Page de garde - eprints2.insa-strasbourg.freprints2.insa-strasbourg.fr/908/1/Synthèse_PFE_CS.pdf · 10 Audit, Campagne de mesure validation des pistes COFELY DT Jimmy MAURY 12 Confirmation

Étudiant : SERRELI Carine Variation de Vitesse sur un groupe à Vis Tuteur : BOUSSEHAIN Rahal Mai 2011

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Résumé Cette étude a pour objectif d’augmenter l’efficacité énergétique d’un groupe de production d’eau glacée à vis de grande puissance en adaptant le concept du système INVERTER. En d’autres termes, il s’agit de faire varier la puissance frigorifique du groupe à vis en modulant la vitesse de rotation du compresseur par variation de fréquence électrique en fonction des besoins. Ce concept n’est actuellement développé que pour des groupes frigorifiques de petites puissances à détente directe. Ce projet possède un caractère innovant étant donné que cette démarche visant l’adaptation sur un équipement existant n’a jamais été réalisée auparavant. Cette étude, menée au travers d’un audit énergétique, synthétise la problématique rencontrée, la démarche appliquée ainsi que les pistes d’amélioration vers lesquelles je me suis dirigée. La portée de cette étude vise à adapter la variation de vitesse de rotation sur les compresseurs à vis des groupes froids du parc de COFELY Sud-est.

Mots-clés Ratio d’Efficacité Énergétique, production frigorifique, variation électronique de vitesse, régulation par tiroir de capacité, compresseur à vis, économie d’énergie, contrat d’exploitation énergétique

Abstract The purpose of this study is to improve the energy efficiency ratio of a high power screw chilled water group by adapting the INVERTER system. In other words, it consists in varying cooler capacity of the screw group by modulating operating speed of the compressor by variation of electric frequency according to the needs. This concept is currently developed only for low power chiller. This project has an innovative nature because this reasoning whose aim is adaptation on existing equipment has never been carried out before. This study, lead through an audit, synthesizes thematic problems, the reasoning followed and improving leads that I have studied. The aim of this study is to adapt operating speed variation system on screw compressors of chillers making up COFELY South-east stock. Key Words Energy Efficiency Ratio, cooling production, electronic speed variation, capacity drawer regulation, screw compressor, energy economy, energetic concern contract


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SOMMAIRE

Contexte et Enjeux pour COFELY ......................................................................................... 3

Planification ........................................................................................................................... 3

1. Compréhension du mode de fonctionnement d’une machine frigorifique ....................... 5

1.1. Principe de fonctionnement des machines frigorifiques ........................................... 5

1.2. Description du cycle thermodynamique ................................................................... 6

2. Les différents types de compression .............................................................................. 8

3. Étude de la technologie du compresseur à vis ............................................................... 9

3.1. Le mécanisme de compression ............................................................................... 9

3.2. Caractéristique propre au compresseur à vis : le rapport de volume interne Vi ......10

3.3. La double fonction du circuit d’huile : lubrification et étanchéité ..............................11

4. La variation de puissance : une source de gains énergétiques .....................................12

4.1. Les modes de variation de puissance existants ......................................................12

4.2. Étude du mode de variation de puissance spécifique au compresseur à vis : la régulation par tiroir de capacité .........................................................................................13

4.2.1. Le principe mécanique ....................................................................................13

4.2.2. La commande hydraulique du circuit d’huile ....................................................14

5. Étude de la solution choisie : La variation électronique de vitesse de rotation du compresseur ........................................................................................................................15

6. Comparaison de deux modes de variation de puissance pour le compresseur à vis à l’aide de logiciels de simulation ............................................................................................16

6.1. Choix d’un type de compresseur ............................................................................16

6.2. Simulation théorique des deux méthodes de régulation .........................................17

6.3. Comparaison des résultats d’un point de vue de la performance énergétique ........19

6.4. Comparaison des résultats d’un point de vue économique .....................................20

6.5. Conclusion sur l’efficacité et le domaine d’application de chaque méthode de régulation .........................................................................................................................21

7. Application sur un cas concret : Audit de performance énergétique sur le site MINATEC du C.E.A. de Grenoble .........................................................................................................22

7.1. Identification du site ................................................................................................22

7.2. Description de l’installation frigorifique ....................................................................22

7.3. Définition des besoins du client et de la production ................................................24

7.4. Particularité du groupe à vis : présence d’un condenseur double pour la récupération .....................................................................................................................25

7.5. Descriptif de la problématique rencontrée ..............................................................27

7.6. Analyse de la performance énergétique de l’installation pour l’année 2010 ............29

7.6.1. Détermination du profil de fonctionnement des groupes ..................................29

7.6.2. Étude du groupe à vis .....................................................................................30

7.6.3. Étude des groupes centrifuges ........................................................................31

8. Pistes d’amélioration de l’EER global............................................................................32

8.1. Variation de vitesse sur le compresseur à vis .........................................................32

8.2. Variation de débit d’eau glacée dans les évaporateurs des groupes ......................37

9. Étude économique de l’installation : détermination du temps de retour .........................42

9.1. Calcul des gains économiques résultant des optimisations ....................................42

9.2. Prise en compte des Certificats d’Économie d’Énergie ...........................................42

9.3. Estimation des coûts, calcul du temps de retour du site .........................................43

10. Analyse fonctionnelle de la régulation : définition de l’automate .................................43

Conclusion ...........................................................................................................................47

Bibliographie ........................................................................................................................48

Sommaire des annexes ........................................................................................................50


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Contexte et Enjeux pour COFELY

COFELY Sud-est a un parc de production frigorifique d’environ 2000 groupes froids qu’il exploite et entretient, dont la puissance unitaire est supérieure à 100 [kW] frigorifique.

La rentabilité économique de la variation de vitesse la destine a priori en priorité sur des machines de moyennes à fortes puissances, comprises entre 300 et 1000 [kW]. Cette plage de puissance de fonctionnement correspond à celle du compresseur à vis.

De ce fait, COFELY Sud-est a estimé nécessaire de mener une étude de faisabilité sur la variation de vitesse sur les compresseurs frigorifiques à vis. De plus, nous verrons que le compresseur à vis possède des caractéristiques qui rendent favorable l’utilisation de la variation de vitesse comme méthode de variation de puissance. En cas d’aboutissement favorable de ce projet, cette solution serait transposable sur un parc d’environ 400 groupes. Prioritairement, COFELY Sud-est choisira de limiter la mise en œuvre de cette solution sur les installations où elle réalise un contrat d’exploitation avec vente d’énergie frigorifique. Dans ce cas, les économies énergétiques réalisées sont directement répercutées dans la marge financière de l’entreprise. Il existe un constructeur de groupes frigorifiques qui intègre cette technologie de variation de vitesse à l’origine depuis deux ans sur ses groupes à vis. Aucun constructeur ne propose de mise à niveau du parc de groupes existants tel que nous l’avons réalisé dans ce projet. Ceci corrobore le caractère innovant du projet.

Planification

D’un point de vue du P.F.E.

Étapes du PFE Février Mars Avril Mai JuinPrévisionnel

Réel

Étude des deux modes de variation de

puissance via les logiciels constructeurs,

Quantification des écarts de performance

Réel

Prévisionnel

Réel

Prévisionnel

Réel

Prévisionnel

Réel

Prévisionnel

Réel

Prévisionnel

Réel

Rédaction du Rapport et des documents annexes Réel

Préparation de la Soutenance Réel

Analyse fonctionnelle de la régulation

Compréhension du cycle frigorifique, étude

de la technologie du compresseur à vis

Audits de performance énergétique sur site

Développement des pistes d'amélioration

Validation du mode de fonctionnement,

campagne de mesures

Étude économique : Simulation du gain,

Calcul du temps de retour


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D’un point de vue professionnel

Phase Intervenants 1 Intervenants 2 S7 S8 S9 S10

1 Analyse des besoins COFELY DT Jimmy MAURY

2 Définition de la problématique COFELY DT

Prise en compte des facteurs suivants: CONTEXTE COFELY DT

CLIENT COFELY DT

ASPECT FINANCIER COFELY DT

4 Étude macro-économique COFELY DT

5 Validation par le COMITE DE DIRECTION COFELY MINATEC COMITE DE DIRECTION

Phase Intervenants 1 Intervenants 2 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17 S18 S19 S20 S21 S22

1 Définition du cahier des charges avec le client

2 Analyse de l'installation existante et des données énergétiques 2010

3 Étude de l'intérêt de la variation de fréquence pour le groupe à vis

4 Étude de l'intérêt de la variationde débit d'eau glacée dans les

évaporateurs5 Validation du mode de fonctionnement

6 Élaboration analyse fonctionnelle

7 Simulation détaillée des gains - calcul des TRB

8 Définition de la méthodologie de la campagne de mesure COFELY DT Jimmy MAURY

9 Validation de la méthodologie de la campagne de mesure COFELY MINATEC

10 Audit, Campagne de mesure validation des pistes COFELY DT Jimmy MAURY

12 Confirmation entrée phase réalisation COFELY MINATEC


1 Élaboration analyse fonctionnelle détaillée et automate de régulation COFELY DT Jimmy MAURY

2 Validation Analyse fonctionnelle COFELY MINATEC

3 Étude électrique COFELY DT Fabricants variateurs

4 Étude frigorifique du groupe à vis COFELY DT Jimmy MAURY

5 Étude automatisme du groupe à vis COFELY DT Jimmy MAURY

6 Élaboration du cahier des charges techniques détaillées COFELY DT COFELY MINATEC

7 Consultation de prix pour la fourniture des variateurs de fréquence COFELY DT

8 Consultation de prix Electricien COFELY DT

9 Analyse des offres de prix des variateurs COFELY DT

10 Analyse des offres de prix des Electriciens COFELY DT

11 Détermination des prix de revient détaillés COFELY DT

12 Validation des prix de revient et des prestataires (Variateurs et Electricien)COFELY MINATEC

13 Commandes des variateurs COFELY MINATEC

14 Commandes des travaux d'électricité COFELY MINATEC


1 Mise en place des variateurs de fréquence Electricien

2 Raccordement électrique des variateurs Electricien

3 Réalisation du programme de l'automate de régulation Automaticien

4 Recette du programme de régulation sur plateforme d'essai COFELY DT Automaticien

5 Essai puissance électrique et contrôle sens rotation des moteurs COFELY DT Electricien

6 Paramétrages variateur de fréquence COFELY DT Constructeur Variateur

7 Essai automatisme et régulation - vérification affectation COFELY DT Automaticien

8 Essai de fonctionnement du groupe froid avec le variateur COFELY DT

9 Essai de fonctionnement des pompes évaporateurs avec variateurs COFELY DT

10 Mesure de performance COFELY DT

11 Réception de chantier COFELY DT COFELY MINATEC

12 Formation personnel d'exploitation COFELY DT COFELY MINATEC

13 Rédaction des Dossiers d'Ouvrage Exécutés - D.O.E. COFELY DT

Tâche

Tâche

Tâche

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3

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Présentation PFE aux Responsables Techniques COFELY SUD EST13

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Tâche

JUIN JUILLET AOUT

ETU

DE

EXEC

UTI

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SEPTEMBRE OCTOBRE NOVEMBRE

MARS AVRIL MAI

JUIN à

SEPTEMBRE

FEVRIER 2011

Carine SERRELI Sylvain VIGNERON


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1. Compréhension du mode de fonctionnement d’une machine frigorifique

1.1. Principe de fonctionnement des machines frigorifiques

Les machines frigorifiques, tout comme les pompes à chaleur, sont des systèmes thermodynamiques dans lesquels un fluide caloporteur va subir un cycle de transformation et ainsi permettre un transfert de chaleur entre deux sources : une source dite froide et une dite chaude. Ce transfert de chaleur est rendu possible par un apport de travail mécanique. La différence entre une machine frigorifique et une pompe à chaleur réside uniquement dans le choix de la source comme référentiel.

- La machine frigorifique va permettre d’extraire de la chaleur à la source froide, il y a donc production de froid à la source froide.

- La pompe à chaleur, quant à elle, va permettre un dégagement de chaleur à la source chaude et ainsi produire de la chaleur à la source chaude.

Ainsi, elles ont le même principe de fonctionnement : transférer la chaleur de la source froide à la source chaude ; seule la source de référence change. Le cycle thermodynamique, décrit dans la figure 1, d’une machine frigorifique est constitué de quatre principaux éléments : le compresseur, le détendeur et deux échangeurs de chaleur : le condenseur et l’évaporateur. Le fluide caloporteur utilisé est appelé fluide frigorigène. Le principe du circuit frigorifique consiste à utiliser, dans un circuit fermé, les propriétés thermodynamiques de ce fluide frigorigène. Lors de son passage au travers de ces éléments, il va changer d’état. L’évolution que va suivre le fluide frigorigène est expliquée ci-dessous :

- Le gaz chaud sous pression sortant du compresseur va se condenser, c'est-à-dire passer à l’état liquide, dans le condenseur.

- Le détendeur permet au liquide sous pression de diminuer sa pression et sa température pour obtenir du liquide détendu.

- L’évaporateur permet au fluide de passer de l’état liquide à l’état gazeux, ce changement d’état s’effectue en basse pression.

- Le compresseur ferme la boucle en comprimant la vapeur basse pression précédemment obtenue en gaz chaud sous pression.

Figure 1: Le cycle frigorifique


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L’évaporation et la condensation s’effectuent à pression et température constantes. La pression d’évaporation est généralement appelée la basse pression BP, et la pression de condensation la haute pression HP. Ainsi on remarque que la pression d’évaporation est inférieure à la pression de condensation. L’évaporation et la condensation sont représentées par deux paliers isobares sur le diagramme enthalpique. Le travail fourni au compresseur est noté W ; la chaleur totale évacuée est notée Qc ; la chaleur absorbée à l’évaporateur est notée Q0. Étant donné que c’est un circuit fermé, toute l’énergie fournie au circuit est égale à celle qui est évacuée. Ainsi, en faisant le bilan d’énergie, on obtient :

W + Q0 = Qc

D’où les définitions suivantes :

- COP : Coefficient de Performance, pour le mode chaud COP = Puissance récupérée au condenseur / Puissance électrique COP = Qc / W Ce nombre sans dimension est caractéristique des pompes à chaleur. Plus sa valeur est élevée, meilleur est le rendement énergétique.

- EER : Efficiency Energy Ratio, pour le mode froid EER = Puissance récupérée à l'évaporateur / Puissance électrique EER = Q0 / W Ce nombre sans dimension est caractéristique des groupes de production de froid. Plus sa valeur est élevée, meilleur est le rendement énergétique. Ainsi, on en déduit la relation suivante : COP = EER + 1 1.2. Description du cycle thermodynamique Le cycle thermodynamique est généralement représenté sur le diagramme enthalpique. Ce diagramme, représenté sur la figure 2, illustre les différentes étapes que va subir le fluide frigorigène. L’axe des ordonnées indique la pression et l’axe des abscisses représente l’enthalpie.

Figure 2 : Le diagramme enthalpique


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Description de l’évolution du fluide frigorigène : Étape 1 2 : le fluide frigorigène est à l’état de vapeur surchauffée, en haute pression. Cette phase est appelée la désurchauffe, c’est le passage de l’état de vapeur surchauffée à l’état de vapeur saturée.

Étape 2 3 : C’est la phase de condensation. Elle permet de passer de l’état de vapeur saturée à celui de liquide saturé. La condensation s’effectue à température constante, appelée température de condensation notée tc, ainsi la température du point 2 est égale à celle du point 3.

Étape 3 4 : Le passage du point 3 au point 4 est appelé sous refroidissement. Il permet de passer de l’état de liquide saturé à celui de liquide sous refroidi. Il est généralement compris entre 3 et 8 K.

Étape 4 5 : C’est la phase de détente lors du passage dans le détendeur. Cette phase ne comporte ni pertes ni gains, c’est pourquoi elle est représentée sur une verticale, appelée isenthalpe (même enthalpie, i.e. énergie). Cette phase fait passer le fluide frigorigène de la haute pression à la basse pression.

Étape 5 6 : Cette phase est la phase d’évaporation, c'est-à-dire que le fluide passe de l’état de mélange liquide/vapeur à celui de vapeur saturée. Tout comme la condensation, l’évaporation s’effectue à température constante, appelée température d’évaporation notée t0, ainsi la température du point 5 est égale à celle du point 6.

Étape 6 7 : Le passage du point 6 au point 7 est appelé surchauffe. Ce passage permet de passer de l’état de vapeur saturée à celui de vapeur surchauffée. Elle est comprise entre 4 et 8 K.

Étape 7 1 : C’est la phase de compression, le fluide frigorigène reste à l’état de vapeur surchauffée. Cette phase s’accompagne d’une augmentation de température et de pression : passage de la basse pression à la haute pression. Le sous refroidissement et la surchauffe sont des écarts de température du fluide frigorigène par rapport à une température de changement d’état :

- le sous refroidissement est l’écart entre la température de condensation tc et celle du point 3.

- La surchauffe est l’écart entre la température du point 6 et la température d’évaporation t0.

Il existe un moyen très simple pour déterminer la température d’évaporation t0 et la température de condensation tc pour une installation donnée. Cela dépend des paramètres suivants : la température extérieure et la température de consigne, qui est la température à laquelle on doit produire du froid.

- La température de condensation est généralement égale à la température extérieure majorée de la valeur du sous refroidissement.

- La température d’évaporation est égale à la température de consigne de production de froid minorée de la valeur de la surchauffe.

La production de froid est obtenue par l’évaporation du fluide frigorigène lors de son passage dans l’évaporateur. En effet, l’évaporation est une réaction endothermique, c’est-à-dire qu’elle va absorber de la chaleur à la source froide qui va voir sa température diminuer. Les fluides frigorigènes ont la particularité d'avoir, sous la pression atmosphérique normale, une température d’évaporation très faible. Ainsi, cette propriété nous permet de maintenir l’évaporateur à une température inférieure à celle du milieu à refroidir, appelé source froide. Prenons, par exemple, le cas du fluide frigorigène R134A, celui-ci a la capacité de s’évaporer à une température de -26.4°C, à la pression atmosphérique normale. Chaque fluide a sa propre évolution pression/température. Le circuit frigorifique est également constitué d’organes de sécurité qui permettent le bon fonctionnement de l’installation. Leur fonction est expliquée dans l’ANNEXE 1.


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2. Les différents types de compression

Dans cette partie, nous allons étudier le compresseur qui représente l’élément essentiel du système frigorifique. Il existe plusieurs mécanismes de compresseurs différents, ils sont représentés dans la figure 3. On distingue deux grandes familles de compresseurs :

- les compresseurs volumétriques : la variation de pression est associée à une variation de volume ;

- les turbocompresseurs qui sont des compresseurs dynamiques : l’énergie cinétique est transformée en énergie de pression. Ainsi la variation de pression est fondée sur la variation de vitesse du gaz par l’effet centrifuge.

Figure 3 : Classification des compresseurs

On peut également classer les compresseurs selon leur association moteur-compresseur : - compresseur ouvert : il est constitué d’un bloc mécanique, ainsi que d’un arbre sur

lequel est accouplé le moteur. L’arbre passe au travers d’une garniture d’étanchéité. Ce type de compresseur est utilisé pour les moyennes et grosses puissances.

- compresseur semi-hermétique : il possède la même constitution que le compresseur ouvert excepté que le moteur est logé dans le carter ; il est démontable et réparable. Il est utilisé pour les moyennes puissances.

- compresseur hermétique : il est constitué de la même façon que le compresseur semi-hermétique, la principale différence est que l’on ne peut intervenir : le carter est soudé. Ce type de compresseur est utilisé pour les petites et moyennes puissances.

Les caractéristiques et le domaine d’application de chacun : Ces catégories de compresseurs se distinguent non seulement par leur technologie mais aussi par leur plage de fonctionnement. La figure 4 présente les plages de puissance de fonctionnement des compresseurs volumétriques. On voit que le compresseur à vis permet de couvrir une plus large plage de puissance que le compresseur à piston ou que le compresseur Scroll, en effet il permet d’atteindre 1000 kW. En ce qui concerne les turbocompresseurs, ils sont utilisés pour des puissances supérieures à 1000 kW.

Figure 4 : Domaine d'application des compresseurs volumétriques

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Plage de puissance frigorifique [kW]

Piston Hermétique Vis Piston Semi-Hermétique Scroll


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3. Étude de la technologie du compresseur à vis

3.1. Le mécanisme de compression

Le compresseur à vis est un compresseur rotatif à flux continu, ayant un couple relativement constant en fonction de la vitesse. Il est composé d’un carter et de deux rotors de même diamètre. Le rotor primaire, également appelé rotor mâle, comporte n lobes, de profil demi-circulaire, qui s’engrènent, à tour de rôle, dans n+2 gorges hélicoïdales du rotor femelle ou secondaire. Les deux rotors accouplés sont engrainés ensemble, emprisonnant le gaz et réduisant son volume le long des rotors. Le rendement volumétrique d'un compresseur à vis est bon grâce à l'absence d'espaces morts, que l’on trouve, par exemple, dans les compresseurs à pistons. Cette propriété permet d'avoir des compresseurs compacts.

Figure 5 : Le mécanisme de compression à vis avec le détail de l’engrenage des rotors

L’orifice d’aspiration est généralement dimensionné de manière à alimenter toutes les cannelures simultanément ; alors que l’orifice de refoulement est conçu pour qu’il soit en contact avec un seul canal à la fois. Ainsi chaque cannelure femelle est considérée comme une chambre de compression et chaque lobe mâle fait office de piston. La rotation des rotors provoque la variation du volume des chambres de compression et ainsi la compression du fluide.

Les cycles de fonctionnement sont l’aspiration, la compression et le refoulement (Figure 6). Lors de l’aspiration, le gaz est aspiré et remplit l’espace inter-lobaire (Volume V0, zone bleue foncée). Cet espace augmente jusqu’à ce que le lobe et la cannelure soient complètement engrenés (Volume V1, zone bleue claire) et étanches vis-à-vis de la chambre d’aspiration (point A).

La rotation entraîne une diminution de volume entre les lobes (Volume V2, zone rouge) accompagnée d’une augmentation de pression du gaz : c’est la compression, elle démarre au point B. La phase de refoulement commence lorsque le gaz atteint l’orifice de sortie (point C) et se finit lorsque l’évacuation des gaz est complète. Figure 6 : Les phases de fonctionnement


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3.2. Caractéristique propre au compresseur à vis : le rapport de volume interne Vi Le rapport de volume, noté Vi, est une caractéristique inhérente au compresseur : cette caractéristique affecte directement sur les performances du compresseur. On connaît également Vi sous l’appellation de volume ratio. On définit ce coefficient comme étant le rapport entre le volume aspiré V1 et le volume refoulé V2. Ces volumes correspondent respectivement aux volumes représentés en bleu clair et en rouge sur la figure 6.

Vi = V1/ V2 = Volume au début de la compression / Volume à la fin de la compression

Ce volume ratio détermine le taux de compression τ. Le taux de compression est le rapport entre la pression P2 du volume refoulé V2 et la pression P1 du volume aspiré. Ce rapport est positif étant donné que P2 représente la pression de refoulement, la pression maximum et P1 la pression d’aspiration, la pression minimum.

τi = P2/ P1 = Pression du volume refoulé / Pression du volume aspiré

Il faut donc être judicieux quant au choix de ce ratio afin que le taux de compression obtenu soit le plus proche possible du taux de compression du système.

- S’il est inférieur au taux de compression du système, il y a sous-compression c'est-à-dire un manque de puissance.

- S’il est supérieur, il y a surcompression, c'est-à-dire une surconsommation. Afin d’éviter cela, il faut que la pression en fin de compression au niveau de l’orifice de refoulement, notée P Refoulement Réel sur la figure 7, corresponde à la pression dans la tuyauterie de refoulement, c'est-à-dire à la pression de refoulement interne, notée P2i.

Figure 7 : Phénomènes de sur- ou sous-compression

Le Vi est donc une caractéristique fondamentale du compresseur à vis qu’il faut adapter au régime de fonctionnement du système frigorifique. Concrètement, ce coefficient Vi est déterminé par la taille et la forme de l’orifice de compression. Un compresseur peut être à Vi fixe ou à Vi variable :

- pour un compresseur à Vi fixe équipé d’un tiroir de régulation de capacité, le Vi est donné pour la longueur du tiroir de capacité.

- pour un compresseur à Vi variable, un second tiroir, appelé tiroir de Vi, est situé derrière le tiroir de capacité. Ce tiroir de Vi permet de créer un volume qui limite la course du tiroir de capacité réglant ainsi la section de l’orifice de refoulement.

Le principal inconvénient des machines à Vi constant est qu’elles ne peuvent s’adapter à des régimes de pressions variables et ainsi voient leur rendement se détériorer en dehors du point d’adaptation. Comme on le voit sur la figure 8, le rendement d’un compresseur à Vi fixe n’est optimisé que pour une unique valeur de Vi et diminue lorsque le rapport de compression évolue ; alors que le fonctionnement en Vi variable permet à la machine de s’adapter aux variations de régimes de pressions et ainsi d’avoir un rendement toujours optimisé et ce pour n’importe quelle valeur de rapport de compression.

Figure 8 : Amélioration du rendement avec Vi variable


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Le tiroir de variation de Vi et le tiroir de régulation de capacité sont mécaniquement indépendants. Ils sont chacun contrôlés par un piston. Ces pistons sont déplacés, au moyen d’électrovannes qui agissent sur la pression d’huile en les maintenant dans la position désirée. Nous verrons ultérieurement le fonctionnement du tiroir de capacité. 3.3. La double fonction du circuit d’huile : lubrification et étanchéité Il existe deux systèmes de lubrification : par barbotage pour les petits compresseurs, et par pompe à huile pour les plus gros compresseurs. Nous expliquerons uniquement le principe d’injection d’huile, étant donné que c’est le système de lubrification que l’on retrouve dans le compresseur à vis. Comme nous l’avons vu dans la partie 3.1., le rotor libre est entraîné par le rotor couplé au moteur : il y a donc un contact permanent entre les rotors pendant leur fonctionnement. Ceci met en évidence la nécessité de lubrifier les parties en contact afin de préserver les rotors d’une usure rapide. La lubrification des rotors est assurée par une injection d’huile permanente qui va ainsi former un film entre les deux rotors. Cette injection d’huile permet non seulement de lubrifier les rotors et d’assurer leur étanchéité, mais elle assure également la lubrification et le refroidissement des paliers et de la transmission. La quantité d’huile injectée nécessaire est importante à cause des contraintes appliquées aux rotors. En effet, pour un compresseur à vis, le débit massique d’huile peut être jusqu’à trois fois plus important que celui du fluide frigorigène. Cette quantité d’huile traverse le compresseur et se mélange aux vapeurs de fluide frigorigène. Cette huile a pour effet de stagner au bas des tubes et de diminuer la puissance frigorifique et calorifique des échangeurs. C’est pourquoi il faut empêcher l’huile de se propager vers les échangeurs en la séparant du réfrigérant. Le séparateur d’huile, monté sur le refoulement du compresseur, assure cette fonction de séparation en plus de celle de réservoir d’huile et celle d’injection permanente. Le séparateur d’huile utilise les trois effets suivants pour séparer l’huile du réfrigérant :

- effet de choc : le mélange gaz-huile est projeté sur une paroi perpendiculaire au jet, ainsi les particules les plus lourdes d’huile sont séparées.

- effet cyclonique : il permet de propulser les particules d’huile sur la paroi grâce à son effet de centrifugation.

En sortie du séparateur, l’huile est réinjectée dans le compresseur soit par une pompe à engrenage entraînée par le compresseur ou indépendante, soit par différence de pression entre la pression d’aspiration et la pression de refoulement. Avant de retourner dans le compresseur, l’huile passe au travers d’un refroidisseur afin d’évacuer la chaleur du moteur. L’extraction de chaleur par le refroidisseur d’huile peut s’opérer de plusieurs façons : par un circuit séparé d’eau froide, par l’eau de condensation même, …

Figure 9 : Le circuit de lubrification


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La lubrification est influencée par la vitesse de rotation du moteur : le débit d’huile dépend de la vitesse. C’est pourquoi, si cette vitesse est trop faible, il y aura un défaut de lubrification et un risque de casse prématurée du compresseur. Il existe donc une vitesse critique inférieure (environ 1000 tr/min) où le film d’huile devient discontinu et l’étanchéité entre les lobes est mal assurée. Cet aspect sera à prendre en compte lors de l’utilisation de la variation électronique de vitesse sur le compresseur à vis.

4. La variation de puissance : une source de gains énergétiques

La variation de puissance représente de nombreux avantages et permet également de réaliser des économies d’exploitation non négligeables. Les installations frigorifiques sont dimensionnées pour la charge thermique maximale. Leur fonctionnement est donc optimisé pour cette pleine charge, cela correspond à la puissance nominale. Le fonctionnement à ce régime nominal est exceptionnel. Comme l’indique la figure 10, les besoins frigorifiques sont variables dans le temps et, dans la majorité des applications, les temps de fonctionnement à puissance réduite constituent l’essentiel des fonctionnements. Cette logique de dimensionnement implique que, la plupart du temps, les systèmes frigorifiques fonctionnent réellement à charge thermique réduite et donc hors du fonctionnement nominal pour lequel ils ont été optimisés.

Or tous les composants ont leur rendement maximum à la puissance nominale. Les systèmes de régulation des installations frigorifiques ont ainsi un impact essentiel sur les consommations d’énergie.

4.1. Les modes de variation de puissance existants Il existe de nombreuses techniques de variation de puissance. Certains modes de variation de puissance sont indépendants du type de compresseur tels que :

- Régulation en tout ou rien (TOR) : c’est le mode de régulation le plus simple, utilisé pour les systèmes de petites puissances, il est basé sur le nombre acceptable de démarrages par heure qui définira indirectement les seuils haut et bas du régulateur.

- Régulation en tout ou peu : appelée également TOR en cascade, c’est la version plus complexe du mode TOR, cela consiste à mettre en parallèle plusieurs compresseurs dont la mise en route et l’arrêt dépendent de la demande de puissance.

- Court circuit HP/BP : Ce mode de régulation consiste à by-passer une partie du débit HP et de le réintégrer directement vers le débit BP. Il n’est utilisé que sur les systèmes de petite puissance, et est à éviter car il génère des pertes énergétiques importantes.

- Laminage des vapeurs aspirées : Cela consiste à introduire une perte de charge, au moyen d’une vanne régulante, à l’aspiration du compresseur afin de limiter le débit. Tout comme le mode de variation précédent, ce système est à éviter car il entraîne la destruction du rendement énergétique.

Figure 10 : Exemple de profil de variation des besoins frigorifiques dans le temps


13

Il existe également des modes de variation spécifiques au type de compresseur tels que, par exemple :

Variation d’espace mort pour les compresseurs alternatifs à piston : il s’agit d’augmenter le volume mort usuel dans le but d’abaisser le volume balayé du compresseur et donc le rendement volumétrique, cette méthode est peu favorable d’un point de vue énergétique.

Aubes de pré-rotation pour les compresseurs centrifuges : ces aubes, situées à l’aspiration du compresseur, ont une inclinaison variable et permettent de faire varier le débit en modifiant la direction du vecteur vitesse du fluide.

Tiroir de variation de capacité pour les compresseurs à vis : ce dispositif mécanique permet de réduire la longueur utile de la vis et donc du débit.

Nous allons étudier, dans la partie suivante, plus précisément cette solution de variation de capacité pour le compresseur à vis. 4.2. Étude du mode de variation de puissance spécifique au compresseur à vis : la

régulation par tiroir de capacité

4.2.1. Le principe mécanique

C’est la technologie de variation de puissance la plus fréquemment rencontrée dans les compresseurs de type bi-vis. En ce qui concerne les compresseurs monovis, peu de modes de régulation de puissance sont connus étant donné qu’ils sont rarement utilisés en froid et en climatisation.

Le principe du tiroir de réduction de puissance est basé sur le contrôle du débit en jouant sur la longueur effective du rotor. Cette méthode repose sur la présence d’un tiroir, qui coulisse axialement à l’intersection des deux rotors. Ce tiroir permet ainsi de créer un passage de recirculation plus ou moins important vers l’aspiration d’une partie des gaz. Lorsque le tiroir est ouvert, la longueur effective de la cavité de compression est réduite, tout comme le volume aspiré. Le gaz en cours de compression est partiellement bipassé vers la chambre d’aspiration de façon à ce que le volume effectivement comprimé soit plus faible. Les surfaces du tiroir de capacité sont parfaitement usinées pour épouser exactement la périphérie des rotors et ainsi minimiser les fuites.

La figure 11 illustre bien l’effet du tiroir de régulation sur le volume aspiré et donc sur la puissance du compresseur. Au fur et à mesure que le tiroir s’ouvre, la quantité de gaz bipassé (zone en jaune) vers l’aspiration augmente, d’où une diminution de la quantité de volume comprimé et par conséquent de la puissance. Cette méthode permet donc une variation de la puissance continue. Cependant, l’inconvénient majeur est la perte énergétique inévitable par le by-pass.

Figure 11 : Système de réduction du débit refoulé


14

La figure 12 représente la disposition des tiroirs de variation de Vi et de capacité dans le compresseur : le tiroir de variation de Vi est encastré dans le tiroir de capacité afin de pouvoir coulisser dans ce dernier. On identifie ainsi le rôle de chaque tiroir :

le tiroir de capacité permet de by-passer une partie du volume de gaz aspiré afin de diminuer le volume des gaz refoulés et ainsi la puissance ;

le tiroir de variation de Vi, quant-à lui, permet d’ajuster la section de l’orifice de refoulement afin de minimiser les pertes énergétiques lors de la compression.

Figure 12 : Principe de la régulation de capacité et de l’ajustement du Vi

4.2.2. La commande hydraulique du circuit d’huile

La variation de capacité et la variation du volume Vi sont toutes les deux assurées au moyen de pistons. Ces pistons sont commandés hydrauliquement par la pression d’huile et déplacent le tiroir selon le mécanisme illustré en figure 13. Lorsque le tiroir de capacité est poussé complètement vers le côté aspiration, tout l’espace de travail entre les profils est utilisé : le compresseur est rempli de gaz aspirés. La puissance est alors maximum, ce qui correspond au schéma de gauche de la figure 13. Lorsque le tiroir se déplace vers le côté refoulement, la quantité des gaz aspirés diminue et celle des gaz bipassés augmente. La puissance frigorifique décroît, ce cas est illustré sur le schéma de droite de la figure 13. Lorsque la puissance fournie correspond à la demande, toutes les électrovannes sont fermées et le tiroir reste dans sa position.

Lorsque la vanne X est ouverte, la pression d’huile augmente dans la chambre de pression, ce qui déplace le tiroir vers l’aspiration : la puissance frigorifique augmente.

L’ouverture des vannes Yn provoquent l’effet inverse : la pression d’huile qui agit sur le piston diminue. Le tiroir est, cette fois-ci, poussé vers le refoulement : la puissance frigorifique diminue.

Figure 13 : Visualisation du mouvement du tiroir de capacité par commande hydraulique


15

5. Étude de la solution choisie : La variation électronique de vitesse de rotation du compresseur

Comme on l’a dit précédemment, le fonctionnement des installations frigorifiques est dimensionné et optimisé à pleine charge. Or on sait que la plupart de ces installations fonctionnent à charge partielle la majeure partie du temps. De plus, la solution de variation de puissance spécifique au compresseur à vis, c'est-à-dire le tiroir de capacité, entraîne d’importantes pertes énergétiques. C’est pourquoi est apparu un « nouveau » dispositif de variation de puissance : la variation électronique de vitesse de rotation du compresseur, appelée également V.E.V. Cette méthode, qui permet l’adaptation du débit de fluide frigorigène aux besoins frigorifiques, est énergétiquement intéressante. En effet, elle permet une proportionnalité de la puissance électrique absorbée à la puissance frigorifique appelée. Alors que pour les systèmes à vitesse fixe, on constate que la consommation d’énergie n’est pas proportionnelle à la charge frigorifique : la charge frigorifique décroît plus vite que la consommation électrique : le rendement énergétique s’en trouve dégradé. On observe que la variation de vitesse se rapproche davantage de l’évolution idéale. Ainsi, la zone en jaune sur le schéma représente l’économie d’énergie que l’on effectue en choisissant la VEV par rapport à la régulation par tiroir. Principe de fonctionnement : Le compresseur est entraîné par un moteur électrique qui fonctionne à une vitesse de rotation fixée par son régime nominal. L’ajout d’un convertisseur électronique de fréquence permet de modifier la fréquence d’alimentation du moteur et ainsi de modifier sa vitesse de rotation. La vitesse de rotation du compresseur est associée aux variations de la charge frigorifique. Avec un convertisseur de fréquence, la puissance frigorifique du compresseur peut être adaptée à la demande de froid de l’installation par une régulation continue de la vitesse. Cependant, la puissance électrique absorbée avec un convertisseur de fréquences est légèrement plus élevée que pour le fonctionnement du compresseur branché directement au réseau à cause des pertes dans le moteur et dans le convertisseur de fréquences. Obstacles à l’utilisation de la variation de vitesse : Lorsque la vitesse circonférentielle des rotors devient trop faible, l’étanchéité interne du compresseur, assuré par le film d’huile, n’est plus effectuée. Ceci est dû à la dégradation du rendement volumétrique aux faibles vitesses de rotations (limite inférieure estimée à 1000 tr/min). De plus, lorsque la vitesse des rotors est inférieure à ce seuil limite, il y a également un problème de lubrification. En effet, l’huile n’assure plus son rôle de lubrification pour la même raison que celle citée précédemment.

Figure 14 : Évolution de la puissance absorbée en fonction de la puissance frigorifique


16

6. Comparaison de deux modes de variation de puissance pour le compresseur à vis à l’aide de logiciels de simulation

Dans cette partie, nous allons quantifier en termes d’efficacité énergétique et d’économie l’écart de performance entre la variation électronique de vitesse et la régulation par tiroir de capacité. Les logiciels que j’ai étudiés sont Bitzer Software 5.3.1 et Comsel – Grasso Sélection de compresseurs, GEA ; ce sont des logiciels constructeurs disponibles sur leur site respectif. Ces deux fabricants de compresseurs comptent parmi les leaders dans le domaine de la réfrigération industrielle et plus particulièrement dans le domaine des compresseurs frigorifiques. Nous choisirons de mener cette étude comparative à l’aide du logiciel Comsel – Grasso Sélection de compresseurs, GEA. Ce logiciel s’avérera plus adapté à notre étude de cas, le site du CEA de Grenoble car il permet d’atteindre d’importantes puissances frigorifiques. Ce logiciel nous permettra de simuler le fonctionnement d’une installation type, dont les caractéristiques sont renseignées au préalable, et ainsi, pour un compresseur donné, d’avoir l’évolution du coefficient EER (nombre caractéristique des groupes de production de froid) en fonction de la puissance frigorifique. 6.1. Choix d’un type de compresseur

Afin de mener à bien cette étude, il nous faut, dans un premier temps, déterminer le type de compresseur sur lequel on va travailler. Le catalogue GEA nous propose trois séries d’équipements de puissances frigorifiques croissantes : compresseurs à vis semi-intégrés, compresseurs à vis compacts, compresseurs à vis. Le compresseur à vis choisi appartient à la dernière gamme, c’est-à-dire la gamme aux puissances frigorifiques les plus élevées, sa référence est : W 2240S-28. Il fonctionne au R134a. La figure 15 représente l’interface graphique du logiciel et illustre les valeurs à renseigner.

Figure 15 : Interface graphique du logiciel GEA-Grasso


17

Ainsi, les caractéristiques inhérentes au compresseur sélectionné ont été configurées avec les valeurs ci-dessous :

Une fois les données renseignées, on obtient les caractéristiques générales de fonctionnement qui sont présentées sur la figure 16.

Figure 16 : Caractéristiques générales du compresseur

6.2. Simulation théorique des deux méthodes de régulation Le but est de comparer le coefficient EER pour plusieurs valeurs de puissances frigorifiques. Pour ce faire, on procède de la façon suivante :

pour la variation de vitesse, j’ai fait évoluer manuellement la vitesse de rotation de 2940 à 1450 tr/min (1450 tr/min représente le minimum acceptable par le logiciel) avec un pas de 100 tr/min et j’ai calculé son EER pour chaque valeur de puissance frigorifique obtenue.

pour la régulation par tiroir de capacité, le logiciel nous donne directement le tableau de valeurs contenant les positions du tiroir de 100% à 10% en fonction des puissances absorbées et frigorifiques. Je fais ensuite correspondre la puissance frigorifique avec celle obtenue par la variation de vitesse afin de pouvoir comparer leur EER. Puis j’effectue le calcul du coefficient EER pour chaque position du tiroir.

Compresseur à Vis type W 2240S-28

Température d'évaporation Température de condensation

Puissance absorbée P frigorifique

-5 °C 30 °C 200,4 kW 898,4 kW

Fréquence Vitesse de rotation

Surchauffe Fluide Frigorigène

50 Hz 2940 tr/min 5 K R 134 a


18

Ci-contre, les valeurs de puissances frigorifiques et de puissances absorbées pour le mode de régulation par tiroir de capacité. Ces valeurs sont données pour un pas de 10%. Afin d’être en mesure de comparer le coefficient EER des deux modes de régulation, il faut que la puissance frigorifique fournie soit la même. C’est pourquoi, j’ai fait correspondre les valeurs de position du tiroir de sorte à obtenir la même puissance frigorifique que celle obtenue par la variation de vitesse.

Par exemple, comme on le voit ci-dessous, la variation de vitesse nous donne 587,8 kW de puissance frigorifique pour une vitesse de rotation de 2000 tr/min ; ce qui est équivalent, pour la régulation de capacité, au tiroir positionné à 65,43 % par rapport à sa position nominale. Étant donné que la puissance frigorifique est la même, nous pouvons donc comparer leur EER respectif : on remarque qu’il est plus élevé pour la variation de vitesse que pour la régulation par tiroir de capacité. Le tableau de valeurs obtenu est récapitulé ci-dessous pour chaque mode de régulation :

RÉGULATION PAR TIROIR DE CAPACITÉ

VARIATION DE VITESSE ÉLECTRONIQUE

Position du tiroir [%]

Pabsorbée [kW]

Pfrigorifique [kW]

EER Vitesse de

Rotation [tr/mn] Pabsorbée

[kW] Pfrigorifique

[kW] EER

100 200,4 898,4 4,48 2940 200,4 898,4 4,48

94,85 194,2 852,2 4,39 2800 190,9 852,2 4,46

91,17 189,8 819,1 4,32 2700 184,0 819,1 4,45

87,5 184,4 786,1 4,26 2600 177,2 786,1 4,44

83,82 178,5 753,0 4,22 2500 170,4 753,0 4,42

80,15 172,5 720,0 4,17 2400 163,6 720,0 4,40

76,46 167,3 686,9 4,10 2300 156,8 686,9 4,38

72,78 162,2 653,9 4,03 2200 150,0 653,9 4,36

69,1 157,0 620,8 3,95 2100 143,1 620,8 4,34

65,43 151,9 587,8 3,87 2000 136,3 587,8 4,31

61,75 146,8 554,7 3,78 1900 129,5 554,7 4,28

58,07 141,6 521,7 3,68 1800 122,7 521,7 4,25

54,39 136,4 488,6 3,58 1700 115,9 488,6 4,22

50,71 131,3 455,6 3,47 1600 109,1 455,6 4,18

47,03 126,7 422,5 3,33 1500 102,2 422,5 4,13

45,19 124,5 406,0 3,26 1450 98,8 406,0 4,11

La figure 18 illustre l’écart de performance entre la variation électronique de vitesse et la régulation par tiroir de capacité. Il représente l’écart entre l’EER obtenu par variation de vitesse et celui obtenu par régulation de capacité en fonction de la charge, c'est-à-dire en fonction du pourcentage de puissance frigorifique. On remarque qu’à charge totale, c'est-à-dire lorsque la puissance frigorifique est à son maximum, l’écart de performance entre les deux modes de variation est négligeable.

L’écart de performance augmente d’autant plus que la charge de puissance frigorifique diminue. Ceci nous permet de conclure que la variation de vitesse est plus performante que la régulation par tiroir de capacité à charge partielle. L’écart de performance entre la VEV et le tiroir de capacité est maximal lorsque la charge frigorifique est maximale.

Figure 17 : Résultats obtenus par le logiciel pour la régulation par tiroir de capacité


19

Ainsi, la variation de vitesse est une solution d’amélioration de l’efficacité énergétique d’autant plus efficace que l’installation fonctionne à puissance frigorifique réduite.

Figure 18 : Écart de performance entre la VEV et la régulation par tiroir de capacité

6.3. Comparaison des résultats d’un point de vue de la performance énergétique

Selon les premiers résultats obtenus précédemment, la solution proposant la variation électronique de vitesse permet une nette amélioration des performances énergétiques de l’installation par rapport à la solution du tiroir de capacité, et ce pour n’importe quel taux de charge frigorifique. En effet, l’écart d’EER entre la VEV et la régulation de capacité est positif : la VEV permet donc un gain d’EER, c'est-à-dire un gain de performance énergétique.

Cependant, la solution VEV nécessite la mise en place d’un variateur de fréquence. Or, il ne faut pas oublier, dans nos calculs, les pertes thermiques dues à ce variateur. On estime, à l’aide des données des constructeurs de variateurs (SCHNEIDER ELECTRIC ou OMRON), ces pertes à 5 kW pour la puissance du variateur considéré. Ces pertes vont intervenir dans la puissance absorbée : celle-ci va augmenter de 5 kW. Ainsi, à l’aide de cette nouvelle valeur de puissance absorbée, on va obtenir un nouveau coefficient EER, qu’on appellera EER’. Cet EER’ qui intégrera ces pertes par une légère baisse de sa valeur comparé à celui calculé précédemment.

La figure 19 illustre l’écart entre le nouveau EER obtenu par la VEV et l’EER obtenu par la régulation de capacité en fonction du taux de charge frigorifique. On remarque que de 100% à 94,5% environ, l’écart est négatif, c'est-à-dire que la VEV est moins intéressante, dans ce cas là, que la régulation par tiroir de capacité. Ceci est dû à la présence du variateur de fréquence. Pour un taux de charge de 94,5% l’écart d’EER est nul : les deux modes de régulation sont équivalents en termes de rendement énergétique. Cependant, sitôt que la charge thermique diminue en dessous de ce seuil, représenté par la droite orange, l’écart devient positif et la VEV est d’autant plus intéressante que le taux de charge frigorifique diminue.

-2,00

3,00

8,00

13,00

18,00

45,0 55,0 65,0 75,0 85,0 95,0Éca

rt d

e E

ER

[%

]

Charge frigorifique [%]

Écart d'EER entre les 2 modes de variation en fonction de la puissance frigorifique - Prise en compte du rendement du variateur de fréquence

Figure 19 : Nouvel écart de performance entre les deux modes de variation de puissance – Prise en compte du rendement du variateur de fréquence

0

5

10

15

20

45 55 65 75 85 95

Écart

de

EE

R [

%]

Charge frigorifique [%]

Écart d'EER entre les 2 modes de variation en fonction de la puissance

frigorifique


20

6.4. Comparaison des résultats d’un point de vue économique

Une fois la performance énergétique des deux modes de variation comparée et évaluée, on s’intéresse à l’aspect économique. Cet aspect est décisif : il représente l’axe moteur de tout projet dans le milieu professionnel. Nous allons donc, dans cette partie, évaluer le coût énergétique de deux méthodes de régulation puis en quantifier l’écart en euros. Pour ce faire, nous posons quelques hypothèses :

le prix du mégawatheure est estimé à 70 euros ;

le temps de fonctionnement de l’installation est supposé continu dans l’année : 8760 heures par an : la production de froid est continue toute l’année de par la nature du process-client.

La démarche effectuée pour l’étude de l’aspect économique est la suivante :

La puissance absorbée [kW] est multipliée par le nombre d’heures de fonctionnement par an [h/an] : cela nous donne le nombre de kilowattheures dans l’année [kWh/an] ;

On divise ce nombre par 1000 pour avoir des mégawatheures [MWh/an] ;

Ce nombre précédemment obtenu [MWh/an] est multiplié par le prix du mégawatheure [€/MWh] : on obtient le coût énergétique annuel [€/an].

Le graphique ci-dessous exprime, pour chaque mode de variation de puissance, le coût énergétique sur l’année en fonction du pourcentage de puissance frigorifique. On remarque que la VEV permet de faire des économies, surtout en dessous de 75% de puissance frigorifique.

Évolution du coût énergétique pour chaque méthode

60 000

80 000

100 000

120 000

45 55 65 75 85 95

Co

ût [€

/an

]

REGULATION PAR TIROIR REGULATION VITESSE VARIABLE

Figure 20 : Coûts deux modes de variation de puissance en fonction du taux de charge frigorifique

Le graphique ci-dessous permet de mieux illustrer l’écart de gains réalisés par l’utilisation de la VEV au lieu du tiroir de capacité. Ils s’élèvent à 12 000 euros pour un taux de charge frigorifique de 50 [%]. La courbe rouge représente le seuil positif de gains, elle coupe la courbe des gains en bleu pour un taux de charge de 94 [%] environ. Ainsi 94 [%] représente le seuil de taux de charge à partir duquel la VEV est plus économique que le tiroir de capacité.

La VEV est donc plus coûteuse que le tiroir de capacité lorsque le taux de charge est supérieur à 94 [%]. Ceci est dû, comme on l’a dit dans la partie précédente, au variateur de fréquence qui engendre une surconsommation électrique, c'est-à-dire un surcoût. Cependant, ce surcoût s’estompe rapidement au fur et à mesure que le taux de charge diminue.

En dessous de 94 [%], les gains engendrés par la VEV sont positifs et croissants lorsque le taux de charge diminue. Les gains maximums sont atteints pour un taux de charge de 45 [%] et s’élèvent à 15 000 euros.


21

Écart < 0 Surcoût

-3 000

2 000

7 000

12 000

45 55 65 75 85 95Éca

rt d

e p

rix [

eu

ros/a

n]

Taux de charge frigorifique [%]

Économies réalisées en fonction du taux de charge frigorifique

6.5. Conclusion sur l’efficacité et le domaine d’application de chaque méthode de

régulation

Au vue des parties précédentes, on conclut que l’intérêt de choisir la variation électronique de vitesse comme solution de variation de puissance est d’autant plus important que l’installation fonctionne à puissance frigorifique réduite ; alors que la seconde alternative, la régulation par le tiroir de capacité, s’avère être plus rentable pour des taux de charge importants, compris entre 95 et 100% de la puissance frigorifique nominale. Cependant, la variation par tiroir de capacité figure parmi les moyens utilisés pour faire varier la puissance ; or, comme on l’a vu plus haut, elle n’est adaptée qu’au fonctionnement à forte charge, c'est-à-dire au fonctionnement dont le taux de charge varie très peu : c’est donc une contradiction. C’est pourquoi, dès lors que l’on cherche à faire varier la puissance, la solution de la régulation par tiroir, non adaptée, est à éviter. Malgré cette conclusion, ce mode de variation est très répandu : ceci est principalement dû à son coût de mise en œuvre qui est très faible car il est déjà intégré dans le compresseur à vis lors de sa fabrication. Avant de choisir le mode de variation de puissance que l’on va utiliser, il faut bien analyser le fonctionnement de l’installation : les besoins et le profil de la puissance frigorifique selon leur durée de fonctionnement. On a vu que la VEV permet de faire environ 15 000 euros de gains par an, lorsque le taux de charge est faible, par rapport au tiroir de capacité. Or on a également noté que la VEV entraîne un surcoût par rapport au tiroir de capacité : le prix du variateur et de son intégration dans l’installation. Par exemple, le chiffrage d’un variateur de fréquence de 300 kW nous donne une estimation du prix du variateur : 18 000 euros. Il faut ajouter à cette somme le prix de la main d’œuvre, du matériel, de la modification du système de régulation existant… ce qui nous donne un prix total de 25 000 euros. Ce surcoût est rapidement amorti : il est rentabilisé en moins de deux ans. Ainsi, il est important de réfléchir aux coûts de manière globale : il faut bien différencier le coût initial, ponctuel et le coût d’exploitation, dans la durée. Lors du chiffrage d’une installation et du choix du système de variation de puissance, il faut prendre en compte ces deux aspects. En effet, la régulation par tiroir à un coût initial faible, mais entraîne chaque année des coûts d’exploitation non négligeables. Alors que la VEV permet de réduire les consommations de l’installation : chaque année, il y a des gains, qui permettent d’amortir le surcoût initial en moins de deux ans.

Écart > 0 Économie

Figure 21 : Écart de prix entre la VEV et la régulation par tiroir de capacité


22

7. Application sur un cas concret : Audit de performance énergétique sur le site MINATEC du C.E.A. de Grenoble

Dans cette partie, nous allons étudier la variation de vitesse sur un cas concret et réaliser un audit énergétique. En effet, nous allons étudier le site posté MINATEC au C.E.A. de Grenoble. Cet audit nous permettra de trouver des pistes d’amélioration afin d’augmenter les performances énergétiques de l’installation. La thématique de ce PFE a pour origine les réflexions d’amélioration faites sur cette installation. La réalisation de cet audit instrumenté nous permettra de connaitre le fonctionnement actuel de l’installation. A l’aide de simulations, nous pourrons quantifier les gains en intégrant la variation de vitesse à la place de la régulation par tiroir actuelle. Nous déterminerons également les temps de retour brut. 7.1. Identification du site MINATEC, situé dans l’enceinte du C.E.A. de Grenoble, est un complexe scientifique dont les domaines de recherche sont la micro technologie et la nanotechnologie. Ce complexe, de 45 000 mètres carrés, comprend dans ses bâtiments des laboratoires de recherche et d’analyse, des salles blanches ainsi que plusieurs plateformes dédiées à différentes technologies.

Les dispositifs de fonctionnement technique, appelés DFT, sont un fournisseur d’utilités telles que des fluides (azote, air comprimé, eau désionisée, eau ultra pure, eau glacée, eau mitigée, eau chaude…) et des services (Facility management). La construction et l’exploitation de ces DFT ont fait l’objet d’un appel à concurrence en 2003 et c’est la société COFELY qui a remporté ce marché pour une durée de 18 ans. De par l’importance du domaine des recherches effectuées, l’installation doit être opérationnelle en permanence. 7.2. Description de l’installation frigorifique Nous nous intéresserons principalement à la production frigorifique. Elle est composée de trois groupes de production d’eau glacée : deux groupes centrifuges de 4 [MW] et un groupe à vis de 1,1 [MW]. L’installation est également équipée de six tours aéroréfrigérantes. La tour 1 est équipée d’un dispositif anti-panache, qui permet d’évacuer la chaleur du groupe à vis. Les cinq autres tours sont réservées aux deux groupes centrifuges. Le régime de température de l’eau glacée est de 5/10 [°C]. Le schéma suivant permet d’illustrer la composition de la station de froid.

Station de Froid : 3 Groupes

GF1 (Vis) 1.1 MW

GF2 (Centrifuge)

4 MW

GF3 (Centrifuge) 4 MW

TAR 1 TAR 2 TAR 3 TAR 4 TAR 5 TAR 6 antipanache


23

Les groupes de production d’eau glacée centrifuges sont équipés d’origine de variateurs de fréquence, leur vitesse de compression est donc variable. Le groupe frigorifique à vis, quant-à lui, est équipé d’un condenseur double pour la récupération. Nous expliquerons dans la partie 7.4. l’impact de ce récupérateur sur l’efficacité du groupe à vis. De par son haut niveau d’exigence de production, l’installation possède deux pompes de secours, équipées de variateurs de vitesses, adaptables aux trois groupes. Les tableaux situés en ANNEXE 2, ANNEXE 3 et ANNEXE 4 nous donnent respectivement les caractéristiques techniques du groupe à vis, des groupes centrifuges et des tours aéroréfrigérantes. Une tour aéroréfrigérante permet d’évacuer 2,1 [MW] de puissance calorifique. Sachant qu’un groupe centrifuge évacue environ 5 [MW], il nécessite trois tours pour évacuer toute sa puissance calorifique. La station de pompage comporte deux pompes par groupe frigorifique : une pour l’évaporateur et une pour le condenseur, les deux pompes de secours à vitesse variable, ainsi que trois pompes pour le réseau d’eau glacée. Les puissances de chacune d’entre elles sont indiquées sur la figure 22, où Pev correspond à la pompe du circuit relié à l’évaporateur et Pcs correspond à celle du circuit où l’on trouve le condenseur.

Figure 22 : Station de pompage du site MINATEC Un groupe frigorifique, de location, de 0.5 [MW] de puissance a été rajouté du mois de Décembre 2010 à Mars 2011. Il a été installé provisoirement afin d’augmenter la disponibilité en termes de puissance frigorifique. Nous verrons ultérieurement les raisons de façon plus détaillées de la location de ce groupe. Ci-dessous, les groupes tels qu’ils sont présentés dans la documentation de YORK.

Figure 23 : Groupe à vis (à gauche) et Groupe centrifuge (à droite) – Marque YORK

Des photographies de l’installation sont disponibles en ANNEXE 5.


24

7.3. Définition des besoins du client et de la production Afin de mieux appréhender l’installation, il est important de connaître le contexte climatique du site, c'est-à-dire l’évolution de la température extérieure au cours de l’année à Grenoble. Pour ce faire, nous avons utilisé les données de la station météo située au VERSOUD, dans

l’Isère (38). Les données obtenues pour l’année 2010 sont regroupées sur la figure 24 :

-16

-6

4

14

24

34

janv

ier

févr

ier

mar

sav

rilm

ai juin

juillet

août

sept

embr

e

octo

bre

nove

mbr

e

déce

mbr

e

Année 2010

Te

mp

éra

ture

ex

téri

eu

re [

°C]

Température Min. Température Max. Température moyenne Figure 24 : Évolution des températures au cours de l’année 2010 à Grenoble

Ce sont les besoins du client qui ont permis de dimensionner l’installation. Les besoins en puissance frigorifique, en eau glacée à 5 [°C], évoluent au cours de l’année selon une gaussienne dont le maximum se situe en été. Ils s’échelonnent entre 1 et 5 [MW]. Il est normal de retrouver le maximum en été étant donné que la production est liée à la climatisation des locaux. On remarque d’ores et déjà que la puissance frigorifique disponible de l’installation s’élève à 10 [MW] alors que les besoins maximums constatés sont de seulement 5 [MW]. Ceci vient du fait que l’installation a l’obligation de fonctionner en permanence et l’on ne peut se permettre d’arrêter la production en cas de problème sur l’un des groupes frigorifiques et de manquer de puissance. En effet, de par l’importance du domaine de recherche effectué par le client, nous avons favorisé sur cette installation la sécurité de l’approvisionnement de puissance en continu. De plus, ce surdimensionnement vient également du fait que les besoins réels sont inférieurs à ceux prévus par MINATEC lors de l’appel à concurrence.

La figure 25 permet de visualiser la puissance produite par les dispositifs de fonctionnement technique (DFT) au cours de l’année 2010.

Figure 25 : Évolution des besoins frigorifiques au cours de l'année 2010


25

La figure 25 inclue également l’évolution de la température extérieure moyenne au cours de l’année sur le site. La puissance moyenne frigorifique évolue proportionnellement à l’augmentation de la température extérieure, lorsque celle-ci est supérieure à 15 [°C]. En dessous de cette valeur, la puissance frigorifique moyenne est indépendante des conditions de température extérieure. On peut donc dire qu’en dessous de 15 [°C] de température extérieure, la production frigorifique est dédiée exclusivement au process du client ; en dessus de 15 [°C], la production frigorifique est dédiée non seulement au process mais aussi aux besoins de climatisation. En plus des besoins frigorifiques illustrés ci-dessus, le client a également besoin, pour ces process, d’eau mitigée à 45 [°C]. Les besoins en eau mitigée sont constants tout au long de l’année et s’élèvent à 300 [kW]. Ils sont produits en priorité par le condenseur du groupe froid à vis dont nous expliquons la particularité dans la partie 7.4.

Le site possède également des besoins en eau chaude à 90 [°C]. Cette eau chaude à 90 [°C] n’est pas produite par les DFT : elle est achetée au chauffage urbain de Grenoble sous forme d’eau à haute température. Cette eau chaude peut également permettre de générer l’eau mitigée à 45 [°C], au moyen d’un échangeur, lorsque le groupe frigorifique à vis est arrêté. 7.4. Particularité du groupe à vis : présence d’un condenseur double pour la récupération Le groupe à vis a la particularité de récupérer de l’énergie en la valorisant au lieu de l’évacuer via les tours. Ainsi, il fonctionne à la fois en mode récupération et en mode évacuation. Le mode récupération permet de fournir l’énergie nécessaire à la production de l’eau mitigée à 45 [°C]. En plus d’évacuer la chaleur comme les groupes frigorifiques classiques, par le biais de tours aéroréfrigérantes, le condenseur double permet également, par un circuit intermédiaire, de récupérer la chaleur du condenseur pour la valoriser. Cette chaleur récupérer permettra de fournir le client en eau mitigée à 45 [°C]. Le tableau suivant indique les caractéristiques de fonctionnement du groupe à vis pour ces deux modes :

100% Évacuation 100% Récupération

EER 5,30 3,05

Puissance frigorifique 1165 kW 980 kW

Température d’évaporation 2,3 °C 2 °C

Puissance calorifique 1374 kW 1316 kW

Température de condensation 36,3 °C 50,3 °C

Puissance absorbée au compresseur 220 kW 321,5 kW

Selon son mode de fonctionnement, l’EER, qui est le ratio reflétant efficacité énergétique de la production frigorifique, sera compris entre les deux valeurs limites suivantes.

3,05 en mode récupération c’est la valeur minimum, elle est atteinte lorsque toute la chaleur est récupérée, dans ce cas-là, il n’y a aucune évacuation via les tours.

5,30 en mode évacuation c’est la valeur maximum, elle est obtenue lorsque toute la chaleur est évacuée vers les tours, dans ce cas-là, il n’y a aucune récupération.

Les figures 26 et 27 représentent les schémas de principes des circuits reflétant les modes 100% Évacuation et 100% Récupération respectivement.

Les valeurs de ces figures correspondent à celles données dans le tableau caractéristique du groupe à vis pour chaque mode (Cf. ANNEXES 2).


26

Ainsi, d’un point de vue de l’efficacité frigorifique, le mode évacuation possède un EER plus élevé que le mode récupération. La valeur de l’EER dépend de la température de condensation, en effet : plus la température de condensation est faible, plus le coefficient EER augmente. Or en mode récupération, on assiste à la hausse de la température de condensation qui évolue de 36 [°C] à 50 [°C], ce qui va dégrader l’EER.

L’EER nous renseigne seulement sur l’efficacité de la production frigorifique, il est nécessaire d’intégrer également la quantité d’énergie récupérée valorisée afin de comparer

au mieux les deux modes. Nous notons ηGlobal ce nouveau coefficient de performance incluant à la fois l’aspect frigorifique et l’aspect calorifique de la production.

ηglobal = (Puissance frigorifique + Puissance calorifique valorisée) / Puissance absorbée au compresseur

Ainsi à l’aide de cette formule, on obtient pour les deux modes, décrits sur les figures 26 et 27, les valeurs d’efficacités globales suivantes :

η100% Évacuation = (1165 + 0) / 220 = 5,30 = EERévacuation

η100% Récupération = (980 + 1316) / 321,5 = 7,14

Lorsque l’on inclut la puissance calorifique valorisée par le récupérateur, le mode récupération est globalement plus efficace que le mode évacuation. Ce résultat est du au fait que le mode évacuation ne permet aucune valorisation de la puissance calorifique qui est

évacuée en totalité aux tours : c’est pourquoi la valeur de l’efficacité globale ηévacuation du

mode évacuation est égale à son EER. Le récupérateur, qui permet d’élever la température du fluide caloporteur de 37 à 45 [°C], correspond parfaitement aux besoins du client en eau mitigée à 45 [°C]. En effet, le fluide caloporteur sort du récupérateur à 45 [°C], ce qui correspond à la consigne de température d’eau mitigée demandée par le client. Ces besoins, constants sur l’année, sont de 300 [kW]. Ainsi, au vue de l’utilisation prévue et exigée par les besoins du client en eau mitigée, le groupe à vis a un fonctionnement optimisé lorsque son récupérateur fonctionne et valorise les 300 [kW] demandés. Ci-dessous, en figure 28 et 29, deux modes de fonctionnement particuliers sont détaillés. Tous deux permettent de valoriser les 300 [kW] nécessaire à la production d’eau mitigée, seul leur taux de charge diffère :

- le premier est à 100 % de taux de charge : le groupe à vis produit 1124 [kW froid], - le second est à 12,6 % de taux de charge : le groupe à vis produit 149 [kW froid].

Figure 26 : Mode 100% évacuation – 100%

taux de charge Figure 27 : Mode 100% récupération – 100% taux de charge


27

Fonctionnement 100% de charge – Récupération de 300 kW : Lorsque le groupe froid est à 100 [%] de charge, où seuls 300 [kW] sont valorisés par le récupérateur, le reste de la puissance calorifique est alors évacué via les tours.

EER = 1124 / 242,3 = 4,64 COP = (1061+300) / 242,3 = 5,62

η Global = (1124 + 300) / 242,3 = 5,88

Figure 28 : Mode 78% évacuation et 22% récupération – 100% taux de charge

Fonctionnement 12,6 % taux de charge – Récupération de 300 kW : Ce cas là illustre le cas où le taux de charge du groupe froid à vis est à sa valeur minimum. Ce cas là correspond soit à des besoins frigorifiques globaux faibles ou à une production assurée par un des deux groupes centrifuges. Ce mode de fonctionnement peut être nommé mode « pompe à chaleur ». En effet la priorité ici est de fournir les 300 [kWchaud] pour l’eau mitigée à 45 [°C] via son récupérateur et la production frigorifique n’est plus la priorité, c’est une production « fatale ».

EER = 149 / 151 = 0,99 COP = 300 / 151 = 1,99

η Global = (149 + 300) / 151 = 2,97

Figure 29 : Mode « Pompe à Chaleur » - Taux de charge 12,6 %

7.5. Descriptif de la problématique rencontrée

Après avoir défini la capacité de production de l’installation ainsi que les besoins du client, nous allons expliquer la problématique rencontrée sur le site et ainsi voir les raisons pour lesquelles nous avons dû réaliser un audit énergétique. Avant tout, il faut connaître le contexte économique, c'est-à-dire le prix des énergies afin de connaître le coût d’exploitation.

Electricité : son prix est régit par le tarif A8 (huit tranches tarifaires), de type TLU (Très Longue Utilisation), le prix du mégawatheure dépend de la saison, il oscille entre 95 euros en hiver et 25 euros en été. Nous moyennerons à 70 euros le mégawatheure.

Énergie frigorifique : le prix du mégawatheure frigorifique est moyenné à 25 euros.

Énergie calorifique : le prix d’achat du mégawatheure de l’eau chaude à 90°C est de 27 euros en été et de 43 euros en hiver ; le prix de vente du mégawatheure de l’eau mitigée à 45°C est de 22 euros toute l’année.

Été Hiver

Prix d’Achat Électricité Eau chaude 90°C

25 € / MWh 27 € / MWh

95 € / MWh 43 € / MWh

Prix de Vente Eau glacée 5°C Eau mitigée 45°C Eau chaude 90°C

25 € / MWh 22 € / MWh 67 € / MWh


28

Connaissant les différents coûts, nous allons pouvoir étudier les tendances économiques de l’installation. La connaissance du prix d’achat et de vente de l’énergie thermique [€/MWh] respectivement de l’eau chaude à 90°C et de l’eau mitigée à 45°C donne toute son importance au récupérateur. En effet, comme on l’a vu en 7.4., le récupérateur est la source normale de la production d’eau mitigée à 45°C. Par conséquent, l’arrêt du groupe froid à vis ne permet plus de produire l’eau mitigée à 45°C par le récupérateur. Cela représente une perte considérable : dans ce cas là, on achète l’eau chaude à 90°C au réseau de chaleur à 43 ou 27 euros selon la saison et on la revend 22 euros au client toute l’année, soit une perte par mégawatheure de 21 euros en hiver et 5 euros en été.

On remarque que l’installation est la moins performante en hiver. En effet, c’est lors de cette période que le prix de l’électricité est le plus élevé, de plus on assiste, durant cette période, à la baisse de la demande de froid, comme on peut le voir sur l’histogramme précédent. A contrario, l’été est la période la plus rentable, pour les raisons inverses que celles citées précédemment : prix de l’électricité le plus avantageux et demande de puissance frigorifique maximum.

Le problème majeur de cette installation est le manque d’adaptabilité de la puissance frigorifique fournie par les DFT aux besoins. En effet, même si les compresseurs des deux groupes centrifuges sont équipés de variateurs de fréquences et sont donc à vitesse variable, leur efficacité énergétique est faible lorsqu’ils fonctionnent à faible taux de charge. Ainsi, lorsque le besoin en puissance frigorifique dépasse la puissance nominale que peut fournir le groupe à vis, c'est-à-dire 1,1 mégawatt, le groupe centrifuge démarre et est contraint de fonctionner à faible charge : cette situation est à éviter.

C’est pourquoi, le responsable technique de l’installation, Sylvain VIGNERON, loue en période hivernale un groupe frigorifique de secours d’une puissance de 0,5 mégawatt depuis Décembre 2010. Ce groupe de location permet d’augmenter le seuil de « non-démarrage » du groupe centrifuge. En effet, le groupe à vis et le groupe de location permettent, à eux seuls, d’assurer les besoins frigorifiques allant jusqu’à 1,6 mégawatts : ils permettent ainsi de retarder le démarrage du groupe centrifuge et de couvrir l’hiver et une partie de la demi-saison. Cette alternative a permis de revaloriser le fonctionnement du groupe froid à vis. En effet, avant l’ajout du groupe de secours, le groupe à vis fonctionnait en moyenne 2 600 heures sur une durée d’un an, depuis il met un peu plus de deux mois pour les atteindre lorsqu’il fonctionne avec le groupe de secours.

La figure 30 permet d’illustrer les plages de fonctionnement des groupes au cours d’une année type. Ce schéma inclue le groupe frigorifique de location qui n’a été installé qu’en Décembre 2010. C’est pourquoi ce graphe ne reflète pas le comportement réel des groupes en 2010, mais seulement l’hypothèse de fonctionnement des groupes frigorifiques, le groupe de secours inclus. Pour établir ce graphe, nous nous sommes basés sur le fonctionnement de la centrale de Décembre 2009 à Mars 2011.

Figure 30 : Répartition des plages de fonctionnement de chaque groupe


29

On voit bien l’impact du groupe de location : il permet d’éviter le démarrage du groupe centrifuge durant les périodes creuses, c'est-à-dire en hiver. Pour ce qui est de la répartition de la production frigorifique assurée par le groupe à vis, on distingue 3 périodes :

La période hivernale où le groupe à vis est à 100 % de charge frigorifique tout en assurant les besoins d’eau mitigée, 300 kW, via son récupérateur. (Comportement illustré en Figure 28)

La période de demi-saison (automne et printemps) où le groupe froid a comportement de pompe à chaleur pour assurer les besoins d’eau mitigée, 300 kW. La production de froid résultante, 149 kW, est déduite de la demande totale de froid, assurée par les groupes centrifuges. (Comportement illustré en Figure 29)

La période estivale où le groupe à vis assure le complément des besoins en froid produits en priorité par les groupes centrifuges, tout en assurant au minimum les besoins en eau mitigée, 300 kW. (Comportement intermédiaire aux Figures 28 et 29)

7.6. Analyse de la performance énergétique de l’installation pour l’année 2010 Dans cette partie, nous allons étudier le « comportement » de l’installation afin de mieux appréhender les pistes d’amélioration possibles sur l’installation. Nous allons faire cette étude sur l’année 2010. En effet, nous possédons les données caractéristiques de l’installation complètes pour cette année-là. Nous allons donc, dans un premier temps, distinguer le profil de fonctionnement de chaque groupe, car comme on l’a vu plus haut, les groupes n’assurent pas le même rôle. Dans un second temps, nous étudierons l’évolution de la performance énergétique des groupes au cours de l’année afin d’établir l’EER global de l’installation.

7.6.1. Détermination du profil de fonctionnement des groupes

Le relevé hebdomadaire des compteurs électriques de chaque groupe nous permet de connaître l’évolution de leur consommation électrique au cours de l’année 2010. A l’aide de ces données fournies par le responsable du site, nous avons pu analyser les périodes de fonctionnement des groupes. Nous avons donc réalisé le profil de fonctionnement de chaque groupe. Ainsi, l’analyse des données confirme que :

le groupe à vis permet, à lui seul, de satisfaire aux besoins frigorifiques lors de la période hivernale ;

le groupe centrifuge permet de fournir la majeure partie des besoins frigorifiques en période estivale.

les groupes fonctionnent en simultané lors des pics de besoins frigorifiques, situés majoritairement en Juillet et Août.

On relève le temps de fonctionnement de chaque groupe pour l’année 2010 :

le groupe à vis a fonctionné 24 semaines au total, dont 7 semaines seul ;

le groupe centrifuge 1 a fonctionné 42 semaines, dont 17 semaines seul ;

le groupe centrifuge 2 a fonctionné 20 semaines, dont 2 semaines seul. Durant 27 semaines sur l’année, il y a un des trois groupes qui fonctionne seul, ce qui correspond pratiquement à la moitié de l’année. Durant l’autre moitié, au moins deux des trois groupes fonctionnent simultanément.


30

7.6.2. Étude du groupe à vis A l’aide des relevés hebdomadaires utilisés précédemment pour déterminer le profil de fonctionnement de chaque groupe, on obtient, pour le groupe à vis, le nombre de kilowattheures électriques de fonctionnement semaine par semaine.

On connaît également la durée de fonctionnement du groupe à vis sur l’année : 24 semaines, dont 16 semaines de fonctionnement simultané avec les groupes centrifuges, à 168 heures par semaine (7 jours x 24 heures).

En divisant l’énergie électrique [kWh] par la durée de fonctionnement [h], on obtient la puissance électrique [kW] du groupe moyenne par semaine. Ces valeurs nous permettent de calculer la valeur moyenne annuelle de la puissance électrique du groupe : 160 [kW]. On va maintenant être en mesure de calculer le taux de charge du groupe à vis à l’aide de l’intensité en charge.

On obtient l’intensité par le calcul suivant : U = 400 [V] et φ = 0,9.

Une fois l’intensité en charge semaine par semaine déterminée, on calcule le taux de charge hebdomadaire puis global sur l’année 2010 à l’aide de l’équation suivante :

Inominal = 436 [A] hypothèse : c’est la valeur moyenne entre l’intensité en

charge en mode évacuation 357 [A] et celle en mode récupération 516 [A]. On obtient un taux de charge moyen annuel de 63 [%]. Sur les 7 semaines où le groupe à vis fonctionne seul, on obtient un taux de charge moyen de 82 [%]. Il existe une autre façon de calculer ce taux de charge : à partir de la production frigorifique. En effet, on a :

Pfrigorifique nominale = 1073 [kW] hypothèse : c’est la

valeur moyenne entre la puissance frigorifique en mode évacuation 357 [A] et celle en mode récupération 516 [A]. La valeur de la puissance frigorifique produite uniquement par le groupe à vis est obtenue à l’aide des compteurs électriques. En effet, ceux-ci nous permettent de connaître les semaines de l’année pendant lesquelles seul le groupe à vis fonctionne. On obtient cela par analyse des relevés des compteurs électriques de chaque groupe : chaque semaine où les compteurs électriques des groupes centrifuges n’indiquent aucune énergie électrique signifie que seul le groupe à vis fonctionne. Ainsi, le groupe à vis a fonctionné seul 7 semaines en 2010. Or, une fois qu’on a identifié ces semaines, la valeur indiquée par le compteur d’énergie frigorifique correspond donc à la production frigorifique du groupe à vis. De plus, on connaît la puissance nominale moyenne du groupe froid, on calcule donc le taux de charge moyen sur ces 7 semaines. On obtient un taux de charge moyen de 84 [%] sur cette période de 7 semaines. On remarque que cette valeur est proche de celle calculée plus haut à l’aide des consommations électriques sur la même période, 82 [%] On peut donc conclure que ces deux méthodes s’équivalent en termes de fiabilité du résultat. Une fois le taux de charge connu, on va déterminer le coefficient d’efficacité énergétique du groupe, c'est-à-dire son EER. Pour cela, on va utiliser les données des compteurs électriques et thermiques durant les 7 semaines où seul le groupe à vis fonctionne. Lors du fonctionnement simultané de plusieurs groupes, l’EER moyen calculé est celui de la centrale de production de froid dans sa globalité.

I = Pabsorbée / (√3 x U x cosφ)

τx = I / Inominal

τx = Pfrigorifique / Pfrigorifique nominale


31

Comme on l’a vu précédemment, on connaît, durant ces 7 semaines, les valeurs de la puissance frigorifique produite par le groupe à vis à l’aide du compteur d’énergie frigorifique. En utilisant les compteurs électriques, on détermine également la puissance absorbée du groupe. Durant ces 7 semaines de 2010, sa puissance électrique moyenne est de 240 [kW]. On obtient un coefficient EER moyen de 4,06. Calculons maintenant le coefficient de performance du groupe à vis en mode chaud, c'est-à-dire son COP. On sait que : COP = (Qévacuée totale / Qélectrique). Qévacuée représente l’énergie calorifique évacuée totale : c’est la somme de l’énergie évacuée aux tours avec l’énergie récupérée pour la production d’eau mitigée à 45 [°C]. L’équation suivante nous permet de déduire la puissance évacuée aux tours, étant donné qu’un compteur thermique nous permet de connaître l’énergie récupérée pour la production d’eau mitigée.

Ainsi, on obtient un coefficient de performance moyen de 5,06. On vérifie bien la formule vue dans le premier chapitre : EER + 1 = COP. Cependant, aucun des coefficients EER ou COP calculés précédemment ne représente la performance globale du groupe à vis : c'est-à-dire à la fois sa performance frigorifique et sa performance calorifique traduite par la part d’énergie valorisée par le récupérateur pour la production d’eau mitigée à 45 [°C]. C’est pourquoi, nous réutilisons ici le coefficient du rendement global vu dans la partie 7.4.

ηglobal = (Puissance frigorifique + Puissance calorifique valorisée) / Puissance absorbée

On obtient un rendement global annuel de 5,3. 7.6.3. Étude des groupes centrifuges En utilisant le même procédé de calcul que pour le groupe à vis, nous allons déterminer les grandeurs caractéristiques des groupes centrifuges. Le taux de charge moyens des groupes centrifuges est de : 43 [%] pour l’un et 31 [%] pour le second. Les coefficients d’efficacité énergétique sont respectivement de 5,12 et 4,03. 7.6.4. Comportement global de l’installation Dans cette partie, on s’intéresse à la performance globale de l’installation, c'est-à-dire avec la présence des trois groupes frigorifiques. Pour cela, on calcule l’EER global hebdomadaire. On utilise la formule suivante :

L’évolution de cet EER moyen hebdomadaire obtenu sur l’année est représentée sur la figure 31.

On utilise la formule suivante pour déterminer l’EER global annuel de la centrale :

On obtient un EER global de l’installation de 4,80.

Qfrigorifique + Qélectrique = Qévacuée totale = Qévacuée tours + Qrécupérée eau 45°C


32

Figure 31 : Évolution du coefficient d’efficacité énergétique de l’installation frigorifique au cours de l’année 2010

8. Pistes d’amélioration de l’EER global

Pour améliorer cet EER global, nous orientons nos actions sur le groupe à vis. C’est en effet ce groupe qui a l’EER actuel le plus faible ainsi qu’un sous-emploi évident : alors qu’un de ses rôles est d’assurer en permanence la production d’eau mitigée à 45 [°C] via son récupérateur, il n’a fonctionné que 2 600 heures en 2010. Il y a donc 6 260 heures où il est à l’arrêt. Rappelons que la production calorifique des besoins en mitigée sont d’environ 300 [kW] en moyenne sur l’année 2010. Ainsi, lorsque le groupe à vis est à l’arrêt, il est incapable de fournir ces 300 kW pour l’eau mitigée. Nous avons vu dans la partie 7.6.2., que lorsqu’il fonctionne, son taux de charge annuel se situait à 63 % de sa puissance nominale. Supposons que pendant ces 6260 heures, le groupe froid fonctionne en mode « pompe à chaleur ». C'est-à-dire que le groupe produit 300 kW d’eau mitigée à 45°C via son récupérateur et 141 kW d’eau glacée via son évaporateur avec un taux de charge de 12,6 %, ce comportement est illustré en Figure 29 dans la partie 7.4. Nous pouvons ainsi recalculer le taux de charge moyen annuel du groupe à vis à l’aide de la formule suivante :

Ce faible taux de charge moyen annuel nous permet d’envisager la mise en place d’un variateur de fréquence beaucoup plus efficace en faible charge que la régulation par tiroir de capacité, comme nous l’avons vu dans la partie 6. De plus, nous étudierons également l’impact de la variation de débit d’eau glacée à l’évaporateur des groupes de la centrale. En effet, un débit trop important diminue l’efficacité de l’échange thermique et augmente la consommation électrique des pompes. 8.1. Variation de vitesse sur le compresseur à vis

A l’aide du logiciel Comsel - GRASSO, on a comparé le fonctionnement du groupe à vis avec le régulateur par tiroir de capacité et avec le variateur de fréquence. Nous avons quantifié les écarts d’un point de vue de la performance énergétique, puis, connaissant le prix des énergies, d’un point de vue économique.

Nous avons simulé le fonctionnement du compresseur à vis à différent taux de charge, mais en considérant que le groupe à vis, comme on l’a dit précédemment, doit produire de l’eau mitigée à 45 [°C] à une puissance calorifique constante de 300 [kW].


33

Le compresseur choisi parmi ceux proposés par le logiciel est celui dont les caractéristiques techniques se rapprochent le plus de celles du compresseur à vis du site. Les caractéristiques du compresseur choisi sont données dans le tableau ci-dessous :

Une fois ces données renseignées dans l’interface du logiciel, représentée sur la figure 32, on obtient les valeurs de puissances frigorifiques et de puissances absorbées pour différentes positions du tiroir de capacité et pour plusieurs valeurs de vitesses de rotation du compresseur.

Figure 32 : Interface du logiciel de simulation

On utilise la même démarche que celle expliquée dans le chapitre 6. Les valeurs des puissances frigorifiques et absorbées du compresseur équipé du tiroir de capacité sont récapitulées par pas de 10% dans le tableau ci-après donné par l’interface du logiciel. Les valeurs de puissances, pour le compresseur équipé d’un variateur de vitesse, sont obtenues manuellement toujours à l’aide du logiciel.

Manuellement signifie que l’on rentre les valeurs une par une dans le logiciel qui nous donne les résultats pour une valeur de vitesse de rotation à la fois.

Ci-dessous les tableaux récapitulant les données obtenues par le logiciel pour la variation de vitesse et pour la régulation de capacité.

Comme expliqué dans le chapitre 6, la position du tiroir a été adaptée manuellement afin de faire correspondre les puissances frigorifiques entre elles et ainsi de pouvoir les comparer. La régulation par tiroir de capacité permet d’atteindre 104,4 [kW], soit un taux de charge de 10 [%].

Compresseur à Vis type W 2240S-28 (Valeurs nominales)

Température d'évaporation Température de condensation

Puissance absorbée P frigorifique

2 °C 40 °C 257,5 kW 1043,6 kW

Fréquence Vitesse de rotation

Surchauffe Fluide Frigorigène

50 Hz 2950 tr/min 10 K R 134 a


34

VARIATION DE VITESSE ELECTRONIQUE REGULATION PAR TIROIR

N [tr/min]

Pfrigorifique [kW]

Pabsorbée [kW]

EER

Position du tiroir [%]

Pfrigorifique [kW]

Pabsorbée

[kW] EER

2950 1 043,6 257,5 4,05 100 1043,6 257,5 4,05

2800 986,5 244,4 4,04 94,53 986,5 249,1 3,96

2700 948,2 235,7 4,02 90,86 948,2 243,4 3,90

2600 910,0 227,0 4,01 87,2 910,0 236,3 3,85

2500 871,7 218,2 3,99 83,53 871,7 228,8 3,81

2400 833,5 209,5 3,98 79,87 833,5 221,3 3,77

2300 795,2 200,8 3,96 76,2 795,2 214,6 3,71

2200 756,9 192,1 3,94 72,53 756,9 208,0 3,64

2100 718,7 183,3 3,92 68,87 718,7 201,4 3,57

2000 680,4 174,6 3,90 65,2 680,4 194,8 3,49

1900 642,2 165,9 3,87 61,53 642,2 188,2 3,41

1800 603,9 157,1 3,84 57,86 603,9 181,5 3,33

1700 565,6 148,4 3,81 54,2 565,6 175,0 3,23

1600 527,4 139,7 3,78 50,54 527,4 168,4 3,13

1500 489,1 130,9 3,74 46,87 489,1 163,4 2,99

1450 470,0 126,6 3,71 45,04 470,0 161,0 2,92

Il faut prendre en compte la présence du variateur au travers de ses pertes, estimées à 5kW, et leur impact sur la puissance absorbée du compresseur pour la méthode de la variation électronique de vitesse. Le tableau ci-dessus indique les valeurs telles que données par le logiciel, les pertes du variateur dans la solution par VEV ne sont pas prises en compte.

La figure 33 représente l’évolution du coefficient EER en fonction du pourcentage de puissance frigorifique, c'est-à-dire du taux de charge, pour chaque méthode de variation de puissance. Ce graphe inclue les pertes du variateur de fréquence pour la méthode de la variation de vitesse.

Plusieurs observations peuvent être faites :

tout d’abord, on remarque que le tiroir de capacité permet une plus grande rangeabilité, alors que la variation électronique de vitesse ne permet pas d’atteindre un taux de charge inférieur à 45 [%]. En dessous, la vitesse de rotation de la vis devient insuffisante pour permettre à l’huile d’assurer l’étanchéité entre les lobes.

ensuite on remarque que pour un fort taux de charge, supérieur à 95 [%], le tiroir de capacité permet un meilleur EER que la variation de vitesse.

Figure 33 : Évolution du coefficient EER en fonction du taux de charge pour chaque mode de variation de puissance

Cet écart d’EER pour un fort taux de charge s’explique par les pertes du variateur de fréquence. Ces pertes vont augmenter la puissance électrique absorbée par le variateur de fréquence, ce qui se traduit par une légère diminution de l’EER.


35

-5%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

10% 30% 50% 70% 90%Puissance frigorifique [%]

Éc

art

d'E

ER

[%

]Ainsi, pour un fonctionnement du groupe à un taux de charge supérieur à 95 [%], la mise en place de la régulation par variateur de fréquence entrainera une diminution des performances du groupe à vis par rapport à la situation actuelle, avec le régulateur par tiroir de capacité.

La figure 34 reflète l’écart du coefficient EER entre les deux méthodes de variation en fonction du taux de puissance frigorifique. L’écart d’EER entre la variation de vitesse et le tiroir de capacité est négatif pour un taux de charge supérieur à 95 [%]. Plus le taux de charge diminue, plus l’écart entre le coefficient EER des deux méthodes se creuse : la variation de vitesse est d’autant plus efficace que le taux de charge est faible. Figure 34 : Évolution de l’écart de performance entre la VEV et la régulation par tiroir

La vitesse minimale de 1450 [tr/min] correspond à une puissance frigorifique de 470 [kW] et une fréquence de 25 [Hz]. Or comme on l’a précisé dans la partie 7.7., ce groupe à vis a fonctionnera 6200 heures à 12,6 [%] de taux de charge. A cette valeur minimale, la puissance frigorifique est de 149 [kW]. Étant donné que la variation de vitesse ne permet pas d’atteindre les 149 [kW] requis à ce taux de charge, on utilisera pour les puissances frigorifiques inférieures à 470 [kW] la régulation par tiroir de capacité qui permet d’atteindre un taux de charge de 10 [%]. Lorsque le compresseur aura un taux de charge inférieur à 45 [%], c'est-à-dire lorsque la puissance frigorifique fournie est inférieure à 470 [kW], le compresseur combinera les deux méthodes de variation : en effet, non seulement la fréquence sera à son minimum fixé à 25 [Hz], mais il y aura également l’action du tiroir de capacité qui nous permettra d’atteindre des taux de charge plus faible en modifiant sa position. Cela s’illustre par la figure 35 :

Figure 35 : Évolution de la solution choisie Combinaison des deux modes

EER = f (Taux de charge)

EER = f (Taux de charge) + X


36

-4 000

1 000

6 000

11 000

16 000

21 000

26 000

31 000

10% 30% 50% 70% 90%Puissance frigorifique [%]

Ecart

de p

rix e

ntr

e la V

EV

et

la

rég

ula

tio

n p

ar

tiro

ir [

€]

La combinaison des deux méthodes de variation de puissance s’effectue ainsi :

La diminution de la puissance frigorifique se fera d’abord avec le variateur de fréquence par diminution de la vitesse de rotation de la vis de 2950 [tr/min] à 1450 [tr/min], ce qui correspond à un passage de la fréquence de 50 [Hz] à 25 Hz. Le taux de charge quant à lui passe de 100 [%] à 45%. A 45 [%] de taux de charge, la variation de vitesse permet de fournir 470 [kW] de puissance frigorifique avec une fréquence de 25 [Hz]. La vitesse de rotation et la fréquence sont proportionnelles. Cette action est représentée sur la figure 35 par la courbe verte.

Une fois le point minimum du taux de charge atteint avec la variation de vitesse, on agit sur le tiroir de capacité en modifiant sa position pour atteindre des taux de charge plus faibles. Cette action est représentée sur la figure 35 par la courbe bleue. La courbe orange représente la situation actuelle de variation de puissance du groupe à vis par le tiroir de capacité. La courbe verte et la courbe bleue représente la situation future améliorée.

La courbe bleue est le résultat d’une translation verticale de la courbe orange vers la courbe

verte d’une constante représenté par X sur la figure 35.

Cette valeur correspond à l’écart d’EER entre les deux méthodes de variation de puissance pour 45 [%] de taux de charge, en prenant en compte les pertes du variateur de fréquence égales à 5 kW : on obtient 0,65. X = EERVEV 45% – EERTIROIR 45% = [Pfrigorifique / (Pabsorbée + Pertesvariateur)] – EERtiroir = [470 / (126,6 / 0,98)] – 2,92 = 3,57 – 2,92 = 0,65 Maintenant que l’on connaît le pas de la translation, on détermine l’équation polynomiale de la courbe orange à l’aide d’Excel. L’équation obtenue, du troisième degré, est la suivante : y = 3,4089 x3 + 9,479 x² + 10,136 x – 0,0279. Notons cette équation EER = f (Taux de charge) Étant donné que la courbe bleue est le résultat de la translation verticale de 0,65 de la courbe orange, elle possèdera les mêmes abscisses des points que la courbe orange, c'est-à-dire les mêmes valeurs de pourcentages de taux de charge. Quant aux ordonnées des points de la courbe bleue, c'est-à-dire les valeurs d’EER, elles sont obtenus en ajoutant la valeur X aux valeurs d’EER obtenues par la régulation par tiroir. Ceci se traduit par l’équation ci-dessous : EER = f (Taux de charge) + X Une fois les valeurs d’EER et de taux de charge connues, on en déduit les valeurs de puissances absorbées. La figure 36 représente l’évolution de l’écart entre les deux méthodes de variation de puissance d’un point de vue économique.

Figure 36 : Écart de prix entre les deux modes


37

La cassure de la courbe correspond à un taux de charge de 45 [%], c’est le changement de mode de variation de puissance : on passe à la régulation par tiroir de capacité. On peut ainsi déterminer les gains économiques en fonction du taux de charge : ils sont aux alentours de 20 000 euros pour un taux de charge annuel de 27 [%] déterminé en 7.7. Ainsi, en prenant en compte le taux de charge pondéré par sa période de fonctionnement correspondante, on obtient le gain annuel moyen suivant.

8.2. Variation de débit d’eau glacée dans les évaporateurs des groupes Nous allons présenter ici un deuxième axe d’étude nous permettant également de réaliser des gains. Cela consiste à agir sur le débit d’eau glacée de l’évaporateur des groupes frigorifiques.

On sait que, à température de condenseur constante, l’EER d’un groupe de production d’eau glacée augmente lorsque la température d’eau glacée augmente. De même, un autre principe indique que, à température d’évaporateur constante, l’EER d’un groupe de production d’eau glacée augmente lorsque la température d’eau (ou d’air) du condenseur diminue. Cette amélioration de l’EER dépend du type de compresseur et de la température d’eau glacée.

La figure 37 nous donne le pourcentage de gain sur le coefficient de performance pour un degré Kelvin de variation de température d’évaporation en fonction de la basse pression et pour différentes températures de condensation, pour les compresseurs à vis. Dans les conditions de fonctionnement de l’installation : BP=2°C et HP=40°C, on obtient les gains suivant : 2,7 [%/K].

Figure 37 : Variation en [%] de l’EER par [K] en fonction de la BP

Dans les process industriels, le principe de régulation général des productions d’eau glacée est basé une température de départ d’eau glacée constante et une température de retour variable en fonction des besoins du process. Quant aux débits d’eau glacée circulant dans les évaporateurs, ils sont déterminés par rapport aux besoins maximum de froid et sont généralement fixes quelque soit le taux de charge du groupe d’eau glacée. Le problème est le suivant : lorsque les besoins diminuent, l’écart de température entre le départ et le retour d’eau glacée diminue également : ainsi la température de retour d’eau glacée diminue elle aussi, ce qui diminue l’EER de l’installation, c’est à dire sa performance énergétique. Ainsi, pour maintenir le coefficient EER élevé, on doit maintenir une température de retour d’eau glacée la plus élevée possible : ce qui nécessite de diminuer son débit.


38

De plus, il a été remarqué par les ingénieurs experts de CPFELY Sud-est, au cours de nombreux audits énergétiques de centrales de production frigorifique, que la détérioration de l’EER, ne provenait pas seulement du faible taux de charge des groupes, mais également du sur-débit d’eau glacée circulant dans les évaporateurs. La simple action de réduire ce débit avait pour conséquence de remonter l’EER. C’est pourquoi, l’idée est venue d’envisager un principe de régulation de débit d’eau glacée évoluant en fonction du taux de charge du groupe frigorifique. La documentation technique du groupe à vis indique un débit nominal d’eau glacée à l’évaporateur de 167 [m3/h]. Or, en lisant la documentation technique détaillée du groupe, nous avons relevés les valeurs des débits minimum et maximum admissibles par l’évaporateur : 77,8 et 259 [m3/h]. Toutefois, un débit trop faible d’eau glacée pourrait occasionner un risque de gel à l’évaporateur. La figure 38 représente symboliquement le réseau d’eau glacée de la centrale de production frigorifique du site MINATEC ainsi que l’emplacement des capteurs nécessaires à cette étude. Les quatre sondes de température, nommées TT (Temperature Transmitter) et la sonde de débit FT (Flux Transmitter) sont placées sur la figure.

CIRCUIT PRIMAIRE CIRCUIT SECONDAIRE

Production

de Froid

TT 301

TT 302

TT 303

TT 304

FT 302

Figure 38 : Circuits primaire et secondaire du groupe à vis – Positionnement et dénomination des sondes de mesure

Données obtenues par les sondes Caractéristiques techniques

Débit secondaire [m3/h] FT 302 Écart BP/EG 4,5 [K]

Température départ primaire [°C] TT 301 Débit max du groupe à vis 300 [m3/h]

Température retour primaire [°C] TT 302 Débit max des groupes centrifuges 700 [m3/h]

Température départ secondaire [°C] Température retour secondaire [°C]

TT 303 TT 304

Débit primaire minimal autorisé Qprimaire / 2

Hypothèses

Consigne de sur-débit 4 [%]

Gain énergétique de l’EER 2,7 [% /K]

Diminuer le débit primaire et le débit de bipasse

Augmenter la température de retour au groupe et la température BP

RÉSULTATS : Amélioration de l’EER Diminution de la consommation électrique des pompes évaporateurs


39

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

déc.-09 janv.-10 mars-10 mai-10 juin-10 août-10 sept.-10 nov.-10 janv.-11

[m^

3/h

]

FT 302 Débit secondaire mesuré Débit primaire optimisé adopté Débit primaire calculé

L’écart entre la température d’évaporation du fluide frigorigène et la moyenne de la température d’eau glacée, entre l’entrée et la sortie de l’évaporateur, est constant et est de 4,5 [K] dans nos groupes frigorifiques.

Cette valeur est nommée Écart BP/EG dans le tableau regroupant les caractéristiques techniques. Ainsi, nos données vont nous permettre de connaître les températures moyennes d’eau glacée actuelles et donc de déduire la température d’évaporation du R134a de notre centrale.

A l’aide des données horaires enregistrées par la Gestion Technique Centralisée depuis les sondes, et des consommations électriques, nous allons déterminer :

Les débits horaires primaires actuels et donc connaitre les sur-débits par rapport aux débits secondaires. Pour cela nous allons partir des égalités suivantes :

Puissance Primaire = Puissance Secondaire

D’où Cette formule peut encore être simplifiée : étant donnée que le débit primaire est toujours supérieur au débit secondaire, TT301 = TT303.

Les débits horaires primaires optimisés en se fixant un sur-débit primaire de 4 [%] de plus que le débit secondaire. Afin d’éviter tout risque de gel dans les évaporateurs, nous limiterons leur débit minimum à 50 [%] de leur débit nominal. Ce qui nous donne :

Groupe à vis :

Groupe centrifuge :

Les nouvelles températures horaires de retour primaires (TT302) après l’optimisation des débits primaires et les nouvelles températures d’évaporation horaires conséquentes. La figure 39 nous permet de voir l’évolution des débits secondaires réels mesurés par la sonde FT 302, des débits primaires calculés et des débits primaires optimisés adoptés, c'est-à-dire des nouveaux débits primaires, inférieurs aux débits primaires initiaux. On remarque que le débit primaire est très largement supérieur au débit secondaire : on a donc un sur-débit trop important qu’il faut diminuer.

Figure 39 : Évolution des débits


40

Ce sur-débit trop important a pour conséquence de diminuer la température de retour au groupe et par conséquent le coefficient EER également. Ainsi, en diminuant ce sur-débit, la température de retour au groupe se voit augmenter tout comme le coefficient EER. Ce sur-débit a également pour conséquence d’entrainer une surconsommation électrique des pompes. Cette méthode de variation de débit à l’évaporateur nous permet non seulement d’augmenter l’EER mais aussi de faire des gains de consommations électriques des pompes des circulateurs primaire d’eau glacée. La figure 40 représente la situation initiale : celle de l’année 2010. Les valeurs que l’on retrouve sont les valeurs moyennées de celles obtenues par les sondes. On obtient un sur-débit de bipasse de 383 [m3/h], ce qui abaisse la température de retour de 2,7 [K].


Production

de FroidDébit primaire

= 683 [m^3/h]

Débit secondaire

= 300 [m^3/h]Débit de Bipasse

= 383 [m^3/h]

Température aller = 5,3°C Température aller = 5,3°C

Température retour

secondaire = 10,1°CTempérature retour primaire = 7,4°C

- 2,7 [K]

Figure 40 : Situation initiale

Après avoir appliqué la méthode de variation de débit à l’évaporateur, on obtient la situation représentée sur la figure 41. On voit que le sur-débit n’est plus que de 68 [m3/h], ce qui entraîne une baisse de la température de 0,9 [K].


Production

de FroidDébit primaire

= 368 [m^3/h]

Débit secondaire

= 300 [m^3/h]Débit de Bipasse

= 68 [m^3/h]

Température aller = 5,3°C Température aller = 5,3°C

Température retour

secondaire = 10,1°C

Température retour primaire = 9,2°C- 0,9 [K]

Figure 41 : Situation finale

Cette méthode nous a ainsi permis de réaliser un gain de 1,9 [%] en moyenne sur le coefficient EER sur les groupes.

Quant-aux gains relatifs à la consommation électrique des pompes, on est passé de 31,7 [kW] de puissance absorbée en moyenne sur l’année à 5,5 [kW]. Soit une économie de 26,2 [kW] annuel 26,2 x 8760 heures = 230 [MWh] Nous convertirons ces gains en euros dans la partie 9. Les deux méthodes sont explicitées ci-dessous. Par soucis de clarté nous utiliserons le code couleur suivant :

- Les Hypothèses sont en bleu, - Les Données obtenues par les sondes sont en rouge, - Les Caractéristiques techniques sont en vert.


41

• Détermination du gain de consommation électrique des pompes :

Connaissant la puissance frigorifique produite par le groupe, on calcule le « débit primaire » d’eau glacé en [m3/h]. Ensuite, connaissant l’évolution horaire de ce débit primaire, on en déduit la nature du groupe frigorifique qui fonctionne à l’aide des débits maximum des groupes. Ainsi, il y a trois cas : si le débit primaire est inférieur à 300 [m3/h], c’est le groupe à vis qui fonctionne ; si le débit est compris entre 300 et 700 [m3/h], c’est un des deux groupes centrifuges

qui fonctionne ; si le débit est supérieur à 700 [m3/h], à la fois le groupe à vis et un groupe centrifuge

fonctionnent. Le fait de connaître quel groupe fonctionne à quel moment nous permet d’en déduire la valeur horaire de la « puissance électrique des pompes » du circuit de l’évaporateur. Les valeurs de puissances des pompes pour chaque groupe sont données en figure 22. Calculons maintenant le « débit primaire optimisé ». Le débit primaire optimisé est égal au débit secondaire majoré de 4 [%]. Le « débit primaire optimisé adopté » correspondra à la valeur maximum entre le « débit primaire optimisé » calculé précédemment et la valeur du débit primaire minimal autorisé. Ensuite nous calculons le « ratio » entre le « débit primaire optimisé adopté » et le « débit primaire ». Ce « ratio » va nous permettre d’obtenir la « puissance électrique des pompes optimisée » en le multipliant à la « puissance électrique des pompes » obtenue plus haut. Enfin, le « gain de puissance électrique » réalisé est obtenu par la soustraction de la « puissance électrique des pompes » initiale par « la puissance électrique des pompes optimisée ».

• Gain énergétique obtenu sur l’EER :

Afin de calculer ce gain, il nous faut connaître le « gain de température d’évaporation », c'est-à-dire déterminer de combien de degrés a été augmentée la température d’évaporation. Pour cela, il faut déterminer, dans un premier temps, la « température d’évaporation initiale », qui est le résultat de la différence entre la moyenne des températures Aller et Retour du circuit primaire et la valeur de l’écart BP/EG égal à 4,5 [K]. Ensuite, nous allons calculer le « sur-débit de bipasse adopté » en soustrayant le « débit primaire optimisé adopté », calculé avant, avec le débit secondaire obtenu par la sonde FT 302. Une fois que l’on connaît ce « sur-débit de bipasse adopté », on calcule la « nouvelle température de retour » au groupe frigorifique par une loi des mélanges :

Ensuite, nous calculons la « nouvelle température d’évaporation » qui est la différence de la « nouvelle température de retour » au groupe par la valeur de l’écart BP/EG égal à 4,5 [K]. Ceci nous permet d’obtenir le « gain sur la température d’évaporation » qui est l’écart entre la « nouvelle température d’évaporation » et la valeur initiale. Le « Gain énergétique de l’EER » est le résultat de la multiplication entre le « gain sur la température d’évaporation » et la valeur du gain sur l’EER donnée par degré Kelvin 2,7 [%/K].


42

9. Étude économique de l’installation : détermination du temps de retour

Cette partie va nous permettre de convertir les gains d’efficacité énergétique du site en gains économiques afin d’étudier le temps d’amortissement des investissements nécessaires à l’élaboration de ces gains.

9.1. Calcul des gains économiques résultant des optimisations Les gains générés par la variation électronique de vitesse du compresseur à vis, comme on l’a vu dans la partie 8.1., permet de gagner environ 20 000 euros dans l’année lorsque le groupe fonctionne à 27 [%] de taux de charge, cependant ces gains augmentent d’autant plus que le groupe fonctionne à un taux de charge faible. Ainsi les gains obtenus sont de 11 700 euros. Les gains génères par la variation de débit d’eau glacée dans les évaporateurs des groupes frigorifiques sont la somme des gains dus à la réduction de la consommation électrique des pompes et des gains dus à l’amélioration énergétique de l’installation.

Les gains résultant de la diminution de la consommation électrique des pompes sont de 218 [MWh], soit, sur une consommation annuelle des pompes de 266 [MWh], une économie de 82 [%]. Par mesure de sécurité, nous ramenons cette économie de consommation à 160 [MWh], soit 11 200 euros.

Les gains provenant de la hausse du coefficient EER sont donc traduit par une augmentation du coefficient EER d’environ 1,9 [%]. C'est-à-dire une économie de consommation électrique de 55 [MWh], soit, sur une consommation annuelle des groupes de 2854 [MWh], une économie de 1,9 [%], soit 3850 euros d’économie.

Ainsi, la somme totale des gains générés sur un an par l’ensemble des mesures d’amélioration énergétique de l’installation s’élève à : 26 750 euros. 9.2. Prise en compte des Certificats d’Économie d’Énergie Les Certificats d’Économie d’Énergie, appelés communément les C.E.E., permettent d’encourager les actions visant les économies d’énergie, de par son mécanisme de redistribution. Ce système a été mis en place en 2005 dans le cadre de la loi POPE (Programme fixant les Orientations de la Politique Énergétique). Depuis cette date, les fournisseurs d’énergie ont l’obligation d’atteindre un quota d’économies, évalué en [kWhcumac]. Le prix de valorisation de chaque [kWhcumac] dépend du type de contrat que le site possède envers COFELY, il est strictement confidentiel. Ce système de CEE nous a permis de réduire d’autant les investissements, en effet nous avons utilisé les deux techniques explicitées ci-dessous :

- L’installation d’un « système de variation électronique de vitesse sur un moteur asynchrone » sur les ventilateurs des tours aéroréfrigérantes, les pompes des circuits de l’évaporateur et du condenseur du groupe à vis 15 000 euros.

- Des mesures complémentaires, en dehors du périmètre de cette étude, nous permet de toucher également la somme de 25 000 euros.

La somme totale libérée par les CEE est donc d’environ 40 000 euros. Un exemple de fiche de calcul des CEE en [kWhcumac] est présenté en ANNEXE 6.


43

9.3. Estimation des coûts, calcul du temps de retour du site Afin d’établir le temps de retour de l’installation, il nous faut connaître la somme des débours, c'est-à-dire le coût total qui englobe l’achat des variateurs, la mise en place de la régulation, la main d’œuvre … Les entreprises consultées pour ce projet nous ont permis, à l’aide de devis, d’estimer le prix des variateurs de fréquence selon la puissance absorbée de la pompe et du compresseur, pour le groupe à vis. La liste des frais rencontrés est dans le tableau suivant.

Nature des Débours Montant

Groupe à vis : Variateur de fréquences, pompe évaporateur, 11 [kW]

1 200 [€]

Variateur de fréquences, pompe condenseur, 22 [kW] 2 100 [€]

Variateur de fréquences, compresseur à vis, 320 [kW] Mise en place de la Régulation du variateur sur le compresseur

2 Groupes Centrifuges : Variateur de fréquences, pompe évaporateur, 37 [kW]

25 000 [€] 10 000 [€]

3 000 [€] x2

Variateur de fréquences, pompe condenseur, 90 [kW] 5 000 [€] x2

Installation :

Mise en place de la régulation globale 10 000 [€]

Travaux divers, main d’œuvre,… 5 000 [€]

SOMME DEBOURS TOTALE = 70 000 [€]

A l’aide des résultats précédents, on est à même de pouvoir calculer le temps de retour brut de l’installation, appelé TRB :

TRB = (Somme des débours – Aides C.E.E.) / Somme des gains = (70 000 – 40 000) / 26 750 = 1,12 an soit 13 mois. Ainsi, les coûts engendrés par les travaux d’amélioration de l’installation seront amortis en 13 mois.

10. Analyse fonctionnelle de la régulation : définition de l’automate

L’analyse fonctionnelle va permettre d’expliciter les fonctions essentielles et secondaires. Les fonctions essentielles représentent la logique de fonctionnement de l’installation frigorifique globale, c'est-à-dire le comportement des groupes en fonction des besoins. Les fonctions secondaires permettent de comprendre la logique de fonctionnement de chaque groupe et sur quels paramètres elle s’appuie. Fonction essentielle Elle est définie pour trois cas de fonctionnement :

- Si les besoins sont inférieurs à 1,1 [MW], alors le groupe à vis permet à lui seul de fournir les besoins frigorifiques : le groupe à vis fonctionne seul.

- Si les besoins sont compris entre 1,1 et 4 [MW], alors le groupe à vis ne suffit plus à approvisionner le client en puissance frigorifique : un des deux groupes centrifuges démarre, le groupe à vis quant à lui permet de produire l’eau mitigée à 45 [°C] en produisant 230 [kW] de puissance frigorifique.

- Si les besoins sont supérieurs à 4 [MW], alors le groupe centrifuge en fonctionnement ne peut plus fournir la totalité des besoins frigorifiques à lui seul, ainsi le groupe à vis produit le complément de puissance frigorifique nécessaire au client en plus de la production d’eau mitigée à 45[°C].


44

La figure 42 représente l’évolution de la puissance frigorifique produite par chaque groupe en fonction du taux de charge global.

Figure 42 : Analyse fonctionnelle de la centrale frigorifique globale

Fonction secondaire Elle consiste à expliquer en détail le processus de fonctionnement pour le groupe à vis. La figure 43 illustre la logique de fonctionnement entre les deux modes de variation de puissance pour le groupe à vis en fonction du taux de charge du groupe. Ainsi, la régulation par tiroir de capacité permet d’assurer la production frigorifique pour des taux de charge inférieur à 40 [%], le variateur étant à 25 [Hz]. Lorsque les besoins augmentent, le tiroir reste fixé à 100 [%] et le variateur permet d’atteindre le taux de charge maximum désiré en modulant la fréquence de 25 à 50 [Hz]. Sur la figure 43, Xp1 et Xp2 sont les bandes proportionnelles de la régulation par tiroir de capacité et de la VEV respectivement. La valeur notée A est réglable, elle correspond au seuil minimal autorisé pour la VEV : nous la choisissons égale à 25 [Hz].

Figure 43 : Analyse fonctionnelle du groupe à vis


45

Nous connaissons à présent la logique de fonctionnement de chaque groupe ainsi que celle des modes de régulation du groupe à vis. Il nous reste à expliquer le mécanisme interne de la régulation : c'est-à-dire savoir quel paramètre va enclencher ou non les groupes, quelle grandeur va permettre de déterminer si le groupe à vis régule sa puissance par la V.E.V. ou par la régulation de capacité. La figure 44 va nous permettre de comprendre toute cette régulation interne à la centrale d’une part, puis au groupe à vis d’autre part. La figure reprend la logique de fonctionnement illustrée sur les graphiques précédents.

Figure 44 : Analyse fonctionnelle de la régulation de la centrale et du groupe à vis


46

La consigne du taux de charge, donnée en pourcentage, est obtenue grâce à un automate P. Celui-ci va comparer deux valeurs de température de départ : X et W. La valeur mesurée via les sondes TT est notée X, la consigne est notée W. On considère que la consigne W de température de départ vaut 5 [°C] pour 100 [%] de taux de charge. Ainsi, l’écart entre la température mesurée et la consigne augmentera avec les besoins frigorifiques, c’est pourquoi cet écart sera toujours positif. Ci-dessous est expliqué le procédé de calcul permettant d’obtenir la consigne de taux de charge à partir de l’écart de delta de température mesuré par le P. Soit ΔT = TT – X = ω [K]. Cet écart, exprimé en degré Kelvin, est toujours positif. La consigne de taux de charge, nommée τx, est obtenue par la relation suivante : τx = ω x 100/5 = 20 ω. Ainsi, pour ω [K], le taux de charge est de 20 ω [%].

- Si 20 ω < 40 % La variation de puissance est assurée par la régulation par tiroir de capacité et le pourcentage d’ouverture du tiroir, P, est donné par la formule suivante : P [%] = 10 [%] + (τx / Xp1) x (100 [%] – 10 [%]) = 10 + (τx / Xp1) x 90.

Xp1 est la bande proportionnelle de la régulation par tiroir représentée sur le schéma précédent, elle est de 40 [%].

- Si 20 ω > 40 % La variation de puissance est assurée par le variateur de fréquence ; la fréquence à appliquer, notée F, est donnée par la formule ci-dessous : F [Hz] = A + (τx – 40 [%]) / Xp2 x (50 [Hz] – 25 [Hz]) = 25 + ((τx – 40) / Xp2) x 25.

Xp2 représente la bande proportionnelle de la VEV, elle vaut 100 [%] – 40 [%] = 60 [%]. La régulation de l’automate que nous allons installer est de type proportionnelle, P. De par la propriété du ce type de régulateur, on aura toujours un écart résiduel entre la mesure et la consigne. Dans le cas présent, cet écart sera rattrapé par la régulation par action PID (Proportionnel-Intégral-Dérivée) intégrée dans l’automate YORK des groupes (qui n’apparait pas sur la figure 44). Ainsi la combinaison des ces actions nous donne un régulateur de type PI : l’écart résiduel disparaît la mesure sera égale à la consigne.


47

Conclusion

D’un point de vue professionnel, les objectifs initialement prévus de ce projet ont été globalement atteints.

En effet, le thème d’étude, qui est « La variation de vitesse de rotation sur les compresseurs à vis de grande puissance », a été traité de façon complète au travers d’une installation réelle. On remarque que seule l’étape concernant l’élaboration du prototype n’est pas finie. La raison peut s’expliquer par le délai du PFE qui est de 20 semaines, ce qui est relativement court au regard de l’ampleur du projet. La réalisation du prototype est cependant programmée pour Octobre 2011.

En plus d’avoir accompli les étapes initialement prévues en début de ce projet, on a étendu notre étude sur un deuxième axe permettant d’améliorer la performance énergétique du site : « La variation de débit d’eau glacée dans l’évaporateur des groupes frigorifiques ». Cette deuxième piste nous a permis d’augmenter d’avantage le ratio d’efficacité énergétique du site.

La prise en compte de ces deux solutions nous a permis de diminuer le temps d’amortissement de l’installation au regard des investissements nécessaires à l’élaboration de ces deux pistes. De par ce faible temps de retour sur investissement, ce projet a été rapidement accepté par le Comité de Direction. Les travaux sont prévus pour Octobre 2011.

De plus cette étude conforte COFELY pour déployer cette technologie sur les installations où elle réalise un contrat d’exploitation énergétique : dans un premier temps, au niveau régional, puis dans un second temps, au niveau national.

D’un point de vue personnel, ce projet m’a permis de m’enrichir, autant sur le plan humain que technique, en me permettant de travailler au sein de la Direction Technique de COFELY Sud-est.

J’ai ainsi pour mettre en application mes connaissances scientifiques vues auparavant ainsi que mon autonomie.

Ce projet m’a permis de travailler sur un réel besoin, un cas concert et d’avoir de réelles responsabilités.

Cela m’a également permis de comprendre comment évolue une entreprise, d’un point de vue hiérarchique et organisationnel. Cette insertion professionnelle m’a confirmée que la communication est au cœur du bon fonctionnement de chaque entreprise.

J’ai vraiment pris du plaisir à réaliser ce projet pour son aspect scientifiquement innovant d’une part, mais également pour tout l’aspect relationnel humain qu’il englobe. En effet, j’ai rencontré de nombreuses personnes, au cours de ces 20 semaines, de tout horizon professionnel, qui m’ont beaucoup apporté.

Je suis d’autant plus enjouée par le fait que l’aboutissement de ce projet s’est conclut sur un avis favorable à sa réalisation. De plus, COFELY Sud-est m’a proposé de m’embaucher afin de participer à ce projet jusqu’à son aboutissement.


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Bibliographie

Publications : [1] A. BENAMER, M. BEN YAHIA et D. CLODIC : Analyse et simulation de systèmes frigorifiques à vitesse variable – Quantification de l’amélioration de l’efficacité énergétique de cette technologie, Rapport final, Convention ADEME / ARMINES, Centre d’Énergétique, École des Mines de Paris, Décembre 1997. [2] O. GAVEAU, M. BEN YAHIA et D. CLODIC : Étude des compresseurs à vitesse variable, Convention ADEME / EDF, Centre d’Énergétique, École des Mines de Paris, Mai 1996. [3] N. FLACH-MALASPINA : Thèse - Conception Globale d’une pompe à chaleur air/eau inversable à puissance variable pour le secteur résidentiel, École des Mines de Paris, spécialité « Énergétique », Octobre 2004. [4] A. BENAMER, D. CLODIC : Gains énergétique et vitesse variable des compresseurs frigorifiques. Colloque « Variation Électronique de Vitesse », Paris, Ecole des mines de Paris, Centre d’Energétique, Septembre 1998. [5] Document de formation Société CARRIER, Principe de base de la climatisation, Technical Development Programme. Groupe de production d’eau glacée à condensation par air, Système à compression à vis à double rotor. [6] K. BARKAOUI : Formation - Technologie et Technique du Froid, COSTIC - Centre d’études et de formation, Génie Climatique, Équipement Technique du Bâtiment, Novembre 2010. [7] G. VRINAT, Production du froid : Technologie des machines industrielles, Techniques de l’ingénieur, Traité Génie énergétique, B2 365. [8] C. BORLEIN, A. BENKOULA : Les économies d’énergie passent aussi par la gestion d’une installation frigorifique, Revue Générale du Froid et du Conditionnement d’Air, Décembre 2009, (33 38). [9] Document Constructeur BITZER, Manuel de mise en œuvre, Vis hermétiques accessibles compactes CSH65. CSH95. [10] Document Constructeur GEA GRASSO Refrigeration Division, Compresseurs à vis GRASSO. [11] Document Constructeur GEA GRASSO Refrigeration Division, Screw Compressor Grasso SC MC series, Types H, L, M, N – Installation Instruction, Décembre 2009. [12] Document Constructeur GEA GRASSO Refrigeration Division, Screw Compressor Grasso SC SH series, Types C, D, E, G – Installation Instruction, Décembre 2009.


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Sites Web: [13] http://www.bitzer.de/fre/Home [14] http://www.grasso.nl/en-us/Pages/default.aspx [15] http://www.energieplus-lesite.be/energieplus/page_1000.htmm [16] http://climatisation.froid.free.fr/ [17] http://www.techno-froid.com/index.php?option=com_frontpage&Itemid=1 [18] http://fr.wikipedia.org/wiki/Compresseur_m%C3%A9canique [19] http://industrial.omron.fr/fr/home/default.html [20] http://www-ipst.u-strasbg.fr/cours/thermodynamique/index.htm [11] http://btsfroidclimdouai.info/table_des_matieres.htm Logiciels : Comsel – Grasso Sélection de compresseurs, GEA Bitzer Software 5.3.1

http://www.bitzer.de/fre/Home

http://www.grasso.nl/en-us/Pages/default.aspx

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http://industrial.omron.fr/fr/home/default.html

http://www-ipst.u-strasbg.fr/cours/thermodynamique/index.htm

http://btsfroidclimdouai.info/table_des_matieres.htm


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Sommaire des annexes

ANNEXE 1 : Fonctions des éléments de sécurité du circuit frigorifique ANNEXE 2 : Caractéristiques Techniques du Groupe à Vis - YORK ANNEXE 3 : Caractéristiques Techniques du Groupe Centrifuge - YORK ANNEXE 4 : Caractéristiques Techniques des tours aéroréfrigérantes - JACIR ANNEXE 5 : Photographies du site MINATEC ANNEXE 6 : Fiche CEE Variation de vitesse sur le compresseur à vis

Documents

Page de garde - eprints2.insa-strasbourg.freprints2.insa-strasbourg.fr/908/1/Synthèse_PFE_CS.pdf · 10 Audit, Campagne de mesure validation des pistes COFELY DT Jimmy MAURY 12 Confirmation