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CHAPITRE 7 REFROIDISSEMENT 7.1. Cycles frigorifiques de base cycle frigorifique compression

cycle compression de vapeur cycle compression de gaz

cycle frigorifique absorption cycle frigorifique thermolectrique Le coefficient de performance (COP) dun cycle frigorifique est le rapport de l'effet frigorifique (en

kW) au travail fourni au compresseur (en kW).

1232

. hhhh

wqCOP

innet

HHP ==

1241

. hhhh

wqCOP

innet

LR ==

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7.1.1. Cycle rel de refrigration

7.1.2. Utilisation dun refroidisseur en mode de chauffage et de refroidissement

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7.2. Autres notions et units utilises dans le domaine EER Energy Efficiency Ratio Aux tats Unies on utilise le coefficient de performance (EER) qui est dfinie comme le COP sauf que leffet frigorifique est exprim en Btu/hre et le travail du compresseu en kW. Par consquemce:

EER = 3.413 * COP SEER Seasonal Energy Efficiency Ratio Coefficient de performance saisonnier (SEER) qui tient compte de la variation de lEER durant la priode de refroidissement. Il sagit donc dun EER moyen de la machine qui fonctionne en dehors des conditions de design. TONNE DE REFRIGERATION La capacit frigorifique dune machine qui est capable de congeler (2000 lb) (32 oF) pendant 24 heures. 1 tonne de rfrigration = 12 000 Btu/hre = 3.717 kW 7.3. Limpact des tempratures dopration de la machine sur la capacit frigorifique Pour valuer la machine frigorifique il faut connatre les conditions dans lesquelles le COP ou EER ont t dtermin. Lefficacit dune machine frigorifique dpend, entre autres, de la temprature de leau glace (leau la sortie de lvaporateur) et de leau la sortie ou lentre du condenseur. LARI (Air-Conditionning and Refrigerating Institute) dtermine les conditions dans lesquelles les tests doivent tre raliss. Dans les catalogues on mentionne la capacit dans les conditions de lARI. Par exemple, la capacit frigorifique dune pompe chaleur eau air prsente sur la feuille extraite dun catalogue a t dtermine pour la temprature de leau lentre de lvaporateur de 85 oF et pour la temprature humide de lair lentre du condenseur de 67 oF. Pour le mode de chauffage la temprature de leau lentre de lvaporateur est de 70 oF et la temprature sche de lair lentre du condenseur est aussi de 70 oF. La variation de capacit frigorifique et de chauffage de cette pompe chaleur est prsente dans les tables sur la feuille ci-dessus. Les conditions de lARI pour les refroidisseurs avec les compresseurs centrifuges sont les suivantes : pleine charge Evaporateur temprature de leau la sortie 44 oF (6.7 oC) dbit deau 2.4 gpm/tonne (0.043 L/s/kW il en rsulte la temprature de leau lentre 54 oF (12.2 oC)

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Condenseur refroidi leau temprature de leau lentre 85 oF (29.4 oC) dbit deau 3 gpm/tonne (0.054 L/s/kW) il en rsulte la temprature de leau la sortie 95 oF (35 oC) Condenseur refroidi lair temprature de lair lentre 95 oF (35 oC) pression baromtrique 101 kPa Paramtres de lchangeur de chaleur Facteur dencrassement (ct leau) 0.00025 h pi2 oF/Btu (0.044 m2 oC/kW) Facteur dencrassement (ct air ou rfrigrant) 0.0 Charge partielle Les conditions sont les mme que pour la pleine charge sauf la temprature de leau lentre du condenseur refroidi leau qui varie linairement de 85 oF (29.4 oC) pleine charge jusqu 60 oF (15.6 oC) la charge zro. Pour les condenseurs refroidis lair la variation ci-dessus est de 95 oF (35 oC) pleine charge jusqu 55 oF (12.8 oC) la charge zro. Les normes ARI comportent aussi la mthode dtablissement du facteur ILPV (integrated part-load value) relatif la consommation dnergie dtermine pour les variations de la charge et des conditions climatiques typiques pour une anne complte dopration. La variation de la puissance frigorifique de la machine frigorifique en fonction de la temprature au condenseur et lvaporateur est aussi prsente sur les figures ci-dessous. Pour pouvoir comparer les machines frigorifiques il faut aussi savoir si la demande des quipements auxiliaires tels les ventilateurs, les pompes etc. est incluse dans le COP ou EER. Par exemple, le COP de grandes machines inclue seulement la demande du compresseur, tandis quEER ou SEER des refroidisseurs de fentre incluent la puissance des ventilateurs de lvaporateur et du condenseur. Les COP dans les catalogues sont prsents souvent seulement pour la pleine charge, tandis que les machines la plupart de temps fonctionnent la charge partielle. Cest aussi un facteur considrer pour une comparaison adquate des ces machines.

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Variation de la puissance frigorifique dune machine frigorifique et de la demande lectrique

dun compresseur piston

Variation de la puissance frigorifique dune machine frigorifique et de la demande lectrique

dun compresseur vis

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7.4. Compresseurs Compresseurs volumtriques

A piston Rotatifs

vis (Screw) (capacit de 50 1600 tonnes 176 kW 5626 kW) palettes spirale (Srcoll)

Compresseurs dynamiques

Centrifuges (capacit de 100 10 000 tonnes 350 kW 35 MW)

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Compresseur spiral (Scroll)

Principe de fonctionnement dun compresseur spiral (Scroll)

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Refroidisseur et la tour de refroidissement

Rseau de leau de condenseur

Compresseur

Eau glace

Rejet de chaleur

vaporateur

Condenseur

tchws

tcws

Schma dun systme de refroidissement

7.5. Courbes de pondration relatives aux refroidisseurs compression de vapeur 7.5.1. Refroidisseurs avec les condenseurs refroidis leau Courbe de pondration de la puissance frigorifique ( ) ( ) alenocwschwsdisponible QFTCAPttQ min, _ =

cwschwscwscwschwschws ttftetdtctbaFTCAP +++++= 22_ Qdisponible puissance frigorifique disponible dans les conditions actuelles pour lvaporateur et le condenseur (MBH) tchws temprature de leau glace oF tcws temprature de leau lentre du condenseur oF Qnominale puissance nominale dans les conditions ARI (MBH) Coefficient Refroidisseur piston Refroidisseur centrifugea 0.58531422 -0.29861976 b 0.01539593 0.02996076 c 0.00007296 -0.00080125 d -0.00212462 0.01736268 e -0.00000715 -0.00032606 f -0.00004597 0.00063139

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Courbe de pondration de la demande lectrique ( ) ( ) ( )FTCAPFTEIRFPLREIRPP alenoactuelle _*__*min = Pactuelle - puissance demande dans les conditions relles (kW) Pnominale - puissance nominale demande dans les conditions ARI (kW) EIR_FPLR pondration de la puissance nominale due aux modifications de la charge EIR_FT pondration de la puissance nominale due des variables environnementales ( ) 2_ PLRcPLRbaFPLREIR ++= PLR coefficient de charge partielle selon la puissance disponible (non la puissance nominale) Coefficient Refroidisseur piston Refroidisseur centrifugea 0.08144133 0.17149273 b 0.41927141 0.58820208 c 0.49939604 0.23737257

( )cwschwsdisponibleactuelle ttQ QPLR ,= Qactuelle demande actuelle du refroidisseur (Btu/hre) Qdisponible puissance frigorifique disponible dans les conditions actuelles pour lvaporateur et le condenseur (Btu/hre)

cwschwscwscwschwschws ttftetdtctbaFTEIR +++++= 22_ tchws temprature de leau glace oF tcws temprature de leau lentre du condenseur oF Coefficient Refroidisseur piston Refroidisseur centrifugea 0.46140041 0.51777196 b -0.00882156 -0.00400363 c 0.00008223 0.00002028 d 0.00926607 0.00698793 e 0.00005722 0.00008290 f -0.00011594 -0.00015467

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7.5.2. Refroidisseurs dtente directe et avec les condenseurs refroidis lair Courbe de pondration de la puissance frigorifique ( ) ( ) alenoodbwbdisponible QFTCAPttQ min, _ =

odbwbodbodbwbwb ttftetdtctbaFTCAP +++++= 22_ Qdisponible puissance frigorifique disponible dans les conditions actuelles pour lvaporateur et le condenseur (MBH) Qnominale puissance nominale dans les conditions ARI (MBH) twb temprature humide de lair lentre du serpentin todb temprature sche de lair extrieur a = 0.8740302 b = -0.0011416 c = 0.0001711 d = -0.0029570 e = 0.0000102 f = -0.0000592 Courbe de pondration de la demande lectrique ( ) ( ) ( )FTCAPFTEIRFPLREIRPP alenoactuelle _*__*min = Pactuelle puissance demande dans les conditions relles (kW) Pnominale puissance nominale demande dans les conditions ARI (kW) EIR_FPLR pondration de la puissance nominale due aux modifications de la charge

du serpentin EIR_FT pondration de la puissance nominale due des variables

environnementales ( ) 32_ PLRdPLRcPLRbaFPLREIR +++= PLR - coefficient de charge partielle selon la puissance disponible a = 0.2012301 b = -0.0312175 c = 1.9504979 d = -1.1205105

odbwbodbodbwbwb ttftetdtctbaFTEIR +++++= 22_ a = -1.0639310 d = 0.0154213 b = 0.0306584 e = 0.0000497 c = -0.0001269 f = -0.0002096

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7.6. Possibilits de gestion dnergie (1) 7.6.1. Cdule dopration des refroidisseurs et des quipements 7.6.1.1. Cdule dopration des refroidisseurs Cette mesure ne sapplique que dans le cas dune centrale comportant plusieurs refroidisseurs. Pour minimiser le cot dopration, la cdule doit tenir compte du comportement des refroidisseurs en fonction de la charge partielle. Refroidisseur fonctionnant en arrt - dpart refroidisseurs simple stage de mme type - aucun impacte sur le cot dopration refroidisseurs simple stage, mais avec les caractristiques diffrentes la cdule doit favoriser

les refroidisseurs plus efficaces Refroidisseurs avec la possibilit de modulation de la puissance cdule doit tre dterminer en fonction des caractristiques des refroidisseurs sur place. Cette mesure peut engendrer des conomies relatives au cot dopration de 1 20 % dpendamment des caractristiques des refroidisseurs installs. 7.6.1.2. Arrt des centrales frigorifiques en absence de la charge Les centrales frigorifiques (refroidisseurs avec les quipements connexes) ne doivent pas fonctionner sil ny a pas de charge frigorifique. Larrt des centrales peut tre ralis manuellement en fonction de conditions extrieures ou automatiquement en dtectant labsence de la charge frigorifique par le systme de contrle. Les conomies dnergie peuvent tre ralises de diffrentes faons, comme par exemple : Arrt des quipements connexes tels les ventilateurs et les pompes qui dans la plupart de cas

fonctionnent mme si le refroidisseur est arrt (ces quipements consomment de 5 20% de la puissance du refroidisseur pleine charge) ;

limination de la fausse charge qui peut se produire dans les refroidisseurs dont la capacit est contrle par le by-pass de gaz chaud (si la machine fonctionne dans ce mode, elle consomme de 10 40% de lnergie quelle consommerait pleine charge) ;

limination des charges provenant des gains de chaleur dans le rseau de distribution de leau glace qui pourrait tre trs important dans les grands rseaux

limination du gaspillage dnergie rsultant du comportement des occupants dans les btiments ayant les fentres ouvrantes.

7.6.1.3. Contrle adquat des quipements de rejet de chaleur associs aux refroidisseurs en arrt Cette mesure sapplique surtout aux centrales comportant plusieurs refroidisseurs dont cdule de fonctionnement est tablie en fonction des besoins frigorifiques. Elle consiste associer les

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quipements de rejet de chaleur chaque refroidisseur pour les pouvoir arrter lorsque le refroidisseur donn est en arrt. Cette mesure permettrait dconomiser de 5 30% de lnergie consomme par les pompes et ventilateurs des condenseurs. 7.6.1.4. Minimiser lopration des pompes de leau glace La mesure consiste arrter les pompes qui nont pas fournir de leau glace et couper la circulation de leau glace travers les vaporateurs des machines en arrt. Cette mesure permettrait dconomiser de 20 70% de lnergie des pompes de leau glace ou de 1 5% de lnergie totale du systme. 7.6.2. Optimisation des tempratures dopration 7.6.2.1. Maintenir la temprature de leau glace la plus leve possible

Variation de COP en fonction de la temprature de leau glace (courbe type pour un refroidisseur

centrifuge) Laugmentation de la temprature est limite par les besoins de refroidissement tant sensible que latent. Cette mesure peut tre ralise : manuellement avec le potentiel de 4 10% de la consommation moyenne annuelle de lnergie

du refroidisseur

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automatiquement avec le potentiel de 5 15% de la consommation moyenne annuelle de lnergie du refroidisseur

Il est noter cependant que limpacte de cette mesure pourrait tre partiellement rduite par laugmentation de dbit dair des ventilateurs des systmes VAV desservis par le refroidisseur donn et par laugmentation de lnergie consomme par les pompes de leau glace si elles sont dbit variable. 7.6.2.2. Optimiser la temprature de condensation

Variation de COP en fonction de la temprature de condensation (courbe type pour un

refroidisseur alternatif de la construction rcente) En moyenne la consommation dnergie par le compresseur diminue de 1.5% par la baisse de la temprature de condensation de 1oF (environ 3% par 1oC). Loptimisation de la temprature de condensation nest pas trs simple cause des facteurs suivants : Baisse de temprature engendre laugmentation de la consommation de lnergie des

ventilateurs qui consomment en moyenne de 5 20% de lnergie consomme par le systme. Comportement des refroidisseurs rels nest pas forcement le mme que la courbe prsente sur

la figure ci-dessus. En gnral, la baisse de temprature de condensation engendre laugmentation du COP de tous les types de refroidisseurs dans lintervalle des hautes tempratures. Cependant, la consommation dnergie de certains refroidisseurs peut augmenter si la temprature de condensation est rduite trop. Ce comportement se produit surtout basse charge des refroidisseurs.

Beaucoup de refroidisseurs doivent fonctionner avec une certaine limite minimale de temprature de condensation.

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La temprature de condensation est limite par la temprature de fluide de refroidissement, leau ou lair. Si le condenseur est refroidi par lair, la temprature de condensation ne peut as descendre au-dessous de la temprature sche de lair extrieur. Si le condenseur est refroidi par leau, elle ne peut pas descendre au-dessous de la temprature humide de lair extrieur. Selon la pratique dans ce domaine on recommande contrler les ventilateurs de condenseurs ou de tour deau de manire atteint la temprature de lair ou de leau du condenseur de 5 15 oF suprieure la temprature sche ou humide de lair extrieur. Dterminer la temprature optimale de condensation nest une tche facile et souvent exige la possession une base de donnes enregistres pendant une priode de temps reprsentative et lintervention dun expert. Le potentiel dconomie dnergie grce limplantation de cette mesure est de 5 15% dans le cas de contrle automatique de la temprature de condensation et de 3 8% dans le cas dajustement manuel de cette temprature. 7.6.3. Inspection et nettoyage intervalles rguliers des surfaces de transfert de chaleur des vaporateurs et condenseurs 7.6.3.1. Systmes avec les tours de refroidissement fonctionnant boucle ouverte En gnral, lencrassement des condenseurs peut augmenter la consommation dnergie plus que 10%. Cette augmentation rsulte surtout du fait de laugmentation de la temprature de condensation. La frquence de nettoyage pourrait tre dtermine en surveillant les tempratures relatives au condenseur : La diffrence de temprature entre la temprature du rfrigrant liquide et celle de leau la sortie du condenseur doit tre faible La diffrence de temprature entre la temprature de leau lentre et sortie du condenseur doit tre leve En gnral, ces diffrences de tempratures sont relativement faibles et un bon monitoring exige les sondes de temprature prcises. De plus, ces diffrences varient en fonction de la charge du systme. Une exprience est donc ncessaire pour bien grer cette activit. Dans le cas des systmes avec les tours de refroidissement fonctionnant boucle ouverte le nettoyage manuel rgulier permet dconomiser de 2 10% de la consommation totale du systme. Linstallation dun systme de nettoyage automatique permet Lconomie de 3 12%.

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7.6.3.2. Nettoyage rgulier des vaporateurs de ct leau Lencrassement des vaporateurs pour consquences de diminuer la temprature dvaporation. Un nettoyage rgulier permet dconomiser de 0.5 3% de la consommation totale du systme. 7.6.3.3. Traitement chimique de leau de refroidissement de condenseur Le traitement de leau consiste ajouter les produits chimiques et contrler les purges pour compenser les pertes deau de la tour de refroidissement et des condenseurs vaporatifs. Cette mesure permet dconomiser de 1 5% de la consommation totale du systme. 7.6.4. Mesures relatives aux quipements de rejet de chaleur

Schma dun condenseur refroidi lair

Schma dun condenseur vaporatif

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Schmas des tours de refroidissement 7.6.4.1. Application des variateurs de vitesse pour des ventilateurs des quipements de rejet de chaleur Lide de cette mesure est dajuster le dbit des ventilateurs en fonction de la charge frigorifique du systme. Plusieurs solutions sont envisageables et elles sont semblables aux solutions proposes dans les systmes de climatisation dbit dair variable VAV. Le variateur de vitesse lectronique est une meilleure solution qui permet dconomiser de 30 70% de lnergie consomme par les ventilateurs ou de 0.5 3% de la consommation totale du systme. 7.6.4.2. Cdule approprie de fonctionnement des ventilateurs dans les tours de refroidissement comportant plusieurs cellules Les tours de refroidissement comportent parfois plusieurs cellules chacune comportant un ventilateur. Souvent les ventilateurs ont deux stages de vitesse de rotation. Une cdule approprie de fonctionnement est dans ce cas rentable. Si le systme comporte trois cellules et la charge frigorifique augmente, on propose, par exemple, de mettre en marche le premier ventilateur basse vitesse, puis le deuxime et le troisime basse vitesse aprs augmenter la vitesse du premier ventilateur et puis deuxime et troisime. Cette mesure permet dconomiser de 10 40% de lnergie consomme par les ventilateurs ou de 1 5% de la consommation totale du systme 7.6.4.3. Nettoyage rgulier des quipements de rejet de chaleur Cette mesure permet dconomiser de 0.1 5% de la consommation totale du systme

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7.6.4.4. viter la recirculation dair autour des quipements de rejet de chaleur

Recirculation dair autour dune tour de refroidissement installe proximit dun mur

Recirculation dair autour dune tour de refroidissement install dans un puits

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7.6.5. Mesures relatives aux compresseurs Au moins trois mesures dconomies dnergie prsentes ci-dessous peuvent tre mentionnes : Si un moteur du compresseur tombe en panne il doit tre remplac par un moteur plus efficace.

Cette mesure peut engendre les conomies de 1 5% de lnergie consomme par le moteur. Si le remplacement dun compresseur est envisag cause dune panne ou cause de son age,

ce compresseur doit tre remplac par un autre plus efficace. Cette mesure peut engendre les conomies de 10 35% de lnergie consomme le refroidisseur dpendamment de la base de comparaison.

Dans le cas dun compresseur centrifuge linstallation dun variateur de vitesse peut tre envisage. Cette mesure peut engendre les conomies de 10 40% de lnergie consomme par le refroidisseur.

7.6.6. Mesures relatives au design visant lefficacit faible charge frigorifique 7.6.6.1. Dimensionner adquatement les refroidisseurs Installer les refroidisseurs et les quipements connexes dimensionner adquatement pour rendre les priodes de fonctionnement faibles charges les plus courtes possibles. Le but de cette mesure consiste sassurer que le systme fonctionne efficacement nimporte quelle charge. Il est propos dans ce cas de dimensionner les quipements connexes en les associant chaque refroidisseur. Le choix des compresseurs doit tre ralis en fonction de leur comportement la charge partielle. Pour dterminer le nombre de compresseurs et leur puissance il faut prendre en considration le profil annuel ou saisonnier de la charge frigorifique. Cette mesure est lie partiellement avec la mesure visant optimiser la cdule de fonctionnement des refroidisseurs du systme central de refroidissement. Cette mesure permet dconomiser de 5 20% de la consommation totale dnergie de la centrale. 7.6.6.2. Installer les petites units de refroidissement pour pouvoir arrter les refroidisseurs de grande puissance Cette mesure sapplique aux cas spcifiques o les besoins de climatisation des certains locaux, comme par exemple les salles dordinateurs, se produisent mme si les autres locaux ne sont plus utiliss. Cette mesure permet dconomiser de 5 30% de la consommation totale dnergie de la centrale. 7.6.6.3. Optimiser le fonctionnement des centrales frigorifiques sil y a plusieurs centrales frigorifiques sur place Cest un cas peut tre rare, mais sil y a plusieurs centrales frigorifiques la mesure qui consiste optimiser leur fonctionnement peut tre trs rentable. La cdule de mise en marche des refroidisseurs doit tenir compte de la demande actuelle versus la capacit des refroidisseurs et leur efficacit. Cette mesure permet dconomiser de 5 20% de la consommation totale dnergie de la centrale.

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7.6.7 Refroidissement par lutilisation indirecte de lair extrieur Cette mesure consiste refroidire leau glace en utilisant lair extrieur basse temprature. Le but est de rduire la charge du refroidisseur ou de larrter. Le cot dapplication de cette mesure est assez lev, cest pourquoi elle exige une tude dtaille portant sur la rentabilit. Elle sapplique si le nombre dheures de fonctionnement dans ce mode de refroidissement est lev. Ce nombre dheures dpend entre autres des facteurs suivants : Profil adquat de la charge frigorifique cest--dire la charge doit tre importante lorsque les

tempratures extrieures sont basses. Il sagit donc des btiments ou des espaces ayant les gains de chaleur important pendant la priode relativement froide.

Temprature de leau glace relativement leve parce que cette mesure nest quapplicable si la temprature extrieure est infrieure celle de leau glace. Par exemple, leau glace dans le systme de climatisation est souvent 6oC lorsque la charge est la plus leve. Il est donc prfrable pour appliquer cette mthode que la temprature de leau glace soit la plus leve possible.

Conditions climatiques favorables pour augmenter le nombre dheures de lutilisation de cette technique.

7.6.7.1. Installation de refroidissement permettant le free cooling La modification, par rapport un refroidisseur ordinaire, consiste permette le transfert de chaleur directe entre le condenseur et lvaporateur du refroidisseur par lintermdiaire du qui circule entre ces deux changeurs de chaleur. Le refroidisseur fonctionne comme un thermosiphon ou un caloduc ( heat pipe ). La figure ci-dessous explique cette opration.

Schma dun refroidisseur permettant le free cooling

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Le potentiel dconomie dnergie est de 5 30% de lnergie consomme par le refroidisseur. 7.6.7.2. Installation dun changeur de chaleur dans le circuit de la tour de refroidissement Cette solution ressemble celle mentionne ci-dessus, mais elle permet aussi le pr-refroidissement de leau glace. Le schma est ci-dessous. Le potentiel dconomie dnergie est semblable la mesure prcdente de 5 30%. Le retour dinvestissement est assez long de 3 15 ans.

changeur de chaleur install entre le condenseur et le rseau de leau glace

7.6.7.3. Utilisation dun cycle conomiseur sur le circuit deau Cette mesure consiste installer un changeur de chaleur supplmentaire dans la gaine dair dun systme de climatisation qui est aliment en eau provenant de la tour de refroidissement comme prsent sur la figure ci-jointe. Cette mesure sapplique souvent aux systmes comportant un refroidissement par dtente directe et plutt aux nouvelles constructions. Linconvnient principal de cette mesure est linsertion dun serpentin supplmentaire dans la gaine qui cest traduit par laugmentation de la pression statique du ventilateur. Cette mesure exige aussi installation dun changeur de chaleur entre la tour de refroidissement et les units desservies pour ne pas les alimenter en eau pollue provenant de la tour.

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Schma dun systme utilisant le cycle conomiseur sur le circuit deau

Le potentiel dconomie dnergie est de 10 30% de lnergie consomme par le refroidisseur. Le paragraphe 7.3.2.3 du Code national de lnergie porte sur lutilisation de cette technique. 7.6.8. Rcupration de la chaleur rejete par les refroidisseurs La quantit dnergie rejete par le refroidisseur est une somme de leffet frigorifique et lnergie consomme par le compresseur. La rcupration de cette nergie est limite par la temprature de condensation qui devrait tre assez faible parce quelle a un impacte sur le COP du refroidisseur. Trs souvent la rcupration de chaleur ces tempratures est difficile ralise. Typiquement, la temprature de condensation des refroidisseurs fonctionnant pleine charge est de 100 110 oF. la charge partielle cette temprature est plus faible. Laugmentation de cette temprature pour favoriser la rcupration de chaleur a plusieurs consquences comme par exemple : diminution du COP du refroidisseur. En gnral, laugmentation de cette temprature de 1oF a

pour effet de diminuer le COP de 1 2% rduction de la capacit frigorifique du refroidisseur possibilit de lusure acclre des lments du refroidisseur.

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La rcupration de chaleur doit tre considre comme la source supplmentaire dnergie autrement dit, il faut rcuprer la chaleur seulement lorsque lorsquil y a la demande de refroidissement. Il ne faut pas utiliser le refroidisseur seulement pour rcuprer la chaleur. Le systme qui absorbe la chaleur doit tre choisi de manire que ses besoins concident avec la charge frigorifique et que la temprature de rejet de chaleur soit adquate. 7.6.8.1. Utilisation directe de leau de refroidissement (du condenseur) par le systme de la rcupration de chaleur

Schmas des systmes sans et avec le by-pass de la tour de refroidissement Deux possibles schmas de la rcupration de chaleur sont prsents sur les figures. Le potentiel dconomie dnergie dpend de plusieurs facteurs. Tout dabord, ce systme permet de rduire la consommation dnergie des ventilateurs de la tour de refroidissement. De plus, si la rcupration peut tre ralise la temprature minimale de condensation la performance de la machine est leve et elle fonctionne dans ces meilleures conditions. La quantit dnergie rcupre dpend aussi de choix du systme qui absorbe la chaleur rcupre. Le cot dimplantation de cette mesure peut varier beaucoup dpendamment de la grandeur de linstallation.

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7.6.8.2. Utilisation dun condenseur spcial pour la rcupration de chaleur (double bundle condenser)

Schma dun systme comportant un condenseur supplmentaire pour la rcupration de chaleur

Le deuxime condenseur doit tre dimensionn en tenant compte de la capacit du systme de rcupration de chaleur. Le potentiel dconomie dnergie ainsi que les facteurs qui influence ce potentiel sont semblables ceux prsents dans la mesure prcdente. Le cot dajout du condenseur supplmentaire est de 10 20$ par 1000 Btu/hre de la chaleur rcupre. 7.6.8.3. Autres possibilits de rcupration de chaleur. Le choix du systme de la rcupration de chaleur doit toujours tre bas sur les rsultats dune analyse du potentiel dconomie dnergie. Cette analyse doit prendre en considration de la quantit de chaleur rejete, la temprature laquelle le rejet est ralis et le besoin de chaleur du systme de rcupration. Si par exemple, une quantit importante de la chaleur doit tre rcupre une temprature leve (plus leve que la temprature minimale de condensation) il faut envisager linstallation dun refroidisseur spcial permettant la condensation la temprature leve sans rduire son COP. Si par exemple, une petite quantit de chaleur doit tre rcuprer une temprature leve il faut plutt envisager la rcupration de chaleur du rfrigrant sortant du compresseur de la machine frigorifique. Le rfrigrant sort du compresseur ltat de la vapeur surchauffe. On envisage

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donc, dans ce systme, de refroidir le rfrigrant jusqu sa temprature de saturation. La quantit de chaleur ainsi rcupre dpend, entre autres, du rfrigrant utilis par le refroidisseur. titre dexemple on peut citer les cas suivants : Rfrigrant R134a seulement 4% de la chaleur totale rejete peut tre rcupre en appliquant

cette mesure parce que la temprature de rfrigrant la sortie du compresseur nest que de 12 oF suprieure la temprature de saturation.

Rfrigrant R22 - 11% de la chaleur totale rejete peut tre rcupre en appliquant cette

mesure. La temprature la sortie du compresseur est de 155 oF, cest--dire de 35 oF suprieure la temprature de saturation

Ammoniac - 14% de la chaleur totale rejete peut tre rcupre en appliquant cette mesure. La

temprature la sortie du compresseur est de 225 oF, cest--dire de 105 oF suprieure la temprature de saturation

7.7. Possibilits de gestion dnergie (2) Dans le chapitre prcdant, on prsente plusieurs possibilits de gestion de lnergie relatives aux systmes de refroidissement et aux lments de ces systmes. Elles sont regroupes selon le rle dlments auxquels elles sont relatives. Ci-dessous on prsente certaines possibilits de gestion dnergie proposes dans le cahier no 11 Refroidissement et pompes chaleur faisant partie dune Srie de la gestion de lnergie publie par Ministre de lnergie, des Mines et des Ressources Canada en 1983. Parfois il sagit des possibilits dj prsentes dans le chapitre prcdant. Cette fois elles sont quand mme sont regroupes en tenant compte de la facilit de leur implantation. On distingue donc les mesures qui peuvent tre classifies comme les possibilits de maintenance ou les possibilits de cot modique ou de rnovation. 7.7.1. Possibilits de maintenance Les possibilits de maintenance sont des initiatives de gestion de lnergie excutes de faon priodique et au moins une fois par anne. Parmi les possibilits de gestion de lnergie de cette catgorie, mentionnons : Inspection et nettoyage intervalles rguliers des surfaces de transfert de chaleur des

vaporateurs et condenseurs. Des surfaces encrasses diminuent lefficacit du transfert de la chaleur, ce qui exige de plus grandes diffrences de temprature pour maintenir le taux de transfert de chaleur. Plus lcart de temprature est grand, plus le coefficient de performance (COP) sen trouve diminu.

Rparation de lisolation des conduites daspiration et refoulement du compresseur pour

diminuer la surchauffe des gaz daspiration. Les conduites du rfrigrant absorbent de la chaleur lorsquelles sont installes dans des endroits o lair nest pas climatis, ce qui augmente la charge du systme inutilement.

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Calibrage des appareils de rgulation et commandes de mme que vrification de leur fonctionnement intervalles rguliers pour sassurer que les installations frigorifiques et les pompes chaleur fonctionnent efficacement.

Maintien de la quantit de rfrigrant prvue dans les circuits des installations frigorifiques et

des pompes chaleur. Un bas niveau de fluide frigorigne diminue lefficacit et la puissance frigorifique des installations. Une diminution du dbit du fluide frigorigne cause une surchauffe excessive lvaporateur, rduit lefficacit du compresseur et augmente la temprature de condensation ;

Circulation dair sans obstruction autour des condenseurs et des tours de refroidissement pour

supprimer le court-circuit des courants dair favorisant des tempratures et des pressions de condensation plus leves ;

Rduction au minimum du fonctionnement simultan des systmes de chauffage et de

refroidissement. Des thermomtres situs divers endroits stratgiques peuvent permettre didentifier ce genre de problme.

7.7.1.1. Exemples concrets de maintenance Diminution de la temprature de condensation par une maintenance adquate du condenseur Au cours des ans, le rendement dune installation frigorifique de 175kW quipe dun condenseur refroidi lair avait nettement diminu. Une inspection avait permis de dcouvrir que lendroit o se trouvait le condenseur avait t transform en aire dentreposage o des matriaux taient empils. La circulation de lair prs du condenseur tait donc obstrue causant ainsi un court-circuit du flux dair traversant le condenseur. Selon les mesures, lorsque la temprature de lair ambiant tait de 35C, lair entrait dans le condenseur une temprature de 46,1C. La charge frigorifique actuelle tait de 120kW. Les donnes du fabricant indiquaient que la puissance du compresseur tait de 42,3 kW 35C et de 49,76 kW 46,1C pour une charge frigorifique de 120kW. valuer limpacte de lenlvement des matriaux empils proximit du condenseur sur le cot dopration du refroidisseur si le cot de llectricit est de 0,05$/kWh. Cette action permet une circulation adquate de lair extrieur travers le condenseur ce qui se traduit par une baisse de la temprature de lair extrieur traversant le condenseur de 46.1 35 oC. valuation rapide Dans une mthode dvaluation rapide on admet que le cot dopration pleine charge de la machine pendant 2000 heures par anne est un quivalent du cot dopration rel de la machine. La quantit dnergie requise par le compresseur 46,1C = 2 000 49,76 kW = 99 520 kWh La quantit dnergie requise par le compresseur 35C = 2 000 42,3 kW = 84 600 kWh nergie conomise = 99 520 84 600 = 14 920 kWh

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conomies = 14 920 kWh 0,05$/kWh = 746$/an valuation plus dtaille Il est noter que la mthode ci-dessus est applicable seulement aux calculs approximatifs et une mthode plus prcise est ncessaire pour une valuation approprie. Pour ces fins, on peut utiliser par exemple la mthode BIN qui permet de prendre en considration la variation de la charge frigorifique en fonction de la temprature extrieure. Pour dterminer limpacte de cette mesure, il faut faire les calculs dans deux tapes : 1. Calculs relatifs au cas actuel :

la charge de frigorifique de la machine est calcule pour chaque tranche de temprature extrieure ;

la capacit de la machine et la puissance du compresseur sont calcules pour chaque tranche en admettant cependant que la temprature de la tranche est suprieure la temprature extrieure denviron 11oC (46.1 35 = 11.1 oC).

2. Calculs relatifs au cas aprs lenlvement des matriaux empils autour du condenseur :

la charge de frigorifique de la machine, la capacit de la machine et la puissance du compresseur sont calcules pour chaque tranche de temprature extrieure.

Nettoyage des vaporateurs et des condenseurs On utilisait un refroidisseur centrifuge 880kW avec une tour de refroidissement pour la production deau glace demande par un systme de climatisation. Lors dune analyse, il fut remarqu quil y avait formation dalgues sur les surfaces mouilles de la tour de refroidissement. La purge de leau visant contrler les dpts de minraux et de ractifs se faisait en continu. Aucun essai chimique et de traitement deau ntait assur. Lors dun arrt de lusine, il fut constat que les surfaces de transfert de chaleur de lvaporateur et du condenseur taient encrasses. Un entrepreneur fut embauch pour nettoyer le matriel au cot de 1 700$ pour chaque changeur de chaleur et de 1 400$ pour la tour de refroidissement, pour une somme de 4 800$. Le cot de llectricit est de 0,05$ le kWh. Le rendement du systme fut valu avant et aprs le nettoyage en se servant des donnes du fabricant et des estims des coefficients de performance. Temprature daspiration du fluide frigorigne (surfaces encrasses) : 1,7C = 274, 7K Temprature de condensation du fluide frigorigne (surfaces encrasses) : 46,1C = 319,1 K Temprature daspiration du fluide frigorigne (surfaces propres) : 7,2C = 280,2 K Temprature de condensation du fluide frigorigne (surfaces propres) : 40,6C = 313,6 K

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Le systme fonctionne pleine charge pendant environ 900 heures par anne. Ci-dessous la mthode de calcul utilise dans le livre de rfrence qui nest pas trs draille et surestime limpacte de cette mesure dconomie dnergie. Coefficient de performance (surfaces encrasses)

= 0,25 ( )LHL

TTT = 0,25 7,2741,319

7,274 = 1,55

coefficient de performance (surfaces propres)

= 0,25* ( )LHL

TTT = 0,25 2,2806,313

2,280 = 2,10

* Les coefficients de performance rels sont estims 0,25 COP (thorique)

Modification du coefficient = ( ) 10055,1

55,110,2 = 35 % (amlioration)

Puissance ncessaire pour un refroidissement de 880 kW :

Surfaces encrasses kW56855,1

880 = Surfaces propres kW41910,2

880 =

Le systme fonctionne pleine charge pendant environ 900 heures par anne. Les conomies rsultant du nettoyage sont les suivantes :

conomies = (568 419) kW 900 h 0,05$/kW = 6 705$ Priode de rentabilit =

conomiesmentsInvestisse =

$7056$8004 = 0,72 anne (9 mois)

Dterminez les conomies rsultant du nettoyage en utilisant les formules du chapitre 7.5.1. qui tiennent compte de la variation de la capacit et de la puissance en fonction des tempratures de leau glace et de leau la sortie du condenseur. 7.7.2. Possibilits damlioration de cot modique Les possibilits damlioration de cot modique sont des initiatives de gestion de lnergie ralises une seule fois, et dont le cot nest pas lev. Des exemples de possibilits damlioration de cot modique sont dcrits ci-dessous. lvation de la temprature de lvaporateur pour augmenter le coefficient de performance du

systme.

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Rgler la temprature de leau glace, de la solution au glycol ou de lair en fonction de la puissance frigorifique voulue ou requise pour augmenter ainsi la temprature de lvaporateur de pendant les charges partielles. Par exemple, le rglage de la temprature de lair quittant lvaporateur dun systme de climatisation peut tre dtermin selon la charge latente. Au fur et mesure que la charge latente baisse, les besoins de dshumidification diminuent, et les appareils de rgulation rajustent la temprature de lvaporateur la hausse.

Relocaliser le serpentin extrieur dune pompe chaleur air-air dans un courant dair vacu propre. Lair vacu dun difice est toujours plus chaud que lair extrieur ambiant pendant la saison de chauffage.

Diminution de la temprature de condensation pour augmenter le coefficient de performance du

systme.

Relocaliser les condenseurs refroidis lair et les serpentins extrieurs des pompes chaleur dans un courant dair vacu propre. Rgle gnrale, lair vacu des difices est plus froid que lair extrieur ambiant pendant les priodes de refroidissement.

Abaisser la temprature de leau des condenseurs en rglant diffremment les valeurs de consigne des rgulateurs de temprature de la tour de refroidissement. Une analyse dtaille est ncessaire pour dterminer si une augmentation de la performance des installations frigorifiques compense les besoins de puissance supplmentaires du ventilateur de la tour de refroidissement et les cots deau dappoint.

Fournir un systme de traitement de leau automatique pour ajouter des produits chimiques et contrler les purges de mme que pour compenser les pertes deau de la tour de refroidissement et des condenseurs vaporatifs. Un systme de traitement de leau adquat maximise lefficacit du transfert de chaleur et permet de maintenir les tempratures de condensation un niveau plus bas. Parmi les autres avantages, mentionnons de moins grandes quantits deau dappoint et de purge de mme que des cots dexploitation et dentretien moins levs.

Rviser la cdule de fonctionnement pour diminuer les priodes de point et faire meilleur usage

de lnergie frigorifique ou calorifique disponible. La rvision de la cdule peut permettre larrt de certains compresseurs des systmes multiples et le fonctionnement dautres units charge optimale et efficacit maximale. Le fonctionnement des appareils selon une efficacit plus leve pourrait reporter lachat de nouveau matriel lorsquil y aura augmentation de la charge totale.

Amliorer lisolation des conduites des fluides frigorignes primaire et secondaire.. quiper les tours de refroidissement, les refroidisseurs vaporatifs et les condenseurs refroidis

lair, de moteurs de ventilateur vitesses multiples. Normalement, lquipement est choisi en fonction de la demande maximale de conception qui est rarement atteinte. En diminuant le dbit dair au condenseur de faon rpondre aux besoins, la consommation lectrique diminue.

Des refroidisseurs et condenseurs vaporatifs utiliss en hiver peuvent donner les rsultats

recherchs lorsquils fonctionnent avec des serpentins secs. Les cots dentretien,

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dalimentation en eau et en lectricit peuvent alors tre diminus. Il faut noter que la diminution des besoins nergtiques du ventilateur et des pompes de circulation des tours de refroidissement et des refroidisseurs vaporatifs peut tre annule par une baisse du COP cause par des tempratures de condenseur plus leves. Une analyse dtaille est donc ncessaire.

Envisager lutilisation dun nouveau systme de pompes chaleur au lieu dun nouveau

systme de climatisation si le chauffage est requis en hiver. Le cot plus lev de lquipement sera compens par des cots de chauffage moindres.

Munir les thermostats et les appareils de rgulation de couvercles verrouillables pour viter

tout ajustement ou modification non autoris des valeurs de consigne. Utiliser leau de refroidissement propre destine aux procds qui est normalement envoye

lgout comme eau dappoint pour les condenseurs vaporatifs ou les tours de refroidissement. Bien quil sagisse l dune mesure qui ne favorise par directement la conservation de lnergie, elle permet tout de mme de diminuer les cots dexploitation.

Revoir lemploi de la drivation des gaz chauds lorsquun systme frigorifique fonctionne

charge partielle pendant une priode relativement longue. Il peut se rvler possible de supprimer la drivation et le cyclage ou encore arrter linstallation frigorifique.

7.7.3. Possibilits de rnovation Les possibilits de rnovation sont des initiatives de gestion de lnergie qui sont ralises une seule fois et dont le cot est important. Dans cette catgorie, un grand nombre de possibilits mritent dtre examines attentivement par des spcialistes. Elles ne sont pas dcrites en dtail ci-dessous. Dans certains cas, on fournit des exemples concrets, alors que dans dautres cas, on se limitera des commentaires. Parmi les possibilits de gestion de lnergie les plus caractristiques que lon retrouve dans cette catgorie, mentionnons : Utilisation de machines frigorifique absorption lorsquil est possible de rcuprer de la

chaleur rejete haute temprature ; Utilisation dune pompe chaleur pour rcuprer la chaleur rejete basse temprature et

lutiliser dans le systme de chauffage ; Implantation dun systme de stockage thermique pour viter le fonctionnement cyclique des

compresseurs, et permettre un fonctionnement continu pleine charge et haute efficacit ; Mise en place de systmes dcentraliss pour rpondre aux charges avec des besoins spciaux.

Par exemple, si une grande installation frigorifique fonctionne avec une basse temprature dvaporation quand seulement une petite partie de linstallation utilise cette basse temprature, il suffit dinstaller un petit systme basse temprature pour satisfaire cette demande particulire. Cette solution permettra de faire fonctionner la grande installation une plus haute temprature dvaporation pour amliorer le COP.

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Rcupration de la chaleur rejete au condenseur aux fins de chauffage des locaux et de

procds ou encore de prchauffage de leau. Le coefficient de performance du systme peut tre amlior lorsquon a la possibilit de rejeter la chaleur une plus basse temprature. Par exemple, le prchauffage de leau potable diminue la quantit dnergie ncessaire au chauffage de leau et permet dabaisser la temprature de condensation. Cette eau peut souvent tre utilise pour abaisser la temprature de condensation de 5 10 C, augmentant le COP du systme. On pourrait aussi utiliser la chaleur des condenseurs pour faire fondre la neige ou prvenir la pntration de gel dans le sol sous le plateau de glace dune patinoire ;

Dsurchauffe de la vapeur du fluide frigorigne (gaz chaud) sortant du compresseur. La

surchauffe peut tre rcupre dans le but de prchauffer leau dappoint ou leau pour les procds. Comme la temprature des gaz surchauffs est suprieure la temprature de condensation, on peut utiliser la surchauffe l o la chaleur latente plus basse temprature ne peut pas ltre. Cependant, il faut porter une attention particulire la conception du rseau de conduites du fluide frigorigne pour sassurer du retour du fluide frigorigne et de lhuile en provenance du dsurchauffeur ;

Utilisation de leau de puits, de rivire ou de lac comme fluide de refroidissement basse

temprature pour abaisser la temprature de condensation. Si un condenseur refroidi lair a besoins de rparations importantes ou encore dtre remplac, envisagez plutt dinstaller un nouveau condenseur vaporatif. Un rendement amlior et une diminution des cots dnergie due un COP suprieur peuvent justifier les dpenses supplmentaires ;

Utilisation de machines frigorifiques pour dshumidifier lair dans les piscines intrieures, l o

les taux de ventilation sont normalement levs pour contrler lhumidit. En hiver, les cots de chauffage de lair de ventilation peuvent alors tre diminus en rduisant le taux de ventilation tout en assurant la dshumidification par le refroidissement de lair. La chaleur rejete peut tre utilise pour prchauffer lair de ventilation et/ou leau dappoint pour la piscine. Toutes ces mesures se traduisent par des conomies dnergie.