Choisir le compresseur de la machine frigorifique [Climatisation]

La puissance de la machine frigorifique a été dimensionnée pour répondre aux conditions de fonctionnement extrêmes (période de canicule), sans compter les surdimensionnements liés aux incertitudes d’occupation.

La première économie consiste à évaluer au plus près la puissance frigorifique nécessaire car la machine frigorifique s’adapte mal aux bas régimes. Chaque palier de diminution de 25 % de la puissance frigorifique du groupe ne réduit la puissance électrique absorbée que de 10 % en moyenne ! Pour vérifier les ordres de grandeur dans un cahier des charges, un ratio (très approximatif !) de 100 W/m² peut situer les besoins d’un bureau. La puissance totale du bâtiment ainsi trouvée sera multipliée par 2/3 pour tenir compte de la non-simultanéité des besoins.

Ensuite, il faut choisir une régulation qui lui permette de répondre à des besoins généralement beaucoup plus faibles que la valeur nominale et fluctuant dans le temps.

Diverses techniques de régulation sont possibles :

• la régulation par “tout ou rien” (marche/arrêt ou pump-down),
• la régulation progressive de la pression d’évaporation,
• la régulation par “étages”,
• la régulation par cascades (ou “centrales”),
• la régulation par variation de vitesse ou “INVERTER”,
• la mise hors-service de cylindres,
• le by-pass des vapeurs refoulement-aspiration,
• l’obturation de l’orifice d’aspiration,
• la régulation par injection des gaz chauds,
• la régulation “par tiroir” des compresseurs à vis,
• la prérotation du fluide frigorigène dans les turbocompresseurs.

Les investissements dans une régulation performante sont très rentables. Le supplément de prix demandé par l’installation de plusieurs unités en cascade (centrale) ou d’unités avec un réglage fin de la production (turbocompresseurs et compresseurs à vis avec régulation de l’aspiration) est rapidement compensé par les économies d’énergie réalisées. Un surcroît d’investissement de 10 à 15 % génère de 20 à 30 % d’économie d’énergie.

Le découpage de la puissance

Classiquement, la solution consiste à répartir la puissance :

• soit en choisissant un compresseur à plusieurs étages (= plusieurs cylindres ou plusieurs pistons),
• soit en créant une cascade entre plusieurs compresseurs (= compresseurs en centrales).

Le choix d’un compresseur à plusieurs étages est réservé aux machines frigorifiques utilisées en congélation. Suite à la très basse température de l’évaporateur, la différence des pressions à vaincre par le compresseur est fort élevée. Il est alors très utile de décomposer la compression en deux étapes : c’est le rôle du compresseur bi-étagé. On choisit également ce système lorsque la température de refoulement des gaz comprimés devient trop élevée : c’est par exemple le cas de l’ammoniac.

Par contre, en climatisation, un montage en parallèle de plusieurs machines (montage “en centrale”) est simple et fiable puisque les machines restent indépendantes.

La variation progressive de la puissance est énergétiquement favorable puisqu’aucune machine n’est dégradée dans son fonctionnement.

Bien sûr, le coût d’investissement est plus élevé que si l’on utilisait une seule grosse machine, mais imaginerait-on d’installer une grosse chaudière sans prévoir une cascade pour reprendre les faibles besoins de la mi-saison ?

Un découpage de la puissance en étages est recommandé, tout particulièrement lorsque les variations de charge sont importantes.

Il en résultera :

• Un gain sur les kWh (énergie) :
  • car le “petit” compresseur alimentera un condenseur surdimensionné pour ses besoins, d’où une pression de condensation plus basse,
  • car le rendement du moteur du compresseur sera amélioré.
• Une longévité accrue de l’installation par un fonctionnement plus régulier.
• Une sécurité d’exploitation.
• Un gain sur la pointe 1/4 horaire en kW (puissance), facturée par la société distributrice.

En général, on établit les enclenchements en cascade sur base de l’évolution de la température de retour de la boucle d’eau glacée, température qui constitue une image des besoins du bâtiment. Le tout est temporisé de telle sorte que les compresseurs ne s’enclenchent pas tous les uns à la suite des autres.

Une bonne solution peut être également de réguler en fonction de la température du ballon-tampon, lorsqu’il est existant.

Pourquoi un ballon tampon ? Un compresseur ne peut démarrer et s’arrêter trop fréquemment sous peine de s’échauffer. Pour prolonger la durée de vie du matériel en diminuant le nombre de démarrages, le constructeur prévoit un “anti-court cycle”, c’est-à-dire la temporisation du redémarrage si l’installation vient de s’arrêter. La présence du ballon tampon amplifie l’inertie thermique de l’installation, prolonge la durée de fonctionnement du compresseur, améliore le rendement du compresseur et supprime le risque qu’il soit bloqué par l’anti-court cycle.

On dimensionne un ballon tampon de telle sorte que son stockage corresponde à 5 à 10 minutes de la consommation en eau.

La variation de vitesse du compresseur

C’est une autre solution avantageuse en plein développement : soit un moteur d’entraînement à deux vitesses, soit un entraînement à vitesse variable. Cette dernière technique est sans aucun doute à recommander actuellement. Le régime de vitesse s’adapte à la puissance de réfrigération souhaitée. Par exemple, un variateur de fréquence génère une tension dont la fréquence varie entre 20 et 60 Hz. S’il s’agit d’un moteur prévu pour fonctionner à 1 500 tours à 50 Hz, il tournera entre 600 et 1 800 tours/min selon les besoins.

Pourquoi la limitation à 20 Hz ? Un défaut de lubrification du compresseur peut apparaître à basse vitesse, mais les constructeurs améliorent les systèmes régulièrement et trouvent des solutions.

Cette technique de variation de puissance par la variation de vitesse du compresseur (encore appelée INVERTER) entraîne :

• un confort élevé (bonne stabilité de la température à l’évaporateur car régulation de la pression à l’aspiration du compresseur),
• un rendement énergétique supérieur aux autres techniques de régulation de puissance, car on ne détruit pas le rendement volumétrique, on givre moins (en chambre frigorifique), on limite les dépassements de consigne de régulation propres aux systèmes de régulation tout ou rien (liés au différentiel de régulation),
• une réduction du bruit et des vibrations,
• un cos phi élevé (entre 0,95 et 0,98), ce qui permet d’éviter des pénalités ou le placement de condensateurs de compensation.

Le supplément de coût (si un compresseur coûte 100, sa version avec variateur de vitesse tournera entre 150 et 180) sera rapidement amorti par l’économie d’exploitation. Il ne sera plus nécessaire de prévoir un démarrage “étoile-triangle” puisqu’un démarrage “en douceur” est réalisé par le variateur.

A priori, les différents types de compresseurs peuvent être équipés de cette technique (exceptés les petits compresseurs hermétiques), mais s’il s’agit de greffer un variateur sur un matériel existant, une consultation préalable du fabricant sera bienvenue (risque de défaut de lubrification).

Cette technique est également intéressante pour les compresseurs à vis (énergétiquement plus efficace que la régulation par tiroir), mais des troubles de lubrification et un échauffement du moteur peuvent apparaître à vitesse réduite.

La mise à l’arrêt de cylindres

Méthode assez répandue parmi les techniques de découpage de la puissance, il est possible de jouer avec la mise hors-service des cylindres (ce qui peut s’adapter sur une installation existante).

Avantage : pour éviter les pointes de courant de démarrage, il est possible de démarrer à vide le compresseur.

Inconvénients :

• Ce réglage est énergétiquement moins favorable; les cylindres tournant à vide ont pour conséquence que, pour une puissance de réfrigération de 50 %, par exemple, la machine absorbe encore environ 65 % de la puissance d’entraînement.
• La variation de la puissance n’est pas continue (sauts de puissance).
• L’usure de la machine est pratiquement identique à vide ou en charge.

L’obturation de l’orifice d’aspiration

À cet égard, le réglage par un étranglement dans la conduite d’aspiration n’est pas meilleur. On modifie alors la puissance de réfrigération en agissant sur le débit du réfrigérant.

L’injection des gaz chauds

Quant au réglage de la puissance du compresseur par injection des gaz chauds dans l’évaporateur ou à l’entrée du compresseur, il faut le qualifier de “pur anéantissement d’énergie”. Dans ce cas, la puissance absorbée reste la même lorsque la puissance de réfrigération diminue. De plus, ils provoquent un échauffement du moteur. Dans la mesure du possible, il faut mettre ce système aberrant hors service dans les installations existantes.

C’est le compresseur qui travaille sur lui-même. On pourrait tenter l’image suivante : une pompe remonte de l’eau de la cave vers le rez-de-chaussée. Si l’eau vient à manquer, on risque de faire caviter la pompe. Aussi, on décider de redescendre de l’eau vers la cave, de réinjecter de l’eau supplémentaire à l’entrée de la pompe. Ainsi, on est sûr que le débit de la pompe restera suffisant !

Attention à l’injection de gaz chauds rencontrée en climatisation sur des groupes avec un compresseur n’ayant pas de système interne de régulation de puissance, utilisé sur des petits chillers et des systèmes à détente directe (roof-top, par exemple) : c’est absolument à proscrire.

(A ne pas confondre avec le dégivrage par injection de gaz chauds, qui est par contre une technique très efficace de dégivrage).

Tableau synthèse de sélection

(*) pour les compresseurs rotatifs, la modulation de puissance s’opère par modification du débit de fluide frigorigène, soit en faisant varier la vitesse de rotation du compresseur, soit en régulant l’admission des gaz à l’aspiration. Le rendement énergétique est sensiblement conservé à charge partielle, ce qui constitue un avantage important. Pour la même raison que pour les compresseurs à pistons, la tendance est d’associer deux ou plusieurs compresseurs sur une même machine.

(**) Pour les turbocompresseurs,

• La variation de la vitesse de rotation ne peut se faire que sur une plage limitée et avec une diminution de rendement du compresseur. Concrètement, la variation de vitesse par moteur asynchrones triphasés est encore onéreuse, aussi la régulation par variation de vitesse n’est envisagée que lorsque le turbo compresseur est entraîné par une turbine à vapeur.

• La régulation par modification des pressions du cycle est parfois rencontrée (augmentation de la pression de condensation par augmentation de la température au condenseur, et diminution de la température à l’évaporation en créant une perte de charge à l’aide d’un volet). cette technique est désastreuse sur le plan énergétique. Tout autant que la régulation par injection de gaz chauds à l’aspiration.

En local technique

C’est le compresseur qui génère le plus de bruit, il est donc toujours préférable de le placer en local technique lorsque l’on dispose d’un espace suffisant, tandis que le condenseur refroidi par air est placé en terrasse. Cette solution est la plus adaptée en ce qui concerne la diminution des nuisances sonores vers l’extérieur du bâtiment.

Lorsque les compresseurs sont placés en local technique, ils masquent tous les bruits de détente ou de circulation interne des fluides dans la machine. Pour diminuer les nuisances acoustiques du compresseur, il faut mettre en place les dispositifs suivants :

• Mettre un capot acoustique sur la machine.
• Prévoir une dalle flottante équipée d’isolateurs à ressorts.
• Placer des plots en élastomère entre la machine et la dalle flottante.

Si le groupe évaporateur/compresseur est implanté au-dessus de locaux occupés, on peut placer un matelas de laine de verre entre la dalle flottante et le socle de propreté de la machine.

N.B. : la suspension anti-vibratile des compresseurs peut ne pas être suffisamment efficace car les compresseurs sont reliés aux autres éléments de façon rigide. Ainsi, on utilisera des manchettes souples pour relier l’évaporateur aux canalisations du réseau hydraulique.

En terrasse

Si on ne dispose pas d’un local de service, évaporateur, compresseurs et condenseur seront placés en terrasse. Mais, sur le plan acoustique, ce type de disposition est toujours à éviter.

Dans tous les cas, il faudra éloigner au maximum les compresseurs de tous les plaignants potentiels.

Remarquons que l’éloignement de la machine impose des longueurs de canalisations plus importantes, ce qui peut avoir une influence sur le dimensionnement des équipements (collecteurs, pompes, …) et augmenter le coût de l’installation.

Il faudra éviter de placer les compresseurs à proximité de parois qui pourraient augmenter sa directivité vers une zone sensible. Au contraire, il faudra envisager de placer la machine de façon à la cacher derrière un obstacle. Ainsi, en terrasse, on pourra placer la machine derrière la cabine d’ascenseur ou profiter de la présence de l’armoire électrique de la machine, par exemple.

Remarque.

Si la réduction des nuisances acoustiques est un critère important, le placement d’un variateur de vitesse sur le compresseur (qui se justifie déjà pour des raisons énergétiques) est incontournable.

Certains variateurs peuvent être paramétrés pour “sauter” la(les) gamme(s) de fréquence qui génère(nt) des vibrations du compresseur (fréquences de résonance de la machine). Simplement, il ne s’arrête pas sur ces fréquences critiques.