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GENIE CLIMATIQUE ET ENERGETIQUE
FICHE DE LECTURE
OPTIMISATION DES MODES OPERATOIRES DES MACHINES
FRIGORIFIQUES
Projet de Fin d’Études réalisé chez CEDRE
par William FOTI
Tuteur Entreprise : Hervé BROUCHERY
Tuteur institutionnel : Alain TRIBOIX
SEPTEMBRE 2012
Dans le contexte climatique actuel, les solutions d'économies d'énergie dans le secteur du froid sont
activement recherchées. Ce projet de fin d’études se concentre donc naturellement sur les
différentes stratégies que nous pouvons mettre en œuvre afin de réduire les consommations
énergétiques des installations frigorifiques.
Ce projet de fin d’étude s’est déroulé en trois phases. Une première phase de recherche où je me
suis concentré sur tous les principes et actions permettant de réduire les consommations
énergétiques des machines frigorifiques et qui se faisait en parallèle de la maitrise des logiciels de
simulation thermique dynamique que sont EnergyPlus et DesignBuilder. La deuxième phase a
consisté à créer un outil permettant de modéliser un groupe de production d’eau glacée sous ces
deux logiciels de simulation dynamique. La dernière phase a consisté en la validation par simulation
dynamique de stratégies permettant de faire des économies d’énergie sur la production de froid.
PHASE DE RECHERCHE : QUELS SONT LES LEVIERS D’ACTION PERMETTANT DE
REDUIRE LES CONSOMMATIONS ENERGETIQUES ?
HP flottante
La régulation dite à HP flottante consiste à adapter la pression de condensation (HP) en fonction de
l'évolution des températures du médium de refroidissement et qui permette d’obtenir la plus faible
consommation du couple compresseur/condenseur (et auxiliaires). Réduire la HP est intéressant
sur le plan énergétique : quand la HP diminue le COP des compresseurs augmente et inversement.
En matière de bénéfice, nous pouvons retenir qu’1°C gagné sur la température de condensation
permet d’économiser 2.5% sur la consommation et que ce gain peut aller jusqu’à 35% selon la
variation d’amplitude de l’air extérieur. Le temps de retour sur investissement lui se situe
généralement entre 2 et 4 ans.
BP flottante
La mise en place d’une BP flottante permet une remontée de la température d’évaporation pour
réduire le taux de compression et améliorer le COP de l’installation. La régulation à BP flottante
consiste donc à réguler la pression d’évaporation à une valeur permettant d’obtenir la plus faibles
consommation du couple compresseurs/évaporateurs (et auxiliaires).
Une augmentation d’1°C de la consigne de température d’évaporation permet des réductions
de consommation de 2.5 à 4%. Cependant l’amplitude de variation de température reste limitée de
2 à 4°C maximum.
Variation électronique de vitesse
La technologie dite à variation électronique de vitesse est une technologie très prometteuse. Dans
une installation frigorifique, nous pouvons utiliser cette technologie sur les compresseurs, les
ventilateurs et les pompes. Ces derniers fonctionnant à vitesse de rotation fixe, le réglage du débit
s’obtient par dissipation de l’énergie. La variation électronique de vitesse consiste à réguler le débit
de fluide en réduisant la vitesse de rotation du moteur (compresseur, pompe ou ventilateur) grâce à
un variateur électronique de fréquence excluant ainsi tout gaspillage d’énergie.
Cette technologie possède un large panel d’atouts : réduction de l’énergie électrique consommée,
souplesse et précision de fonctionnement, grande flexibilité de régulation, réduction du nombre de
démarrages. Pour de nombreuses machines, la variation de vitesse par variation de fréquence
permet d’améliorer les performances à charges partielles. Pour un coût d’environ 200€ par kW, le
gain énergétique varie entre 10 et 25%.
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Tuteur : Alain TRIBOIX
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MACHINES FRIGORIFIQUES
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Utilisation de moteurs à commutations électroniques
La commutation électronique joue un rôle primordial pour les condenseurs et aéroréfrigérants. A la
différence des moteurs conventionnels, dans lesquels un courant alternatif dans le stator induit le
champ magnétique dans le rotor, les moteurs à commutation électronique utilisent à cette fin des
aimants permanents. Ainsi, le courant électrique du stator est utilisé exclusivement pour générer le
couple rotatif, et non pour induire des champs magnétiques secondaires. Par conséquent, de par
son principe de fonctionnement minimisant les pertes, le moteur EC est plus efficace que le moteur
à courant alternatif.
On estime qu’un moteur à commutation électronique permet de faire une économie d’énergie
d’environ 10%.
Gestion de la marche à charge partielle
La marche à charge partielle des compresseurs diminue leurs performances. Il convient donc de ne
pas analyser uniquement les besoins maximaux et de privilégier l’installation de plusieurs machines
et d’installer au moins un variateur de vitesse sur une machine. Le gain peut atteindre 5 à
15%.
Récupération d’énergie
Un groupe froid transfère de la chaleur d’un milieu vers un autre. Il semble dès lors logique de
tenter de récupérer la chaleur sur le condenseur du groupe froid. Par la même occasion, on
améliore le rendement du groupe froid en abaissant la température de condensation.
La chaleur qui ne va pas au condenseur contribue donc à un abaissement de la température de
condensation, donc à une réduction de puissance absorbée. Une désurchauffe des gaz de
refoulement peut servir à produire de l’eau chaude sanitaire ou à satisfaire les besoins de chauffage
de locaux contigus. Si cette chaleur est limitée en quantité (de 10 à 15%), elle possède cependant
un niveau élevé (50 à 70°C). Tout en diminuant le rejet sur le circuit primaire, on peut idéalement
valoriser la chaleur récupérée.
Sous-refroidissement du liquide HP
Le sous-refroidissement d’un fluide consiste à abaisser sa température en dessous de la
température de condensation, à pression de vapeur associée. La chaleur disponible, comprise entre
+45 et +20°C, s’avère intéressante à plusieurs titres (chauffage de sols et planchers, réchauffage
d’air après déshumidification…). L’usage ciblé du sous-refroidissement améliore la qualité de la
détente et est destiné à accroître la sécurité de fonctionnement de l’installation frigorifique tout en
étant bénéfique en termes de coûts. Même si le travail du compresseur reste inchangé, le sousrefroidissement du réfrigérant liquide augmente le COP et la puissance frigorifique de 15 à 25%
selon le type de réfrigérant. À cet égard, l’amélioration du coefficient de performance de
l’installation revêt une grande importance.
Utilisation de détendeurs électroniques
Les détendeurs thermostatiques sont souvent retenus pour leur faible coût et leur capacité à gérer
correctement la surchauffe au niveau de l’évaporateur. Les détendeurs électroniques sont de plus
en plus retenus pour leurs aptitudes :
- à très bien gérer la surchauffe en ‘‘collant’’ à la valeur minimale de surchauffe stable et
d’assurer un remplissage optimal de l’évaporateur quelle que soit sa charge ;
- à s’intégrer dans des systèmes de régulations globaux (HP flottante par exemple) et
communs ;
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à mieux supporter les faibles différences de pression entre ses orifices lorsque l’on veut
réduire au maximum la pression de condensation.
Le choix d’un détendeur électronique est donc principalement énergétique. On estime à 2.5 ans le
temps de retour sur le surinvestissement.
-
PHASE DE MODELISATION : CREATION D’UN « MODULE ENERGYPLUS » PERMETTANT
DE SIMULER LES PERFORMANCE D’UN GROUPE FROID
L’une des volontés de l’entreprise était de développer ‘‘un module EnergyPlus‘’ qui permette de
simuler dynamiquement les performances d’un groupe de production d’eau glacée. Ce module
permettra ensuite de vérifier et valider par simulations dynamiques les économies d’énergies
générées par diverses stratégies d’optimisation énergétique et pourra ensuite être réutilisé par
l’entreprise pour modéliser n’importe quel groupe froid.
Une très grande partie de ce projet de fin d’étude a donc été consacrée à la maitrise des outils de
simulations thermiques dynamiques que sont EnergyPlus et DesignBuider. Cette période a été
d’autant plus longue du fait que personne ne connaissait le logiciel DesignBuilder et j’ai dû partir de
zéro, apprendre à l’utiliser et arriver rapidement à le maitriser pour ensuite pouvoir prétendre
modéliser les stratégies d’optimisation énergétique choisies.
Au fur et à mesure de l’apprentissage de ces logiciels, j’ai pu cerner les simulations des diverses
optimisations énergétiques qu’il serait possible de faire et je me suis rendu compte que tout n’allait
pas pouvoir être réalisé car le logiciel ne modélise par le fonctionnement du groupe froid mais ses
performances.
Dans EnergyPlus un groupe froid est simulé suivant trois courbes de performances modélisé à
l’aide de trois équations polynomiales relatives aux performances du groupe :
- La courbe de performances de refroidissement fonction de la température (CAPFT) qui
paramètre la variation de puissance de refroidissement comme une fonction de la
température d'eau glacée sortant de l'évaporateur et la température du fluide entrant au
condenseur.
(
) (
) (
)
) (
) (
-
La courbe d'électricité absorbée sur génération froid fonction des ratios de charges partielles
(EIRFPLR) qui paramètre la variation du ratio d'énergie absorbée pour la génération de froid
comme une fonction des ratios de charge partielle. Le ratio de charge partielle étant égal à
la charge frigorifique divisée par la puissance frigorifique nominale.
(
) (
)
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-
La courbe d'électricité absorbée sur génération froid fonction de la température (EIRFT) qui
paramètre la variation du ratio d'énergie absorbée pour la génération de froid (EIR ou
Electric Input Ratio) comme une fonction de la température d'eau glacée sortant de
l'évaporateur et la température du fluide entrant au condenseur. L'EIR correspond à l'inverse
du COP froid.
(
) (
) (
)
) (
) (
avec :
: puissance frigorifique
: inverse du COP
: ratio de charge partielle (part load ratio)
: température de l'eau glacée sortant de l'évaporateur
: température du fluide entrant au condenseur
: coefficients à déterminer
: coefficients à déterminer
: coefficients à déterminer
Dans le logiciel, il faut ensuite pour chaque courbe de performance saisir les valeurs des
coefficients. J’ai donc développé un outil capable de déterminer ces coefficients afin de pouvoir par
la suite modéliser n’importe quel groupe froid.
PHASE DE SIMULATION : VALIDATION DES STRATEGIES D’OPTIMISATION ENERGETIQUE
PAR SIMULATIONS THERMIQUES DYNAMIQUES
J’ai alors utilisé ce modèle qui a été implémenté dans un bâtiment pour la validation des diverses
optimisations énergétiques. La actions qui suivent ont été validées par simulations thermiques
dynamiques :
Augmenter la température de départ d’eau glacée à l’évaporateur
Il est nécessaire d'avoir une température de départ d'eau glacée suffisamment basse pour assurer
une climatisation efficace en été, surtout par des températures extérieures de 30°C.
Par contre, en mi-saison, il est inutile que la température d'eau glacée soit trop basse, car cela
provoque une consommation d'énergie supplémentaire par chaleur sensible au niveau des pertes
dans la distribution et par chaleur latente de déshumidification quand ce n'est pas toujours
nécessaire.
Les simulations ont montré qu'augmenter la température de départ de la boucle d'eau glacée
(initialement à 7°C) permet de diminuer les consommations pour la production de froid. A une
température de 12°C, les économies d’énergie sont de l’ordre de 10.5%. Mais au-delà de cette
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température, les gains se font au détriment du confort. En effet, lorsque la température d’eau glacée
augmente, la production de froid à l’évaporateur diminue, ce qui engendre des dérives.
Réguler la température de départ d’eau glacée en fonction de la température extérieure
Remonter la consigne de température de l’eau glacée permet de faire des économies, jusqu’à une
certaine limite puisque passé 15°C ces économies se font au détriment du confort. Une régulation
de la température de la boucle d’eau glacée en fonction de la température extérieure bien calibrée
permet de bénéficier d’un régime d’eau à bonne température pour combattre les charges et de
remonter cette température lorsque les charges diminuent afin de faire des économies d’énergies et
ce, sans engendrer d’inconfort. Les simulations affichent des économies sur la production de froid
d’environ 12%.
Cette solution ne convient cependant que si le profil de consommation du bâtiment est lié à
l’évolution de la température extérieure et que les apports internes sont constants.
Remplacement de la pompe à vitesse fixe par une pompe à vitesse variable
Le débit variable par rapport au débit fixe amène une réduction des consommations de pompage de
l'ordre de 60% et permet de faire des économies de l’ordre de 20% sur la consommation relative à
la production de froid.
Mise en parallèle de groupes froids
En ce qui concerne la mise en parallèle de deux groupes froids, l’économie est d’environ 16%
mais l’investissement est trop important pour de faibles puissances. L’argument qui justifierait un
tel choix serait plus le fait de bénéficier d’un groupe de secours.
Limiter l’énergie dépensée dans la condensation
L’humidité de l’air extérieur a une influence sur la demande de froid. En effet si l’humidité de l’air est
trop importante, lors du refroidissement de cet air, un phénomène de condensation se produit sur la
surface d’échange de la batterie froide. Les résultats montrent qu’avec un contrôle de l’humidité de
l’air entrant, nous pouvons faire jusqu’à 12% d’économie sur la production de froid, ce qui montre
bien que le phénomène de condensation consomme beaucoup d’énergie.
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