absorbée du compresseur en fonction de la charge thermique a) charge thermique de 20% de la puissance nominale b) charge thermique de 80% de la charge thermique nominale Figure 6 : comparaison des temps de marche et arrêt du compresseur à vitesse fixe en régulation T.O.R. Les figures 6a et 6b représentent deux évolutions de température du fluide à refroidir. Les droites représentent les limites haute et basse de la température de consigne, qui est de 16 C (±2 C). Les deux figures se différencient par les valeurs des charges thermiques, qui modifient les temps de marche et d arrêt du compresseur, donc du temps de cycle (somme du temps de marche et du temps d arrêt). La régulation associée au compresseur à vitesse fixe est de type Tout Ou Rien (TOR), c est-à-dire que lorsque la température du fluide à refroidir est égale et ou inférieure à la limite basse de la température de consigne, le compresseur s arrête. Lorsqu elle est supérieure ou égale à la limite haute de la température de consigne le compresseur se met en fonctionnement. A. Benamer, D. Clodic - Ecole des mines de Paris Centre d Energétique (30.09.98) 4
3 - Premiers résultats de la comparaison vitesse fixe et variable 3.1 - Régulation de la température de sortie d évaporateur Que ce soit pour un système monocompresseur ou multicompresseurs, lorsque la régulation est de type marche/arrêt on constate, comme sur la figure 7b, que la température de sortie d évaporateur oscille de part et d autre de la température de consigne en fonction du différentiel de consigne. Ici il est de ± 2 K. S il était réduit à ± 1 K, le nombre d oscillations serait bien plus grand, ce qui peut devenir incompatible avec le fonctionnement même du compresseur. Avec la vitesse variable, on peut constater sur la figure 7a que la température de consigne, ici fixée à 14 C, est maintenue avec des variations extrêmement fines ce qui constitue un avantage potentiel significatif des systèmes à vitesse variable. En particulier pour tous les procédés demandant des ajustements précis des températures d échange. Température 20 18 16 14 12 10 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Temps (s) Températu 20 18 16 14 12 10 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Temps ( a) régulation VEV b) régulation vitesse fixe(vf) Figure 7 - Evolution de la température du milieu à refroidir 3.2 Comparaisons des consommations électriques Une fois connues les consommations d un compresseur à vitesse variable et d un compresseur à vitesse fixe pour les 10 pas de puissance variant de 10 à 100 %, il a été vérifié qu il est possible de prévoir la consommation pour des scénarios thermiques divers en agrégeant les consommations élémentaires mesurées pour chaque pas de puissance. Deux exemples sont présentés sur les figures 8 et 9 avec des variations de charge thermique sensiblement différentes entre le scénario thermique n 1 et le scénario thermique n 2. Une durée de 24 heures a été choisie comme référence de temps pour ces scénarios. Figure 8 - Scénario thermique n 1 A. Benamer, D. Clodic - Ecole des mines de Paris Centre d Energétique (30.09.98) 5
Figure 9 - Scénario thermique n 2 4. Conclusions Les résultats de mesure montrent que la réduction de consommation électrique sur une journée est de 18% pour le scénario thermique 2 et de 13% pour le scénario thermique n 1. Les mesures mettent en évidence un accroissement des gains énergétiques lorsqu il y a accroissement des temps de fonctionnement à faible charge thermique. Des procédés industriels vont être étudiés pour analyser des temps de fonctionnement typiques hors du régime nominal et pour connaître la variation des niveaux de charge thermique. Ceci permettra de prévoir, sur une base annuelle, les gains énergétiques associés à la vitesse variable et permettra aussi le calcul du temps de retour d installations de ce type. Références [BEN97] Benamer, A. et Clodic, D. Analyse et simulation de systèmes frigorifiques à vitesse variable. Rapport final ADEME/ARMINES, décembre 1997. [GAV96] Gaveau, O., Ben Yahia, M. et Clodic, D. Etude des compresseurs à vitesse variable. Rapport ADEME/EDF, mai 1996. [ROL96] Rolfsman, L. Screw compressor capacity regulated by stepless control. ABB review, 1996. [RUO88] Ruohoniemi, T.J. Measured efficiency of variable speed drives in heat pumps. Ashrae, 1988 vol. 94, part 2. [TAS93] Tassou, S.A. et Al-Nizari, H.O. Effect of refrigerant flow control on the thermodynamic performances of reciprocating chillers. Applied Energy, 1993. [NOR89] Norme internationale : «Essais des compresseurs pour fluide frigorigène», ISO 917, 1989 (F). A. Benamer, D. Clodic - Ecole des mines de Paris Centre d Energétique (30.09.98) 6