La régulation frigorifique en climatisation des bâtiments

8/13/2019 La rgulation frigorifique en climatisation des btiments

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LA RGULATION DES INSTALLATIONS FRIGORIFIQUES EN CLIMATISATION DE BTIMENT

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1. FONCTIONNEMENT DUNE INSTALLATION FRIG0RIFIQ

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1. FONCTIONNEMENT DUNE INSTALFRIGORIFIQUE DE CLIMATISATION

1.1 Linstallation frigorifique, vue de lextrieur.

Dans les installations de climatisation, la machine frigorifique permet d'vacuer versl'extrieur la chaleur excdentaire des locaux.

En pratique, elle prpare de l'air froid ou de l'eau froide qui viendront compenser lesapports de chaleur du soleil, des quipements de bureautique,des occupants,... de tellesorte que le bilan chaud-froid soit l'quilibre et que la temprature de consigne soitmaintenue dans les locaux.

La technique la plus simple consiste prparer de l'air froid qui sera diffus via des gainesde distribution.

distribution de lair froid dans le btiment

traitement de lair dans des caissons de climatisation


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1. FONCTIONNEMENT DUNE INSTALLATION FRIG0RIFIQUE DE CLIMATISATION

Pour le groupe frigorifique, on distingue deux modes principaux d'action :

soit le fluide frigorigne refroidit l'air en passant directement dans la batterie derefroidissement : on parle de "systme dtente directe" parce que l'vaporateur de la

machine frigorifique prend la place de la batterie de froid dans le caisson de climatisation.

rfrigration " dtente directe"

soit l'installation frigorifique prpare de l'eau froide ...6C... (gnralement appele"eau glace"), eau qui alimentera la batterie de refroidissement du caisson detraitement d'air.

rfrigration par circuit d'eau glace


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Mais le transport de froid par l'air est trs coteux l'investissement (gainage). A titred'exemple, comparons l'encombrement demand pour le transfert de 10 kW de froid :

transport par air transport par eau

t : 9C ( de +16 puls t : 5C ( boucle deau glace+25C dambiance, par ex.) au rgime 7 - 12C,par ex.)

Dbit d'air : 3270 m3/h Dbit d'eau : 1,72 m3/hVitesse : 15 m/s Vitesse : 0,8 m/sSection de gaine : 300 x 220 mm ( ou 300 mm) Diamtre de conduite : 40 mm

De plus, l'exploitation, la consommation des ventilateurs reprsente de 10 30 % del'nergie transporte contre 2% pour la consommation des pompes de circulation.

Aussi, on rencontre souvent des installations o le refroidissement des locaux estprincipalement assur par de l'eau glace alimentant les batteries froides des ventilo-convecteurs.Un complment de froid peut tre donn par le rafrachissement de l'air neuf de ventilation.

circuit d'eau glace pour l'air neuf et les ventilo-convecteurs


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Bien sr, "produire du froid" sous-entend vacuer de la chaleur. Aussi, l'extrieurdu btiment, souvent en toiture, on trouvera un quipement charg de refroidir

1. soit le fluide frigorigne directement:c'est le condenseur de l'installationfrigorifique

2. soit de l'eau, qui elle-mme sert refroidirle fluide frigorigne : c'est la tour de refroi-dissement. On distingue trois types de tour :

la tour ouverte : leau est pulvrise devantun ventilateur et le refroidissement estalors renforc par la vaporisation partiellede cette eau (la chaleur de vaporisation est pompe sur la goutte deau qui reste etqui donc se refroidit). Aprs refroidisse-ment,cette eau sera conduite vers un conden-seur eau se trouvant prs du compresseur.

la tour ferme : leau venant du condenseurreste lintrieur dun circuit tubulaireferm,mais se fait arroser par un jet deaude refroidissement. Cette eau, svaporantpartiellement, sera galement fortementrefroidie. Mais cette fois, leau qui a t aucontact de lair extrieur (son oxygne etses poussires), nest plus en contact directavec le condenseur eau vitant de bienpnibles ennuis de corrosion...variante : le condenseur vaporatif : lestubes,arross par le jet deau de refroidisse-ment,sont parcourus par le fluide frigorignelui-mme. Avantage : en hiver, il peut

fonctionner uniquement lair. Le rfrig-rant est incongelable.....

le dry cooler : il sagit dune tour ferme,que lon narrose pas, que lon refroiditsimplement par lair extrieur puls par desventilateurs. Cette batterie dchangeconvient en toute saison, puisque en ajoutantun antigel (type glycol), elle est insensible augel. Elle nest pas aussi performante que lesprcdentes puisque la temprature de

refroidissement est limite la tempraturede lair extrieur..

condenseur

tour ouverte

tour ferme

dry cooler


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1.2 L'installation frigorifique, vue de l'intrieur

Ce transfert de chaleur, entre intrieur et extrieur, ne peut se faire que si un quipementrehausse le niveau de temprature entre le milieu o la chaleur est prise (air ou eau) et lemilieu o la chaleur est vacue (air extrieur) : c'est le rle de la machine frigorifique.

Elle se compose au minimum des 4 lments suivants : 1 vaporateur. 1 condenseur 1 compresseur 1 organe de dtente

Voici le fonctionnement de chacun de ces composants.

Au dpart, les proprits physiques du fluide frigorigne

La machine frigorifique est base sur la proprit des fluides frigorignes de svaporer et

de se condenser des tempratures diffrentes en fonction de la pression.

Prenons le cas du fluide R 22 : la pression atmosphrique :

il est liquide - 45C et se met bouillir aux alentours de -40C.> si du fluide R22, liquide -40C, circule dans un serpentin et que lair 20 C passe

autour de ce tuyau, lair se refroidira: il cdera sa chaleur au fluide qui lui svaporera.Cest le rle de lvaporateur de la machine frigorifique.

la pression de 13 bars,cette fois, le R22 ne bout qu 33C.> autrement dit, si de la vapeur de fluide 13 bars et 65C circule dans un serpentin

et que de l'air 20 C passe autour de ce tuyau, le fluide se refroidira et partir de33C, il se liqufiera, il se condensera. En se condensant, il va librer normment dechaleur. Cest le rle du condenseur de la machine frigorifique

Si lon souhaite donc que le fluide puisse prendre de la chaleur :> il doit tre basse pression et basse temprature sous forme liquide, pour lui

permettre de svaporer.

Si lon souhaite quil puisse cder sa chaleur :> il doit tre haute temprature et haute pression, sous forme vapeur, pour lui

permettre de se condenser.

Pour raliser un cycle dans lequel de la chaleur est extraite dun ct et donne de lautre,il faut complter linstallation par 2 lments :1. le compresseur, qui comprime le gaz en provoquant laugmentation de temprature

jusqu + 65C et plus, en fonction de la pression.2. le dtendeur, qui est un dispositif qui lche la pression du fluide ltat liquide : il

se vaporise partiellement et donc se refroidit. Ceci permet au liquide de retomber latemprature de -40C (bien sr,on choisira -40C pour faire de la conglation,et entre0C et +5C pour de la climatisation,nous verrons ultrieurement comment).

Si ces diffrents quipements sont boucls sur un circuit,on obtient une machine frigorifique.En pratique, suivons le parcours du fluide frigorigne dans les diffrents quipements etreprons le trac de l'volution du fluide frigorigne dans le diagramme des thermo-dynamiciens,le diagramme H-P,enthalpie (ou niveau d'nergie) en abscisse et pression en

ordonne.


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dans l'vaporateur

Le fluide frigorigne liquide entre en bullition et s'vapore en absorbant la chaleur dufluide extrieur. Dans un deuxime temps, le gaz form est lgrement rchauff par lefluide extrieur,c'est ce qu'on appelle la phase de surchauffe.

dans le condenseur

Le gaz chaud provenant du compresseur va cder sa chaleur au fluide extrieur . Lesvapeurs de fluide frigorigne se refroidissent (dsurchauffe), avant l'apparition de la pre-mire goutte de liquide (point 3).Puis la condensation s'effectue jusqu' la disparition de

la dernire bulle de vapeur(point 4). Le fluide liquide peut alors se refroidir de quelquesdegrs (sous-refroidissement) avant de quitter le condenseur.

dans le compresseur

Le compresseur va tout d'abord aspirer le gaz frigorigne basse pression et basse tem-prature. L'nergie mcanique apporte par le compresseur va permettre d'lever lapression et la temprature du gaz frigorigne.Une augmentation d'enthalpie en rsultera.

fonctionnement du condenseur

fonctionnement du compresseur

fonctionnement de lvaporateur


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dans le dtendeur

La diffrence de pression entre le condenseur et l'vaporateur ncessite d'insrerun dispositif abaisseur de pression dans le circuit. C'est le rle du dtendeur. Le fluidefrigorigne se vaporise partiellement dans le dtendeur pour abaisser sa temprature.

diagramme enthalpique du cycle frigorifique

fonctionnement complet

Le cycle est ferm, le fluide frigorigne volue sous l'action du compresseur dans lesquatre lments constituant la machine frigorifique.

cycle frigorifique lmentaire

fonctionnement du dtendeur

L'ensemble du cycle peut tre reprsentdans le diagramme enthalpie-pression.Sous la courbe en cloche se situent lestats de mlange liquide-vapeur ; gauchede la cloche, le fluide est ltat liquide (ilse sous-refroidit ), droite, le fluide est ltat vapeur (il surchauffe ).


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1.3 Un fonctionnement en quilibre permanent

Le cycle rel de fonctionnement d'une machine frigorifique se stabilise partir des tempraturesdu milieu qu'il faut refroidir, de l'air extrieur o la chaleur est rejete, et des caractristiquesdimensionnelles de l'appareil.Ainsi, la temprature d'vaporation se stabilisera quelques degrs en dessous de latemprature du fluide refroidi par l'vaporateur. De mme,la temprature de condensationse stabilisera quelques degrs au-dessus de la temprature du fluide de refroidissementdu condenseur.

Or,les besoins de froid voluent en permanence et la temprature extrieure varie toute l'anne !

Tout cela va bien sr entraner une modification du taux de compression et une variationde la puissance absorbe.En fonction du rgime d'vaporation et de condensation, le compresseur aspireraun dbit masse plus ou moins grand de fluide frigorigne dfinissant ainsi la puissance

frigorifique l'vaporateur et calorifique au condenseur.

volution des fluides dans le condenseur

volution des fluides dans lvaporateur

Exemple :Afin d'imaginer ces volutions,partons d'un cas concret.

Evaporateur : la boucle d'eau gla-ce fonctionne au rgime 5-11.L'change de chaleur s'effectue endeux phases : bullition du fluide

surchauffe des vapeursLa temprature d'vaporation quis'tablit est de 0C.Dans le cas duR22, ceci correspond une bassepression de 4 bar (lecture dumanomtre), soit 5 bar absolu(compar au vide).

Condenseur : le condenseur estdirectement refroidi par l'air ext-rieur. Supposons que celui-cientre 30C dans le condenseur.L'change de chaleur s'effectue entrois phases : dsurchauffe des gaz chauds

provenant du compresseur condensation du fluide sous-refroidissement du liquideLa temprature de condensationqui s'tablit est de 40C. Dans lecas du R22, ceci correspond unehaute pression de 14,5 bar, soit15,5 bar absolu.


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Analysons le comportement du compresseur sur base des caractristiques nominalesdonnes par le fournisseur.

Supposons prsent que le condenseur soit mal entretenu. L'change de chaleur se faitmoins bien, la temprature du liquide s'lve l'entre du dtendeur, la tempratured'vaporation s'lve galement de 1 ou 2, si bien que le compresseur va travailler

davantage et va augmenter la pression de sortie des gaz. Une nouvelle tempraturede condensation va se mettre en place : supposons qu'elle atteigne une tempraturede 50C.Le diagramme constructeur prvoit une augmentation de la puissance lectrique absorbe:7 kW, pour une puissance frigorifique diminue: 18,2 kW...Le "rendement" de la machine s'est dgrad: avant : 21,9 kW produits / 6,3 kW absorbs = 3,5 aprs : 18,2 kW produits / 7 kW absorbs = 2,6

On dira que "l'efficacit nergtique" de la machine frigorifique a diminu de 25 % (voir chap.3).

A noter que l'on serait arriv au mme rsultat si la temprature extrieure s'tait leve de 10.

extrait dun catalogue de compresseurs

On constate que pour unetemprature d'vaporation de0C et pour une tempraturede condensation de 40C, la puissance lectrique absor-

be par le compresseur serade 6,3 kW

la puissance frigorifique don-ne l'vaporateur sera de21,9 kW

Remarque : en ralit, une adaptationde quelques pour centdevrait avoir lieucar le constructeur fournit des indica-tions pour un fonctionnement normalisde son appareil (surchauffe de 25K,sous-refroidissement de 0 K selon DIN 8928 et bientt la CEN) mais ceci dpassela portede ce document


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2. TECHNOLOGIE DES COMPOSANTS

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2. TECHNOLOGIE DES COM

2.1 L'vaporateur

L'vaporateur retire de la chaleur au fluide refroidir. Sil refroidit de l'eau glace, onl'appelle "chiller". Sil refroidit directement l'air de climatisation, l'vaporateur est appel"batterie de froid".

Conception de plusieurs types : l'vaporateur lamelles, pour refroidir de l'air, avec convection force par ventilateur. l'vaporateur faisceau tubulaire,pour le refroidissement de l'eau glace des installations

de climatisation (les changeurs plaques sont de plus en plus frquents pour les chillers).

Paramtres de dimensionnement: la puissance frigorifique voulue, les caractristiques du fluide secondaire l'entre, l'encombrement, la vitesse de passage du fluide, le dbit de fluide, les pertes de charge admises, la nature du fluide rfrigrant, les tempratures d'vaporation et de condensation du fluide frigorigne. le cot de lnergie compar au cot de la machine.

2.2 Le compresseur

On distingue plusieurs principes de fonctionnement :compresseurs pistons, vis, turbocompresseurs, compresseurs Scroll. De plus, pourchacun dentre eux, diffrents types de montage sont possibles.

Dcrivons les principales configurations :

compresseur ouvert

Compresseurs pistons, construction ouverte

Dans ce groupe de compresseurs, le moteuret le compresseur ne sont pas dans le mme

logement. L'arbre d'entranement (vilebrequin)merge du carter du compresseur ; on peut yraccorder un moteur lectrique, diesel ou gaz.

La puissance est rgle par mise l'arrtde certains cylindres ou par changement dergime du moteur d'entranement.

On utilise les compresseurs de constructionouverte dans les installations d'une puissancede rfrigration jusqu' 500 kW.


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2. TECHNOLOGIE DES COMPOSAN

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Compresseurs pistons, construction semi-hermtique ( ou hermtique accessible )

Compresseur et moteur d'entranement sontlogs dans un carter commun. L'entranementest habituellement assur par un moteurlectrique qui est refroidi par les gaz froidsdu rfrigrant (gaz aspirs). Pour les rparations,on peut accder chaque partie de la machineet mme sparer le compresseur du moteur.

La puissance est rgle par mise hors servicede certains cylindres ou par changement dergime du moteur d'entranement.

On utilise des compresseurs de constructionsemi-hermtiques dans des installations jusqu' 100 kW ou, en recourant plusieurscompresseurs, jusqu' 400 kW environ.

Compresseurs hermtiques pistons

Compresseur et moteur lectrique sont logsdans une enveloppe soude. Les rparationssont exclues. Ds lors, un organe de scuritcontre la surchauffe (Klixon) est incorpor.Grce cette scurit thermique, monte dansles enroulements du moteur ou surces derniers, l'alimentation lectrique seracoupe lors d'une surchauffe du moteur.Dans ce cas aussi, le moteur est refroidi parles gaz aspirs.

En principe, la puissance de rfrigrationne peut pas tre rgle.

On installe des compresseurs hermtiques pistons dans de petits appareils (rfrigra-teurs, climatiseurs compacts) ou dans desinstallations d'une puissance jusqu' 30 kWenviron.

compresseur hermtique

compresseur semi hermtique pistons


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Turbocompresseurs

Type :machine ouverte ou ferme. Plage d'utilisation : les trs grosses puissances,

au-del de 1000 kW. Fonctionnement : une turbine rgime lev

comprime le gaz de rfrigration.L'entranement est assur par un moteurlectrique.

Rgulation : on peut trs facilement adapterla puissance des turbocompresseurs. Plagede rglage : de 40 100% avec une bonneefficacit .Les variations de puissance s'obtiennent parrglage des vantelles l'oue d'aspiration

de la turbine.

A faible charge,ils sont cependant plus dlicatsque les compresseurs pistons et les frais derparation sont levs. On vitera donc lesurdimensionnement des quipements

Compresseurs vis

Type :machine ouverte ou ferme. Plage de rglage : de 10 100% avec un

rendement assez constant. Fonctionnement : le fluide frigorigne gazeux

est comprim par une vis hlicodale(un peu comme dans un hache-viande)tournant grande vitesse. Le compresseurest entran par un moteur lectrique.Les variations de puissance s'obtiennentdans les grosses machines par l'action d'un tiroir qui dcide de lutilisation dune plusou moins grande longueur de vis dans lacompression des gaz, et donc induit un plusou moins grand taux de compression. Dans

les petites machines, toujours trs grandescompares des compresseurs piston, lamodulation de puissance sobtient parvariation de la vitesse de rotation ou parutilisation de ports daspiration auxiliaires,soit par les deux.

Les avantages du compresseur vis sont safaible usure et son rglage facile. Il est toutefoisencore coteux.

Depuis peu, on utilise le compresseur vispour des puissances de rfrigration partirde 20 kW environ.

turbo compresseur

compresseur vis


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Le compresseur SCROLL

Le compresseur SCROLL est compos de deuxrouleaux identiques en forme de spirale.

Le premier est fixe, le second dcrit unmouvement circulaire continu sans tournersur lui mme.Les spirales sont dphases de 180.

Le mouvement orbital entrane le dplacementvers le centre des poches de gaz,ce dplacementest accompagn d'une rduction progressivede leur volume jusqu' disparition totale.C'est ainsi que s'accomplit le cycle de compressiondu fluide frigorigne.

La rduction du nombre de pices par rapport un compresseur pistons de mme puissanceest de l'ordre de 60%. L'unique spirale mobileremplace pistons, bielles, manetons et clapet.

compresseur scroll

Moins de pices en mouvement, moins de masse en rotation et moins de frottementsinternes, cela se traduit par un rendement suprieur celui des compresseurs pistons.

Les variations de couple ne reprsentent que 30% de celles d'un compresseur pistons.Il n'impose donc que de trs faibles contraintes au moteur, facteur de fiabilit.

Son avantage principal rside dans son COP (voir chap.3) de l'ordre de 4,0 alors qu'il sesitue aux alentours de 2,5 pour les compresseurs pistons.Il reste limit en puissance (autour des 50 kW) mais plusieurs scrolls peuvent tre mis enparallle (jusqu' 300 kW par exemple)

A noter galement sa faible sensibilit aux coups de liquide.


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Pourquoi des pressostats de scurit ? La plus importante partie d'une installation frigorifique est sans aucun doute le compres-seur. Il doit maintenir la quantit ncessaire d'agent frigorifique en circulation ; il opreainsi comme une pompe. La pression diffrentielle entre-sortie, selon le point de travailet le fluide frigorifique, se situe entre 5 et 20 bar, environ.

Imaginons une panne du ventilateur du condenseur ou une forte chaleur de lair ext-rieur.Le refroidissement des gaz chauds dans le condenseur est insuffisant, la tempratu-re lvaporateur va augmenter, la pression lentre du compresseur augmente.Le com-presseur pourrait alors dvelopper une pression de sortie suprieure au niveau permis.Afin de protger linstallation,il est prvu sur cette partie haute pression un pressostat quidclenche le moteur lorsque la pression dpasse le niveau maximal permis par leconstructeur.

La basse pression avant le compresseur est galement surveille. Par exemple, en cas dedemande de froid insuffisante lvaporateur, la chaleur d'vaporation transmise au flui-de frigorifique n'est pas suffisante. Cela conduit une diminution de la pression du ctbasse pression du compresseur avec pour consquence une diminution de la tempratu-re d'vaporation ainsi que le givrage de la batterie de froid ou le gel de l'eau glace. Orquand une batterie givre, le coefficient d'change diminue,la temprature d'vaporationdiminue encore et le phnomne s'acclre.C'est pourquoi la basse pression est contr-le et le compresseur est dclench lorsque la pression descend en dessous d'un certainpoint.

De l'huile, pourquoi? Les pistons d'un moteur de voiture ncessitent une lubrification constante pour viteraux anneaux de piston d'tre "rongs".Il existe le mme problme dans les compresseursfrigorifiques. L'huile qui lubrifie le compresseur suit la vapeur du fluide frigorigne et setrouve ainsi dans le systme de circulation. Le technicien de service doit contrler quel'huile retourne bien au compresseur, par la pente adquate des tuyauteries frigorifiques,le cas chant en incorporant un sparateur d'huile.

Que sont les coups de liquide? Le compresseur a pour fonction de comprimer un gaz. Les liquides tant pratiquementincompressibles, le compresseur sera endommag si le rfrigrant le traverse en phaseliquide plutt que vapeur. Si le piston pousse contre un agent non compressible, il s'en-suit un coup de liquide , et donc la casse du piston et des clapets.

rle des pressostats


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condenseur

Le condenseur refroidissement direct, air

Le gaz chaud du rfrigrant cde sa chaleur l'air traversant le condenseur et passe ltat liquide.

Le dbit et la temprature du flux d'air dterminent la puissance du condenseur.

Pourquoi une vanne magntique? Lorsque l'installation est hors service, le liquide peut s'accumuler avant le compresseur etlors du r-enclenchement provoquer un coup de liquide. Pour viter cela, une vannemagntique est souvent place avant le dtendeur La vanne magntique se ferme

lorsque l'installation est dclenche et vite l'agent rfrigrant de retourner l'vapo-rateur. Le raccordement lectrique est effectu de telle sorte que le compresseur puissefonctionner aprs la fermeture de cette vanne. Le compresseur s'arrte lorsque le pres-sostat basse pression dclenche. Aussitt que la pression augmente nouveau, le pro-cessus est rpt. Ce processus est parfois appel le pump down.Remarque : les coup de liquides ne concernent quasiment que les compresseurs pis-tons. Les profils des vis ou des labyrinthes de Scroll peuvent s'carter en cas d'aspirationde liquide. Et les turbocompresseurs ne sont pas des compresseurs volumtriques.

Pourquoi un chauffage du carter? Lorsque le compresseur n'est pas en service, pour de faibles tempratures ambiantes,l'huile peut absorber un peu de vapeur du fluide frigorigne. Comme cette huile se trouve

principalement dans la cuvette du carter, il peut y avoir cet endroit une concentrationimportante d'agent frigorigne dans lhuile. Lorsque l'installation est mise en service,unetrs rapide chute de pression apparat, l'agent frigorigne tente de se vaporiser et de sesparer de l'huile. Celle-ci commence mousser, ce qui peut provoquer des coups deliquide et un manque d'huile dans le compresseur. Afin dempcher l'huile de prendre dufluide frigorigne, la cuvette du carter est, lors du dclenchement de l'installation,rchauffe l'aide d'une rsistance lectrique.(Source :Staefa know how, revue)

2.3 Le condenseur

Le condenseur est l'changeur de chaleur qui cde la chaleur du rfrigrant l'air

ambiant.

On distingue : des condenseurs refroidissement direct entre le fluide frigorigne et lair, des condenseurs refroidissement indirect, o le fluide frigorigne est refroidi par de

leau. Cette eau sera elle-mme refroidie en toiture, via une tour de refroidissement.


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Deux types de ventilateur sont utiliss :

le ventilateur hlicodal (ou axial), pour desappareils placs l'air libre, l o le bruit neconstitue pas une nuisance pour le voisinage.Le niveau sonore dpend de la vitessede rotation du ventilateur. Dans les emplace-ments exposs, le rgime ne doit pasdpasser 500 t/min.

Si des ventilateurs existants sont trop bruyants,on peut les munir d'amortisseurs de bruitcylindriques (tenir compte de la perte decharge).

le ventilateur centrifuge, souvent plac l'intrieur d'un immeuble, raccord l'ext-rieur par des gaines (le ventilateur centrifugepeut vaincre des pertes de charges plus le-ves).

Si le bruit du ventilateur dpasse les valeursadmissibles, on peut le munir d'amortisseursde bruit.

Le condenseur refroidissement direct, vaporation

Comme dans un condenseur refroidissement air,le gaz chaud du rfrigrant cde sa chaleur l'air traversant l'changeur de chaleur. Paraspersion de l'changeur avec de l'eau, on

accrot sensiblement la puissance de rfrigra-tion, grce la vaporisation de leau.Par exemple, de lair extrieur de 32C 50% HRpasse 21C (temprature dite bulbe humide ).On abaisse donc la temprature de condensa-tion en dessous de la temprature de lairambiant.Ce qui facilite le travail du compresseur !

Dans ce cas, il faut cependant tenir compte durisque de corrosion de l'changeur et,de ce fait,des fuites possibles de l'agent rfrigrant.L'eau vapore est remplace par de l'eau du

rseau.Un dbit complmentaire de dconcen-tration est ncessaire afin de rduire lentartrement.Un traitement de l'eau peut donc s'avrer ncessaire.

ventilateur centrifuge

ventilateur hlicodal

condenseur quip dunventilateur hlicodal

condenseur quip dunventilateurcentrifuge

tour ferme vaporation


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Le condenseur refroidissement indirect,avec tour de refroidissement

Cette fois, le gaz chaud du rfrigrant cde sachaleur de l'eau circulant dans le condenseur,

ce qui entrane sa liqufaction.

Les performances d'un condenseursont fonction de :> la diffrence de temprature entre le rfrig-

rant et l'eau,> la vitesse de l'eau (le dbit),> le coefficient d'encrassement,> la nature du fluide frigorigne.

Pour le refroidissement, on peut utiliser :

l'eau du rseau (eau potable), mais cettesolution nest pas adquate vu la consommationexorbitante deau quelle entrane.

l'eau de nappes phratiques, de lac ou derivire (demander l'autorisation).Les eaux contiennent plus ou moins d'impuretsqui se dposent sur les tubes. Ces dpts peuventrduire considrablement le coefficient detransfert de chaleur. A dfaut de la mise enplace dun systme de nettoyage automatique,il faut surdimensionner lchangeur de sorteque les performances de l'installation restentsuffisantes.

un circuit d'eau, ouvert ou ferm.C'est le cas le plus frquent.Il entrane l'utilisationd'une tour de refroidissement.

condenseur eau

tour de refroidissement


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Trois systmes de tour de refroidissement sont rencontrs :

1 Refroidissement atmosphrique ouvert : la tour ouverte

L'eau est pulvrise dans l'air qu'un ventilateur pulse travers la tour de refroidissement.

Une partie de l'eau s'vapore. Simultanment, elle refroidit le reste de l'eau qui retournevers le condenseur. L'eau vapore est continuellement remplace par de l'eau frachespcialement traite. Cette configuration entrane donc une consommation d'eau,estime 1,5 litre par kWh dissip. Elle se rencontre gnralement dans les installationsde plus de 1000 kW.

Cette tour ouverte a la faveur du financier :solution bon march, ne prenant pas beaucoup de place, de lnergticien : la temprature de condensation est trs basse (voir 4.4),mais elle constitue le cauchemar de lquipe de maintenance : corrosion, encrassement,risque de gel, ... problmes qui limitent dailleurs la dure de vie moyenne une dizainedannes.

Si la tour doit travailler par des tempratures extrieures assez basses, une rgulation dela temprature de l'eau du circuit "tour" est prvoir. En effet, si l'eau du condenseur estanormalement froide, la haute pression s'tablira difficilement et on aura des difficultsau dmarrage. La solution consiste agir dabord sur la diminution de la vitesse duventilateur et ensuite sur la vanne trois voies diviseuse qui permet l'eau de by-passerla tour de refroidissement.

rgulation de la tour de refroidissement


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2 Refroidissement atmosphrique ferm : la tour ferme

L'changeur de chaleur eau/air est galement asperg d'eau quand la puissance de rfrigrationest leve. Cette eau d'aspersion constitue toutefois un circuit autonome.Pour cette installation il faut compter environ 20% demplacement supplmentaire au sol

et 50% de budget en plus par rapport la tour ouverte.Le principal avantage est de conserver propre le circuit du condenseur et de rsoudretous les problmes hydrauliques mais les autres problmes subsistent: consommation d'eau (vaporation et dconcentration), rgulation, protection contre le gel.

3 Refroidissement atmosphrique ferm : le dry-cooler

Cette fois, pas daspersion deau, cest le venti-lateur qui pulse simplement lair extrieurdans une batterie dchange.Or la tempratu-re de lair en t peut dpasser les 30C.La surface dchange doit tre plus importan-te, lemplacement au sol galement. Le cotdinvestissement peut atteindre le double decelui de la tour ouverte.Mais le dry-coler est cependant souvent utili-s pour sa fiabilit (absence de corrosion) et lapossibilit de le faire fonctionner en toutes sai-sons (avec eau glycole). Ces caractristiques

sont apprcies surtout pour le refroidissement des installations informatiques dont lefonctionnement et la charge thermique est constante toute lanne, et donc aussi en hiver.

Condenseur associ une tour de refroidissement ferme

Dry cooler


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2.4 Le dtendeur

Cest l'appareil de rglage qui commande le flux du fluide rfrigrant vers l'vaporateur.

Si on ne contrle pas exactement la quantit de fluide frigorigne admise dansl'vaporateur, on peut avoir les consquences suivantes : si trop peu de fluide frigorigne : il est immdiatement vapor et il continue se

rchauffer :c'est l'effet de surchauffe. L'efficacit de l'vaporateur diminue. si injection de trop de fluide : l'excs de fluide n'est pas vapor par manque de chaleur

disponible. Une partie du fluide reste liquide et est aspire par le compresseur. Celui-cipeut alors tre srieusement endommag (coup de liquide).

Conception de plusieurs types :

Le dtendeur thermostatique:C est le dispositif le plus frquemment utilis.

Le dtendeur thermostatique est une vannequi rgle le dbit du rfrigrant, en maintenantune diffrence constante entre la tempraturedvaporation du rfrigrant et la tempraturedes gaz la sortie de l'vaporateur.La diffrenceentre ces deux tempratures sappelle lasurchauffe lvaporateur, typiquement 6 8 K.De cette faon,on est certain que tout le liquideinject sest vapor.

Si la charge thermique augmente, la sonde (3)dtectera une monte de temprature, agira

sur la membrane (4) et le dtendeur s'ouvrira(le pointeau est renvers : plus on lenfonce,plus il souvre) afin d'augmenter le dbit derfrigrant (1) vers lvaporateur (2).

Le dtendeur lectronique fonctionne sur lemme principe mais ce type de dtendeurpermet un rglage plus prcis de lvaporateur.La temprature dvaporation remontera de 2 3 K, ce qui diminuera la consommation ducompresseur.

Le dtendeur capillaire : dans de petites installations, tels les appareils frigorifiques ou lespetits climatiseurs, on se contente, comme dispositif de rglage, d'un tranglementdans la conduite du rfrigrant avant l'vaporateur. Ltranglement est assur par untube capillaire (de trs faible diamtre) dans lequel la dtente du fluide est obtenue parla perte de charge dans le tube.

Le dtendeur pressostatique: il maintient une pression d'vaporation constante, ind-pendante de la charge. La totalit de la surface d'change de l'vaporateur nest utilisequ'une fois en rgime.C'est pourquoi il n'est utilis que dans le cas d'installations dans lesquelles la charge nevarie pas beaucoup (machines glace par exemple).

dtendeur thermostatique


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3. BILAN ENERGTIQUE

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3. BILAN ENERGTIQUE

3.1 Efficacit nergtique de la machine frigorifique

L'efficacit nergtique est donne par le rapport entre la quantit de chaleur absorbepar l'vaporateur et la quantit d'nergie lectrique totale absorbe par l'installationfrigorifique, soit principalement le compresseur mais galement les quipementsannexes (ventilateurs,pompes de circulation d'eau, ... )Reprenons les diagrammes du chapitre 1.2 :

Le bilan nergtique dune machine frigorifique apparat sur le diagramme : toute lner-gie capte dans le btiment par lvaporateur (II) , plus lnergie utilise par le compres-seur (I), doit tre vacue par le condenseur vers lair extrieur (I + II).L'installation de rfrigration sera donc nergtiquement efficace si elle demande peud'nergie lectrique au compresseur pour atteindre une puissance frigorifique donne l'vaporateur.

Gnralement, l'efficacit nergtique (EE.) est comprise entre 2 et 3.Une machine frigo-rifique de 100 kW, dont lEE est de 2,5 demande 40 kW en puissance lectrique.

Exemple: l'clairage de 10.000 m2 de bureaux entrane une puissance lectrique de 200

kW (sur base de 20W/m2), mais demande 80 kW complmentaires si la charge thermiquede l'clairage est reprise par une installation de conditionnement d'air.

Remarques :1 il ne faut pas confondre efficacit nergtique et COP ! Le COP, coefficient de

performance, est le rapport entre lnergie thermique dlivre au condenseur etlnergie lectrique demande par le compresseur (cest un terme qui vient de lvaluationdu rendement dune pompe chaleur).On pourrait montrer que lefficacit nergtique est toujours gale (COP-1). Ainsi,une machine dont le COP est de 3,5 aura une efficacit nergtique de 3,5 - 1 = 2,5.La confusion tant frquente, il nest pas inutile lorsque lon compare le rendementdes machines dans les documentations de constructeurs, de vrifier ce qui se trouve

derrire lappellation COP ou EE.

Efficacit thorique d'une machine frigorifique


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3. BILAN ENERGTIQUE

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2 il est intressant de sinquiter galement de lefficacit globale de la machine frigorifiqueinstalle, cest dire du rapport entre le froid produit et lensemble de toutes lesconsommations lectriques engendres, y compris les ventilateurs aux changeurs,les pompes... !Une machine frigorifique, avec une efficacit excellente, place sur le toit dun

immeuble de plusieurs tages,peut voir son efficacit fortement chuter si la machineest place en cave et que le condenseur est refroidi via un gainage dair traversant lestages! La consommation du ventilateur sera importante dans le bilan final.

3 Il est trs important de se rendre compte que lnergie mcanique des ventilateurs etdes pompes se dgradera en chaleur. Cette chaleur risque de venir en diminution dela puissance frigorifique, surtout pour les lments du ct froid . Ce nest donc passeulement le COP ou lEE qui se dgrade par la consommation lectrique suppl-mentaire, cest aussi la puissance frigorifique qui diminue.

3.2 Bilan nergtique annuel

Qui consomme de l'nergie ?

le compresseur Cc les auxiliaires permanents Cp (ventilateurs, pompes, etc.) les auxiliaires non permanents Cnp (rsistances de carter,etc.) le dgivrage ventuel Cd (notons qu'il augmente aussi les besoins de froid en produisant

de la chaleur l'vaporateur qu'il faudra compenser par un fonctionnement supplmentairedu compresseur en cycle froid)

les pertes en rseau qui augmentent les besoins de froid,donc la dure de fonctionnementdu compresseur (consommation intgre dans Cc).

La consommation globale annuelle de l'installation est :

C = Cc + Cp + Cnp + Cd (kWh)

Des conditions de fonctionnement trs variables

Il ne suffit pas, hlas, de multiplier la puissance de ces consommateurs par leur temps defonctionnement...

En effet, la puissance du compresseur est fonction de ses conditions d'utilisation, doncdes besoins de froid rels et de leur variation au cours d'une saison.A tout besoin de froid correspond une condition de fonctionnement de l'installation(temprature d'vaporation, temprature de condensation). Et la chose se compliquelorsque le fluide de refroidissement du condenseur n'a pas une temprature constantetout au long de la saison (ce qui est quasiment toujours le cas).

Pour dterminer la consommation d'nergie d'une installation, il est donc ncessaired'intgrer tout au long de l'anne les puissances absorbes chaque rgime de marchede tous les lments consommant de l'nergie. Pour cela, il faut dterminer la variationdes besoins de froid et le nombre d'heures correspondant chacun de ses besoins ;ceux-ciseront spcifiques chaque installation. Le calcul est donc complexe ...En pratique, cestun compteur lectrique qui pourra totaliser les consommations sur une saison.

Reprenons cependant l'exemple d'une installation frigorifique dont le bilan thermiqueest dcrit dans l'excellent ouvrage de J. Bernier ("L'itinraire d'un frigoriste" paru chez

PYC- Editions) : lanalyse est intressante pour visualiser lorigine des consommationsdune installation.


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L'installation fonctionne toute l'anne avec des besoins maximum de froid (Besoin deFroid = BF) de 10 kW. Pour simplifier, on rpartira la puissance frigorifique par pas de1 kW.Le tableau ci-dessous illustre le calcul de consommation de cette installation fictive.Par exemple, l'installation a fonctionn durant 400 heures 6 kW-froid, avec unetemprature de condensation de 40C.

BF - Besoin de Froid 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1(kW)

dure totale 800 1500 2000 1500 1000 700 500 300 260 200heures

dure heures 600 1000 1300 700 300 200 100 condensation 50

dure heurescondensation 40 200 400 500 600 400 300 200 80 60 50

dure heurescondensation 30 100 200 200 300 200 200 220 200 150

On remarquera que le nombre d'heures de la deuxime ligne correspond un total de8 760 heures, soit une anne.

Les lignes 3, 4 et 5 indiquent la rpartition de ces heures en fonction du rgime defonctionnement du compresseur, lui-mme fonction de la temprature extrieure.Nous allons mettre en situation le compresseur et dterminer ainsi ses consommationspartielles chaque rgime de marche. La temprature d'vaporation est supposeconstante - 10C.

Consommation du compresseur La puissance frigorifique et la puissance absorbe d'un compresseur varient suivant lestempratures d'vaporation et de condensation. La figure ci-dessous illustre cesvariations pour notre exemple.La puissance frigorifique au rgime extrme - 10/+ 50C est de 11 kW.(On notera que les courbes utilises correspondant aux conditions relles de surchauffeet de sous refroidissement,et non aux conditions nominales donnes par le constructeur).

Exemple de rpartition sur l'anne des besoins de froid et des temps defonctionnement chaque rgime (en heures)


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Reprenons maintenant notre tableau de frquences que nous allons complter avec:

la puissance absorbe chaque rgime le taux de fonctionnement (pourcentage temps de marche horaire) le nombre d'heures de fonctionnement

Cependant, il faut savoir que pour les faibles taux de fonctionnement, le rendement deproduction de froid s'croule littralement. Cest normal, iI ne doit pas seulementcouvrir le BF, mais aussi la mise temprature du circuit, qui aprs chaque arrt serchauffe compltement.

Exemple daffaiblissement de la Production de froid en fonction du taux dutilisation

du compresseur (Rendement de production de froid RPF)Ainsi, l'installation tudie doit assurer pendant 50 heures une puissance froid de 1 kWlorsque la condensation se produit 40C.La figure ci-dessus prvoit ce rgime 13,2 kWfrigorifique. Le taux de fonctionnement sera de 1 kW/ 13,2 kW, soit 7,5 %. Mais un teltaux de charge,le rendement de production de froid est de 80%.Si bien que le temps defonctionnement rel sera de:

50 heures x 1 kW/(0,80 x 13,2 kW) = 5 heures

D'une manire gnrale, le nombre d'heures de fonctionnement du compresseur hc chaque fonctionnement partiel est gal :

hc = nh x BF/(RPF x Qo)

avec hc, le nombre d'heures de fonctionnement du compresseurnh, le nombre d'heures d'utilisationBF, le besoin de froidRPF, le rendement de production de froidQo, la puissance frigorifique disponible l'vaporateur

La consommation totale annuelle du compresseur est gale la somme de toutesles consommations partielles, aux divers rgimes.


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Besoin de Froid - BF 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1(kW)

Rgime - 10/50

Nbre heures utilisat. nh 600 1000 1300 700 300 200 100 Puissance frigo Qo kW 11 11 11 11 11 11 11 Taux fonct.% 90% 82% 73% 64% 55% 45% 36% Rendement RPF 100% 100% 100% 99% 99% 98% 98% Puissance absorbe kW 6 6 6 6 6 6 6 Heures fonct. hc 545 818 945 445 164 92 37 Consommation Cc kWh 3270 4908 5670 2670 984 552 222

Rgime - 10/40

Nbre heures utilisat. nh 200 400 500 600 400 300 200 80 60 50Puissance frigo Qo kW 13,2 13,2 13,2 13,2 13,2 13,2 13,2 13,2 13,2 13,2Taux fonct. % 76% 68% 61% 53% 45% 38% 30% 23% 15% 7,5%Rendement RPF 100% 99% 99% 99% 98% 98% 97% 95% 91% 80%Puissance absorbe kW 5,6 5,6 5,6 5,6 5,6 5,6 5,6 5,6 5,6 5,6Heures fonct. hc 152 275 306 321 185 116 62 19 10 5Consommation Cc kWh 851 1542 1713 1800 1039 649 347 107 56 28

Rgime - 10/30

Nbre heures utilisat. nh 100 200 200 300 200 200 220 200 150Puissance frigo Qo kW 15,2 15,2 15,2 15,2 15,2 15,2 15,2 15,2 15,2Taux fonct. % 59% 53% 46% 39% 33% 26% 20% 13% 6,5%Rendement RPF 99% 99% 98% 98% 97% 95% 92% 89% 75%Puissance absorbe kW 5,3 5,3 5,3 5,3 5,3 5,3 5,3 5,3 5,3Heures fonct. hc 60 106 94 121 68 55 47 30 13Consommation Cc kWh 317 563 498 640 359 294 250 157 70

En additionnant toutes les consommations partielles,on trouve pour notre exemple:

Cc = 29 556 kWh/an ( soit 106 400 MJ/an)

De la mme manire, le temps total de fonctionnement annuel du compresseur est gal la somme des temps de fonctionnement partiels aux divers rgimes:

hc = 5 091 heures

Consommation des auxiliaires permanents

Comme leurs noms l'indiquent, ces auxiliaires consommateurs d'nergie fonctionnenten permanence. Dans notre exemple, le ventilateur de l'vaporateur fonctionneen permanence,soit 8.760 heures par an.

Il absorbe 500 W et va donc consommer par an:

Cp = 0,5 kW x 8.760 h = 4.380 kWh/an

Calcul de la consommation annuelle du compresseur


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3. BILAN ENERGTIQUE

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L'nergie froid annuelle ncessaire est la somme des chiffres de la dernire lignedu tableau soit:

EF annuel = 61.120 kWh (220.000 MJ)

L'efficacit nergtique moyenne annuelle de l'installation frigorifique est le rapport entrel'nergie froid produite et l'nergie lectrique consomme soit, pour notre exemple:

EEmoy = 61.120 / 37.775 = 1,62

Plus l'installation sera performante, bien rgle, et bien entretenue et plus cecoefficient sera lev, ce qui veut donc dire tout simplement que moins l'installationsera gourmande en nergie lectrique.Remarque: ce coefficient EEmoy de 1,62 correspond une installation frigorifique( froid ngatif ) et pas une installation de climatisation puisque la temprature d'vaporationest de -10C . Gnralement, une installation de climatisation aura une tempratured'vaporation positive, et le EEmoy dpassera 3 pour la saison.On notera galement qu'aux USA, toute installation de climatisation ayant un EEmoy infrieur 2,9 sur la saison, est interdite.

Exemple de calcul simplifi de l'nergie froid annuelle


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4. DIAGNOSTIC DUNE INSTALLATION EXISTANTE

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4. DIAGNOSTICDUNE INSTALLATION EXI

Les signes de surconsommation nergtique d'une installation frigorifique sontprincipalement :

l'augmentation des temps de fonctionnement du compresseur, dont les causes sont> soit le manque de fluide frigorigne,> soit l'encrassement des changeurs (condenseur et vaporateur),> soit encore le mauvais tat du compresseur.

Le placement dun compteur horaire de fonctionnement sur lalimentation ducompresseur est un petit investissement qui permettra de dceler une drivede consommation.

la diminution de la temprature dvaporation, dont la cause principale est l'encrasse-ment des changeurs,

l'augmentation du nombre de dmarrages pour les petites installations (compresseurshermtiques des split-systems par exemple) ou du nombre de cylindres ou decompresseurs en service. Ceci est gnralement d un encrassement du condenseur, des fuites de rfrigrant ou une mauvaise alimentation de rfrigrant liquide desdtendeurs.

Ils ne peuvent tre pris en compte que si les autres paramtres restent constants,c'est--dire pour des conditions ambiantes identiques (mme demande au point devue temprature et humidit relative) et pour des conditions extrieures identiques

(temprature de condensation, apports internes et externes).

Les tests effectuer consistent soit donner des indications sur un fonctionnement anor-mal de l'installation (mesure du courant absorb en fonctionnement continu, comptage desheures de fonctionnement, mesure du dbit de l'eau de la tour de refroidissementet du dbit d'eau glace,...), soit vrifier lefficacit nergtique de l'installation frigorifique,c'est--dire le rapport entre la puissance lectrique absorbe et la puissance frigorifiquefournie (voir chapitre 3).

Certaines grosses installations comportent deux compteurs dnergie qui intgrentle dbit de fluide frigorigne et le delta T avec lequel soit lvaporateur, soit le condenseurtravaillent. Ceci permet de connatre les consommations thermiques sur une priodedonne (parfois, cest sur la boucle deau glace que se trouve le compteur dnergie).Lnergie du compresseur peut alors tre dduite puisque lon sait que les relationssuivantes sont toujours vrifies :

Puissance vaporateur + puissance compresseur = puissance condenseurEnergie vaporateur + nergie compresseur = nergie condenseur

Pour vrifier la qualit de linstallation, il faut tablir ce bilan plusieurs rgimes defonctionnement et le comparer la courbe defficacit en fonction de la charge duconstructeur. Chaque installation est particulire et il est donc difficile de comparersa consommation des ratios standards.Les seules rfrences sont :

> soit celles donnes par le constructeur,

> soit linstallation elle-mme, une priode antrieure, lorsquelle tait soumise une charge similaire.


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4. DIAGNOSTIC DUNE INSTALLATION EX

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Pour une grande partie des installations condensation par air, il est toutefois possiblede vrifier les conditions de fonctionnement par mesure. On peut en effet mesurerapproximativement le t des changeurs, le COP et lEE de linstallation. La mesurepermet une prcision suffisante pour dceler des anomalies linstallation.

Comment procde-t-on ? On fait les mesures pendant un temps stable, la temprature extrieure tant de 20 30C.On fait en sorte que linstallation soit bien charge,que le compresseur tourne en continu.Le choix de la temprature extrieure doit tre tel que le condenseur fonctionne pleinrgime, tous les ventilateurs tant en fonctionnement continu.On mesure : avec un thermomtre : la temprature de lair aspir par le condenseur Ta (en C), avec un thermomtre : la temprature de lair la sortie du condenseur Ts (le plus prs

de la sortie possible, pour viter que cet air soit dj mlang avec de lair ambiant),et la temprature de lair refoul par lvaporateur,

avec un anmomtre : la vitesse de lair parcourant chacune des batteries (en m/sec), avec un kWh mtre : lnergie absorbe par le compresseur uniquement Pa (en kWh),

ventuellement lnergie absorbe par la totalit de linstallation Pt en kWh, avec une montre, le temps de fonctionnement du compresseur t (en heures), enfin, on mesure la surface frontale du condenseur S, la surface de la partie aspirant

lair (en m2).

On calcule :

Puissance condenseur = S x v x 1,2 x (Ts - Ta) ( kW)

Le facteur 1,2 est la chaleur volumique de lair (1,2 kJ/m3.K) ,et doit ventuellement tre corrige en fonction de la temprature.

Puissance absorbe = Pa / t (kW)Puissance totale = Pt / t (kW)

La puissance vaporateur, le EE et le COP se calculent alors aisment.Finalement,on mesure au manomtre (demander un frigoriste) la pression daspirationet de refoulement du compresseur. En connaissant le rfrigrant, on peut dduire destables la temprature dvaporation T0 en C et de condensation Tc en C.Sur base de toutes ces mesures, il est possible de dduire le point de fonctionnementde lappareil et de vrifier son adquation avec les donnes du constructeur et les donnesdu concepteur de linstallation.

Cette mthode est prcise moins de 10 %, en fonction de la prcision des mesures.

Pour lavenir, il est important de bien noter les mesures et les rsultats obtenus,pour vrification ultrieure et suivi de lvolution du matriel.

La rentabilit nergtique des oprations de contrle et de maintenance n'est pasvidente chiffrer.Toutefois,on peut donner les indications suivantes (chiffres tablis surbase de lexprience de la socit SECA mais qui nont pas fait lobjet de mesuresen laboratoire), nettoyage rgulier, au moins annuel, des batteries, de condenseurs air et des

vaporateurs directs - rentabilit de 10 30%:> 10% dans le cas d'un encrassement faible,> 30% si ce nettoyage n'a jamais t ralis;

nettoyage des changeurs fluide frigorigne - eau (vaporateur et condenseur) :rentabilit de 15 25%;


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4. DIAGNOSTIC DUNE INSTALLATION EXISTANTE

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Labsence dentretien peut crer des surconsommations importantes :

dgradation de la qualit de l'eau du circuit de condensation, absence d'installationd'adoucissement et de traitement anti-algues - surconsommation de 5 20% ;

engorgement des filtres dshydrateurs sur le circuit de fluide frigorigne -

surconsommation de 10 15%; dgradation de la qualit du fluide frigorigne - surconsommation de 10 30%,

(Ce point a une autre consquence,car le manque de fluide frigorigne peut provoquerle givrage de lvaporateur et entraner la destruction totale ou partielle de celui-ci).

Une simulation informatique ralise par Mr De Smet de lABF a donn les rsultats suivants :

Soit une machine frigorifique conue pour fonctionner 16 heures sur 24 au rgime -10/40 avec des gaz aspirs +10,et avec un sous-refroidissement liquide de 6 K,et quiprsente un manque dentretien et une dgradation de lisolation.Elle fonctionne -15 (vaporateur partiellement pris en glace),

+50 (condenseur encrass), avec une temprature daspiration des gaz de +15 (isolation des conduites endommage).

Rsultats : elle devra tourner 23h/24 pour un mme bilan frigorifique et consommera39% dnergie en plus.En appliquant ceci un groupe de 7,5 CV en fonctionnement 4000 heures par an,cela entrane une surconsommation de 6789 kWh/an, soit un surcot de 27.200 Frs( 4 Frs/kWh)De quoi faire entretenir linstallation convenablement !


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5. PROJET DAMLIORATION DE LA R5. PROJET DAMLIORATION DE LA RGU

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Les projets d'amlioration peuvent tre classs suivant 3 objectifs :

Objectif 1 : rduire la consommation d'nergie

Prenons l'exemple d'une installation o l'vaporateur refroidit la boucle d'eau glace ali-mentant les ventilo-convecteurs, il est possible d'envisager 3 niveaux d'intervention: lelocal, la boucle d'eau glace et le chiller.

Les trois niveaux dintervention sur la boucle deau glace

La mesure la plus vidente consiste rduire les besoins de rafrachissement deslocaux, entranant de facto la mise au repos du compresseur ! (voir 4.1)

La diminution des pertes en ligne du fluide rfrigrant ou de leau glace constitue undeuxime axe de rflexion. (voir 4.2)

A besoin gal, l'efficacit nerg-tique dveloppe au chapitre 3nous entrane diminuer le travaildu compresseur, c'est dire dimi-nuer le taux de compression,entre la pression dvaporation et lapression de condensation.

Les courbes de tempratures du dia-gramme HP nous montrent que cespressions correspondent desniveaux de temprature. Diminuer letravail du compresseur, cest aussidiminuer l'cart de tempratureentre vaporateur et condenseur.

Les tempratures dans le diagramme enthalpique

Cycle frigorifique


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5. PROJET DAMLIORATION DE LA RGULATION

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Ces modifications seront faites en concertation avec le constructeur du matriel, carchaque machine est conue pour fonctionner dans des plages donnes. De plus, la res-ponsabilit du constructeur sera dgage si les paramtres de fonctionnement sontmodifis sans son accord.

Pour fonctionner correctement,un dtendeur thermostatique du type classique doit dis-poser dune pression de condensation correspondant une temprature gnralementcomprise entre 30C et 40C. Si cette pression devient trop basse, le dtendeur ne fonc-

tionne plus correctement. Un dtendeur lectronique est nettement moins sensible lapression de condensation.

Exemple chiffr

Une machine de climatisation est quipe dun compresseur semi-hermtique de 4 CV,condensation par air, temprature dvaporation +5C,de condensation +40C. Le fabri-quant met disposition un programme de calcul permettant valuer le comporte-ment du compresseur dautres tempratures dvaporation et de condensation. Noustrouvons :

Temprature Temprature de Puissance W Puissance W EE rapportd vaporation C condensation C vaporateur absorbe EE

+5 +40 17 210 4 265 4.03 100 %+0 +40 14 490 4 120 3.52 87 %+5 +50 15 060 4 955 3.07 77 %

Il est important de remarquer aussi quune temprature dvaporation plus leve feraaugmenter la puissance de condensation. Ceci entranera une augmentation de la tem-prature de condensation qui fera perdre une partie de lavantage obtenu. Cecidmontre encore une fois limportance dun condenseur suffisamment grand.

A charge partielle (en dessous de 20% de sa puissance nominale), le rendement deproduction de froid dune machine frigorifique scroule ! Par un fractionnement de lapuissance installe, par un entranement vitesse variable,... il faut adapter la puissance la demande (voir 4.5)

Enfin, on peut galement chercher les solutions qui permettraient de se passer del'installation frigorifique! On pense tout particulirement aux priodes d'hiver ou de mi-saison pour lesquelles un by-pass de l'installation frigorifique peut tre envisage: cesont les techniques de "free chilling". (voir 4.6)

En pratique,on cherchera donc : augmenter la temprature l'vapora-

teur (utiliser de leau glace moins froide)voir 4.3

diminuer la temprature au condenseur(profiter dun air refroidisseur plus bassetemprature). voir 4.4 Cycle frigorifique


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5. PROJET DAMLIORATION DE LA RGU

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Objectif 2 : rduire la pointe de courant lectrique appele par l'installation

On sait que les btiments climatiss ont avantage bnficier de la tarification lectriquedite "horo-saisonnier" (voir brochure "gestion de la pointe horaire").Mais celle-ci pnalisecertaines heures de la journe ( tout particulirement les "heures de pointe" en hiver). Ettous les tarifs privilgient la consommation d'lectricit nocturne.Aussi,une gestion de lacharge par dlestage ou par dplacement des priodes de fonctionnement doit tre tu-die.

Cest dans ce but de produire du froid la nuit que sont installs des bches deau glaceou des bacs glace.Un talement de la charge frigorifique est ainsi ralis et permet dslors un sous-dimensionnement de la puissance installe et un fonctionnement plus rgu-lier des compresseurs. Elle sous-entend malheureusement des pertes supplmentairessuite au stockage du froid.

Cette technique est intressante par le lissage du profil de la consommation lectrique etfera lobjet dune prochaine brochure.

Remarque :

les pompes de circulation des groupes froids ont souvent tendance tre surdimen-sionnes. En effet, comme le rseau fonctionne avec un trs petit cart de temprature(ex : rgime 6 - 12) , les dbits ont tendance tre trs levs. Si,par temps trs chaud,un rgime 6 -12 tourne en 6 - 9, le surdimensionnement est de 2. Les puissancestant proportionnelles au cube des dbits, un surdimensionnement par 2 entraneraune consommation multiplie par 8 ! Pour plus de dtails sur ces conomiespotentielles dlectricit, voir la brochure ladaptation des vitesses aux besoins .

Objectif 3 : amliorer la maintenance de l'installation :L'amlioration de la rgulation peut galement avoir pour objectif de privilgier le bonfonctionnement du matriel, en diminuant ainsi le risque de panne et en amliorant lalongvit du matriel. (voir chap. 7)

Remarques :

Pour l'ensemble des actions dveloppes ci-aprs, il n'est pas forcment ncessaired'tablir de savants calculs de rentabilit ! Souvent, la mthode par essais successifs(modification de la consigne, ...) entrane des conomies importantes, sans mme quel'utilisateur ne s'en aperoive... Il est cependant toujours utile de consulter pralable-ment le fournisseur du matriel.

Il est galement possible de rcuprer la chaleur vacue au condenseur afin deprchauffer leau chaude sanitaire ou lair de ventilation,mais ce sujet fera lobjet duneprochaine brochure.


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5.1 Diminuer les charges thermiques dans les locaux

Pour ce faire,voici les diffrentes suggestions adapter en fonction du contexte :

rehausser la consigne de temprature int-rieure des locaux. Par exemple, il est utiled'installer une consigne flottante, encoreappele consigne compense.La consigne intrieure augmente en fonctionde la monte de la temprature extrieure etplafonne 26 pour une temprature ext-rieure de 32 C. En effet, le corps humain estsurtout sensible l'cart relatif de tempraturepar rapport l'extrieur.Il est intressant galement dtudier lespossibilits de variation de la tempratureautour de la consigne.Si une variation de +/- 1 est acceptable, il nest pas recommand

de se fixer des contraintes plus svres.En effet,un plus petit diffrentiel entranera descycles de fonctionnement courts, ce que le compresseur napprciera pas ...

Nenclencher le groupe froid que pour un seuil de temprature extrieureminimal suffisant (verrouillage par un thermostat, 24C par exemple).

Installer des stores extrieurs, protection simple et efficace moyennant une gestionadquate, telle que laisser les stores extrieurs ferms en cas d'inoccupation des locaux(ainsi que le week-end) et fermer les stores ds le matin avant l'arrive du soleil. (voir labrochure "choisir une protection solaire").

Confiner les quipements de bureautique, tels que photocopieuses, imprimanteslaser, ... dans des locaux spcifiques. Ces locaux ne seront pas climatiss mais uniquement ventils. De mme, les ordinateurs non utiliss seront arrts par un programmede gestion interne (voir la brochure "bureautique").

Eviter l'clairage des locaux les jours de grande clart. Une gestion de l'clairage enfonction du niveau d'intensit lumineuse existant dans les locaux est possible (voir labrochure "relighting").

Limiter la ventilation des locaux au dbit d'air neuf minimum si l'air extrieur est pluschaud que l'air intrieur (voir brochure "ventilation la demande").

Eviter toute destruction dnergie> lorsque chaud et froid sont produits simultanment. Il nest pas rare de rencontrer

des installations o simultanment les radiateurs donnent de la chaleur et le groupefrigorifique refroidit lair de ventilation ...Egalement,une demande de chauffage danscertains locaux et de refroidissement dans les locaux voisins suppose une installationcapable de grer cette situation sans que du froid ne soit cass par le chaud (rgu-lation par mlange proscrire). Mieux, il est possible actuellement de rcuprer lachaleur extraite dun local refroidir pour chauffer les locaux demandeurs de chaleur(brochure sur la climatisation de type VRV... raliser prochainement !).

> lorsque une humidification suit la dshumidification. En effet, lorsque la tempraturede la batterie de froid est basse, lair nest plus seulement refroidi, il est galementdshumidifi. Cette opration ne doit pas tre suivie dune opration dhumidifica-tion. En mi-saison, il sera trs utile de vrifier les cycles rels fait par le groupe declimatisation. Bien souvent, larrt de lhumidification lorsque la temprature ext-

rieure dpasse 10C entrane des conomies substantielles et nest pas peru par lesutilisateurs du btiment.

consigne compense en fonction dela temprature extrieure


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Stopper la circulation dans les circuits non demandeurs en hiver , dans les rseaux quidoivent fonctionner toute lanne.

Stopper les installations la nuit et les W-E , si pas de besoin.Cette proposition doit tre tudie avant dtre applique.> Si le btiment est trs peu inerte, linstallation doit tre stoppe la nuit.Le refroidisse-

ment naturel nocturne sera favorable (il peut mme tre favoris par une ventilationnocturne acclre, si des taux horaires de renouvellement dair suprieurs 4 sontpossibles). Tout arrt nocturne entrane systmatiquement des conomies nerg-tiques puisque les pertes de maintien sont annules.Et ceci, mme si ultrieurementil faudra remettre la boucle deau glace en rgime.

> Par contre, un btiment trs inerte accumulera dans ses parois une quantit impor-tante de chaleur et un fonctionnement nocturne de la climatisation ( bas prix dukWh lectrique) permettrait de le dcharger de la chaleur excdentaire avant le dbutde la journe suivante. A dfaut, la chaleur devra tre vacue au matin, entranantune puissance appele supplmentaire.

Si larrt des installations est dcid, attention au redmarrage ! Toute l'eau glace sera refroidir ! Il faut vrifier si le condenseur et/ou la tour de refroidissement sont suffisam-ment dimensionns.

Solutions : on peut placer un by-pass avec vanne trois voies, de telle sorte que le compresseur

tourne d'abord "dans son jus" et que la vanne ouvre progressivement l'arrive d'eau refroidir.

une autre solution consiste refroidir d'abord l'eau du ballon tampon (s'il est existant)et ensuite l'eau de la boucle d'eau glace (en pratique, une temporisation est placesur le dmarrage des circulateurs d'eau glace).Remarque : Il ne faut pas couper l'installation par priode de fortes chaleurs (saufrserve de puissance importante pour la relance, condenseur surdimensionn,... ). Autrement, au dmarrage, le pressostat de la haute pression risque de dclencher car lademande est trop importante...

on peut faire le parallle avec les chaudires dont on ouvre pro-gressivement l'arrive d'eau de retour de l'installation pour viter les condensations.

de la mme manire qu'on ne coupe pas une chaudire la nuit s'il fait -10'C extrieur,sauf chaudire surdimensionne.


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5.2 Augmenter la temprature de dpart du circuit deauglace

Le bureau d'tudes a dimensionn l'installation afin de rpondre aux conditions extrmes de

temprature extrieure (+/- 32C) et d'ensoleillement (ciel serein).Par exemple, il a prvu pourla boucle d'eau glace le rgime : dpart 6 - retour 11.

La boucle d'eau glace circule dans un btiment 22.Elle prsente donc des pertes toutau long de son parcours. En rehaussant la temprature de dpart de leau,on diminuerale T et donc les pertes.De plus,on va limiter la dshumidification de lair dans les locaux,dshumidification qui nest pas toujours ncessaire et qui pourtant entrane une consom-mation supplmentaire superflue lvaporateur.

Si l'installation comporte plusieurs types de locaux, dont les besoins sontdiffrents, cela se complique ! Mais des solutions existent.Par exemple, sil existe :> un local informatique,avec des besoins constants toute l'anne,> un local plein sud avec larges baies vitres,avec des besoins variables en fonction de latemprature extrieure et de l'ensoleillement, on peut raliser des dparts diffrentscommands des tempratures diffrentes , via des vannes trois voies motorises.

De plus, diverses adaptations de l'installation sont possibles afin de mieux "coller" auxbesoins variables:

1re possibilit : raliser une temprature glissante sur le dpart de l'vaporateur, (6 ent,9 en mi-saison, 12 en hiver).

Pour que cette solution convienne linstallation, il faudra donc que le profil de consom-mation du btiment soit li dassez prt lvolution de la temprature extrieure. En

climatisation, cest le cas lorsque les besoins de rfrigration sont ceux lis au traitementde lair neuf.Par contre, les apports dus aux machines, lclairage, aux personnes sont constants. Lesapports solaires sont lis lvolution de la temprature extrieure (cest en t que tempra-ture et soleil sont au maximum) mais le soleil peut tre important certaines journes davril...De plus, il faut que l'installation le permette : avoir des compresseurs qui autorisent une temprature dvaporation suffisamment

leve et des changeurs permettant de fonctionner dans ces conditions, avoir une rgulation de commande disponible (certaines machines "standards" ne

donnent pas accs la modification de la temprature d'eau de dpart).

En fait, agir sur la temprature de dpart de leau glace suppose une bonne connaissancede son installation et de l'origine des apports vaincre. Par exemple, il sera trs utile desuivre lvolution de lcart de temprature (dpart - retour) de leau glace durantlanne : un dpart 6 - retour 8 en hiver suivi dun rgime 6 - 11 en t est signe quil

En chauffage,le bureau d'tudes dimensionne l'installation pour-10 extrieur et propose un circuit en rgime 90-70.

En chauffage, il apparat normal de sparer les circuits en zonesthermiquement homognes (faade Sud, faade Nord,...), puis de moduler la temprature de dpart de chaque circuit en

fonction des besoins de la zone qu'il alimente. Ne disposer qued'une seule boucle d'eau glace 6, c'est un peu comme si le chauffage n'tait aliment que par une seule boucle 90...!


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5. PROJET DAMLIORATION DE LA RGULATIONLA RGULATION DES INSTALLATIONS FRIGORIFIQUES EN CLIM

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est possible de remonter la temprature de dpart en hiver, puisque les besoins sontfaibles. Encore faut-il ne pas avoir un local dont les besoins sont constants toute l'anne(local informatique, par exemple) et dont la puissance de l'metteur est juste suffisante (ildevra toujours tre aliment 6).En mi-saison,linstallation pourra toujours rpondre un apport solaire momentan,mais

proportionnellement avec une puissance maximale plus faible puisque la temprature dedpart de leau glace sera plus leve.

Cette rgulation peut se faire, soit manuellement (2 ou 3 adaptations par an), soit auto-matiquement.Dans ce cas, il faudra trouver l'emplacement du capteur qui sera fidle desbesoins de l'installation.

Exemple dapplication : lvolution de la performance de lquipement informatiqueentrane gnralement une baisse des consommations dnergie et donc des puissancesthermiques vacuer.Si jadis on dimensionnait du 450 W/m2,on table actuellement sur150 W/m2. Les anciennes installations, prsent surdimensionnes, verront donc favora-blement leur temprature de dpart deau glace augmenter.A noter : attention la puis-sance des ventilateurs, prvus pour transporter la puissance dorigine car ils risquent deconstituer prsent une partie importante de la charge frigorifique !

2me possibilit : maintenir les tempratures de retour les plus hautes possibles,

Pour cela, on peut rguler les lments terminaux (comme les ventilo-convecteurs, lescentrales dair, les sous-stations, ...) avec des vannes deux voies.Lorsque les besoins dimi-nuent, le dbit de la boucle diminue galement.Pour maintenir la pression constante auxbornes des quipements, on utilise des pompes dbit variable pilotes soit par la tem-prature de retour, soit par la pression.

Par opposition la 1re possibilit de rgulation sur sonde extrieure, on ralise ici unergulation sur boucle ferme plus fidle aux besoins du btiment.Pour lvaporateur, cenest plus la temprature de dpart qui est releve,mais la temprature moyenne de fonc-tionnement qui est augmente (rgime 6 - 14 par exemple).

Remarque :

En thermique, il existe deux manire de rguler : agir sur le dbit ou agir sur la temprature.Moduler le dbit sous-entend conserver une temprature constante.Or,en chauffage,le rgime de temprature adopt lors du dimensionnement du matriel est lev : gnralement 90-70. Ceci entrane un cart de temprature lev par rapport lambiance et donc des pertes de maintien leve. On aura donc tout intrt rguler sur latemprature.En rfrigration,par contre, le rgime classique 6-11 ou 7-12prsente peu dcart par rapport lambiance.De plus, le dbit est important ( puissance gale, il faudra 4 fois plus dedbit pour transporter du froid que du chaud puisque le T est 4 fois plus petit) et sa modu-lation est plus aise. Si les besoins sont fort variables, on sera ds lors plus facilement tent par une rgulation sur le dbit, avec une temprature de dpart constante, une tempraturede retour la plus leve possible...et des conomies dnergie sur le transport de leau par luti-lisation dune pompe vitesse variable.Cependant, un dbit minimum dans lvaporateur est requis par le constructeur, sous peinede le geler certains endroits.Linstallation devra comprendre un by-pass de recyclage.

Un rgulateur avec courbe de chauffe adapte la temprature dedpart en fonction de la sonde extrieure. La temprature dedpart est adapte au besoin du consommateur le plus exigeant(c'est parfois la prsence d'un prparateur d'eau chaude sanitaire

qui va imposer la temprature de dpart minimale)


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5.3 Diminuer la temprature au condenseur

Rappelons qu'abaisser la temprature de condensation, c'est abaisser le niveau de pres-sion la sortie du compresseur, c'est donc diminuer le travail de celui-ci et l'nergie qu'ilconsomme.

Par exemple,abaisser la temprature de condensation de 10C gnre gnralement plusde 10 % de rduction de la puissance lectrique...De plus,une basse temprature de condensation entrane un niveau moins lev de pres-sion, ce qui permet souvent de choisir un compresseur d'un modle plus petit, doncmoins cher.

Comment abaisser la temprature au condenseur ?

1 En augmentant la surface de l'change.

On n'hsitera pas investir dans la surface d'change du condenseur lors de l'acquisi-

tion. Il sera utile dinterroger le constructeur : quelle sera la diminution des cotsdexploitation si la surface est augmente de 10% ?

2 En favorisant l'change de chaleur par un nettoyage des ailettes (condenseurs air) par un dtartrage des conduites (condenseurs eau) par une augmentation du dbit dair extrieur :

cette action ne doit cependant pas entraner une surconsommation trop importantedu ventilateur du condenseur, qui viendrait alors rduire lintrt de diminuer laconsommation au compresseur ! Lutilisation dune ventilation 2 vitesses ou vitessevariable est ici trs utile. C'est rellement un bilan d'exploitation tenant compte desheures de marche aux diffrents rgimes qu'il faudrait raliser avant de dcider de la

temprature de condensation adopter.

3 En abaissant la temprature de lair extrieurLemplacement du condenseur doit viter un rchauffement local de lair ; parexemple,un condenseur plac sur une toiture couverte de roofing noir entranera unesurchauffe locale de lair de plusieurs degrs en priode densoleillement ... Un autreemplacement ou le placement dun systme dombrage permettra dabaisser ceniveau de temprature.

Attention aux problmes lis la diminution de la temprature de condensation !

En fait, l'objectif nergtique peut aller l'encontre du souhait du constructeur !Diminuer la temprature de condensation, cest aussi abaisser la pression de condensa-tion. Or le constructeur souhaite qu'une diffrence de pression minimale existe au niveaudu dtendeur, pour assurer une quantit de dbit de fluide frigorifique suffisante dans ledtendeur.C'est la haute pression qui pousse le rfrigrant travers lorifice de la vannedu dtendeur.Avec une haute pression trop faible, l'alimentation en rfrigrant est insuf-fisante, particulirement au dmarrage. Le compresseur aspire mais il est sous-aliment.La basse pression devient aussi insuffisante et le groupe se met en scurit basse pres-sion. Mais comme cette scurit est renclenchement automatique,le groupe "pompe",se fatigue et finalement dclenche par son thermique.

Il est donc ncessaire de maintenir une haute pression suffisamment leve.

Ds lors, le constructeur impose une pression minimale, ct HP, la sortie du conden-

seur (par exemple 12 bars pour le R22).


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Ce problme existe dj en hiver...

Les condenseurs air sont calculs en gnral pour permettre la condensation avec un T de 15 20C entre la temprature de l'air extrieur et la temprature de condensation.La temprature maximale de l'air extrieur est, en Belgique, considre +30 ou +32C

(en t).

Mais en hiver, si l'air est 0C, la surface d'change devient excessive. De plus, on n'auraplus besoin de la pleine puissance frigorifique.De sorte que le condenseur sera largementsurdimensionn pendant les priodes froides.

S'il fait plus froid dehors, le constructeur va diminuer le dbit d'air de refroidissement (encoupant l'un ou l'autre ventilateur, par exemple),mais il va maintenir le niveau de pression !En fait, la rgulation des ventilateurs est ralise sur base du pressostat HP.

rgulation du refroidissement du condenseur

> Economie sur le ventilateur mais pas sur le compresseur !

Il est cependant possible d'agir :

Supposons que le ventilateur du condenseur fonctionne en tout ou rien : par exemple, ils'enclenche lorsque la pression monte 16 bars et dclenche lorsque la pression descend 12 bars.Ceci entrane des cycles on-off "rapides" (+/- 2 min.) et une "fatigue" du moteur.De plus, la mise en route brutale du ventilateur provoque une chute soudaine de la pres-sion et de la temprature de condensation. Ceci provoque son tour une r-vaporationdu liquide rest la mme temprature. Les bulles de vapeur provoqus par ce phno-mne peuvent perturber le bon fonctionnement du dtendeur et donc de linstallation( flash gaz).

Si par contre, on utilise un ventilateur vitesse variable (moteur spcial ou rgulateur de

vitesse de rotation externe), en plus de la rduction de consommation du ventilateur, onoptimisera le fonctionnement du compresseur qui restera rgul 12 bars (ds que lapression augmente, le ventilateur acclre; et si la charge augmente encore, c'est la pres-sion qui augmente naturellement). Si le condenseur dispose de plusieurs ventilateurs, onobtient un rsultat similaire partir dune mise en cascade des ventilateurs, via un pres-sostat plusieurs tages.

Cette fois,la pression de condensation est stable, ce qui vite la formation de bulles de gaz lentre de lvaporateur.

Remarque : installer la vitesse variable sur un ventilateur peut demander le remplace-ment du moteur du ventilateur.

Mais cet investissement est subsidi par le distributeur lectrique, et peut permettre dersoudre des problmes de bruit.


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Cas particulier

Comme le condenseur est entirement l'extrieur, par trs basse temprature, c'esttoute la masse mtallique qui est 0C et, mme clapets compltement ferms, le rfri-grant se condense trop faible pression. Il faut dans ce cas rendre inoprants un certain

nombre de tubes.

Pour les rendre inoprants, il suffit de remplir d'office certains tubes avec du rfrigrantliquide.Ce rfrigrant liquide sera sous-refroidi mais la surface d'change du condenseurva manquer pour en condenser trop.Ce remplissage est obtenu par une vanne 3 voiesfonctionnant automatiquement et branche sur un rservoir auxiliaire de rfrigrant.

Comme il faut une certaine quantit de liquide pour remplir ces tubes, il y a lieu de pr-voir un rservoir et une quantit de rfrigrant suffisamment grande. Voir ce sujet unepublication dans la revue de lUBF (Union Belge du Froid).

5.4 Adapter la puissance du compresseur aux besoinsLa puissance dune installation de rfrigration est dtermine en fonction des besoinsmaximum,cest dire pour des charges calorifiques maximum (quipement,soleil) et destempratures extrieures trs leves.

Pendant la plus grande partie de l'exploitation, la puissance est donc excessive. Si la puis-sance ne peut pas tre ajuste, le compresseur se met continuellement en marche et l'arrt, ce qui provoque des dgts court terme.

Du point de vue d'une utilisation rationnelle de l'nergie, il existe des procds de rgla-ge plus ou moins favorables:

1. La meilleure solution consiste rpartir la puissance entre plusieurs compresseurs (ouchoisir un compresseur plusieurs tages,plusieurs cylindres ou plusieurs pistons parexemple). La puissance de rfrigration est rgle par la mise en marche ou l'arrt desdiffrents compresseurs .

Puissance de chauffe rpartie sur plusieurs chaudires plusieurs allures du brleur

Il en rsultera un gain sur les kWh (nergie) :

- car le "petit" compresseur alimentera un condenseur surdimensionn pour sesbesoins, d'o une pression de condensation plus basse,- car le rendement du moteur du compresseur sera amlior,

une longvit accrue de l'installation par un fonctionnement plus rgulier, une scurit d'exploitation, un gain sur la pointe 1/4 horaire en kW (puissance), facture par la socit distributrice.

Il faut alors mettre en place une rgulation :- soit de la cascade des compresseurs,- soit des tages de compression du compresseur,- soit encore de la puissance sur les cylindres,ce qui peut sadapter sur une installation existante.

rgulation de la cascade deschaudires


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En gnral,on tablit les enclenchements sur base de l'volution de la temprature deaude retour (boucle),temprature qui constitue une image des besoins du btiment.Le toutest temporis de telle sorte que les compresseurs ne s'enclenchent pas tous les uns lasuite des autres.

Une bonne solution peut tre galement de rguler en fonction de la temprature duballon-tampon, lorsqu'il est existant.

Remarque :Le ballon tampon amplifie l'inertie thermique de l'installation, ce qui prolonge la durede fonctionnement des compresseurs.Il permet de rsoudre le problme de l'anti-courtcycle (cest dire la temporisation du dmarrage si linstallation vient de sarrter) et deprolonger la dure de vie du matriel en diminuant le nombre de dmarrages par heureou par jour.On dimensionne un ballon tampon de telle sorte que son stockage corresponde 5 10minutes de la consommation en eau.

2. Autre solution avantageuse: un moteur d'entranement deux vitesses ou, selon legenre d'entranement, vitesse variable. Le rgime s'adapte la puissance de rfrig-ration. A bas rgime, il faut vrifier si la lubrification est suffisante. Cette technique estactuellement en plein dveloppement. Le compresseur scrollsy prte particulirement.

3. Le rglage par la mise l'arrt de cylindres est moins favorable. Les cylindres tournant vide ont pour consquence que, pour une puissance de rfrigration de 50 % parexemple, la machine absorbe encore environ 65 % de la puissance dentranement.

4. A cet gard. le rglage par un tranglement dans la conduite daspiration n'est pasmeilleur. On modifie alors la puissance de rfrigration en agissant sur le dbit du rfrigrant.

5. Quant au rglage par bypass des gaz chauds,il faut le qualifier de pur anantissementd'nergie . Dans ce cas, la puissance absorbe reste la mme lorsque la puissance derfrigration diminue. De plus, il provoque un chauffement du moteur. Dans lamesure du possible,il faut mettre ce systme hors service dans les installations existantes.

Remarque:Cette tape demande de connatre la puissance effective ncessaire en fonction dessaisons. Aussi, on placera un simple compteur horaire sur l'alimentation lectrique ducompresseur pour connatre son temps de fonctionnement et donc sa puissancemoyenne demande.Si l'installation doit vaincre les apports d'une machine spcifique enclenchement dis-continu, la puissance moyenne peut tre trompeuse : certains moments, c'est la puis-

sance totale qui est demande,et zro le reste du temps....Idalement, on enregistrera lapuissance demande,en relevant en parallle la source des apports thermiques.


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5.5 Profiter de l'air extrieur lorsqu'il est froid

Principe de base: lorsque la temprature extrieure descend sous les ...12...10...,on peutfabriquer de l'eau glace sans utiliser le groupe frigorifique !

Ceci sous-entend que l'installation s'y prte : parce qu'elle a des besoins constants, y compris en hiver parce qu'elle a des changeurs surdimensionns qui lui permettent de refroidir avec

une eau +/- 14C idalement, parce quelle dispose dj dun refroidissement eau.

Le principe consiste alors by-passer le chiller pour refroidir directement l'eau glace entoiture.La rentabilit de ce type de projet est excellente... si linstallation sy prte : linves-tissement est alors pratiquement nul !

Diffrents systmes sont possibles :

soit un refroidissement dans un arorefroidisseur air spcifique.

soit un refroidissement dans un appareil mixte qui prsente un changeur decondensation du fluide frigorifique et un arorefroidisseur pour l'eau glace, avecfonctionnement alternatif suivant le niveau de temprature extrieure (attention ladifficult de nettoyage des condenseurs et aux coefficients de dilatation diffrents pourles 2 changeurs, ce qui entrane des risques de rupture).

soit un refroidissement par la tour ferme de l'installation (l'eau glace prend laplace de l'eau de rfrigration du chiller). Dans ce type de tour, l'eau glace n'est pas encontact avec l'air extrieur; c'est de l'eau qui est pulvrise sur l'changeur et quirefroidit par vaporation).

soit un refroidissement par la tour ouverte de l'installation mais dans ce cas, leauglace entre en contact avec lextrieur et se charge doxygne, de poussires, desable,...Ces impurets viennent se loger dans les quipements du btiment (vannes derglage des ventilos,...!) Les risques de corrosion sont tels que cette solution est proscrire.

soit un refroidissement dans un changeur plaques traditionnel , via l'eau derefroidissement du condenseur (eau glace - eau de refroidissement - tour de refroidis-sement). Mais en plus de l'investissement raliser, cette solution entrane un T supplmentaire de +/- 2C, ce qui diminue encore la plage de fonctionnement decette installation par l'air extrieur.

soit en plaant une batterie d'change air devant les orifices d'aspiration d'une tourde refroidissement, ce qui permet de rutiliser les ventilateurs de la tour.

Remarque:d'une manire gnrale, le problme du gel de l'eau glace doit tre solutionn : soit par laddition de glycol (attention lorsque l'on rajoute de l'eau ultrieurement !) soit par le placement de cordons chauffants.


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5.6 Amliorer la rgulation des priodes de dgivrage

Sur les petites installations, le dgivrage des vaporateurs air peut se faire au moyen de :

rsistances lectriques noyes dans l'vaporateur, dgivrage par gaz chauds :il y a inversion du cycle,les gaz comprims sont injects dans

lvaporateur. Cest le systme le plus performant au niveau nergtique. arrt du compresseur et ventilation force sur l'vaporateur pour des tempratures

d'air suprieures ou gales +4C.

Dans certaines installations,le dgivrage est ralis par cycle priodique,que du givre soitprsent ou non sur lvaporateur!Les dgivrages tant coteux en nergie (voir chap. 3), il convient de ne mettre en servi-ce le dgivrage qu' bon escient, et donc de dtecter la prsence effective de givre aumoyen de:

soit un pressostat diffrentiel entre l'entre et la sortie d'air,

soit un thermostat diffrentiel entre l'air et le fluide frigorigne, soit un thermostat d'vaporateur, soit un pressostat

Documents

La régulation frigorifique en climatisation des bâtiments