photo de compresseur.

Choix du type de compresseur

Il existe de nombreuses technologies de conception des compresseurs.

Techniques

Pour découvrir ces diverses technologies, cliquez ici !

Pour aider à la sélection, il est possible de les regrouper par « familles » et d’en tirer leurs propriétés communes.

On distingue les compresseurs par le mode de compression :

  • Le compresseur volumétrique, la compression du fluide frigorigène se fait par réduction du volume de la chambre de compression. Il existe des compresseurs à piston, à vis, à spirales (compresseurs scroll) et des compresseurs rotatifs.
  • Le compresseur centrifuge, où la compression du fluide est créée par la force centrifuge générée par une roue à aubes. On parle de turbocompresseur.

On les distingue également par l’association moteur-compresseur :

  • Le compresseur ouvert, où le moteur est dissocié du compresseur et raccordé par un manchon ou une courroie. L’accès aux différents éléments est possible pour réparation et la vitesse de rotation est modifiable en changeant la poulie du moteur. Mais ces deux avantages (fort théoriques…) ne compensent pas le défaut majeur de l’existence d’un joint d’étanchéité rotatif à la traversée du carter par l’arbre. Ce joint, qui doit être lubrifié pour assurer l’étanchéité, est source de fuites… inacceptables aujourd’hui dans un contexte « zéro-fuite ».
  • Le compresseur hermétique, où moteur et compresseur sont enfermés dans une même enveloppe. Le joint tournant disparaît et avec lui le risque de fuite. Mais des contraintes nouvelles apparaissent, dont le fait que le refroidissement du moteur est réalisé par le fluide frigorigène lui-même. Cet échauffement est préjudiciable au cycle frigorifique puisque la température à l’aspiration du compresseur augmente. De plus, si le moteur vient à griller, c’est l’ensemble du circuit frigorifique qui sera pollué : un nettoyage complet du circuit doit être réalisé si l’on veut éviter de nouveaux ennuis. En cas de problème, il n’est plus possible de réparer… Dès lors, un organe de sécurité contre la surchauffe (Klixon) est incorporé. Grâce à cette sécurité thermique, montée dans les enroulements du moteur ou sur ces derniers, l’alimentation électrique sera coupée lors d’une surchauffe du moteur.Le compresseur hermétique est couramment utilisé pour les petites et moyennes puissances : climatiseurs, armoires de climatisation, pompes à chaleur, …
  • Le compresseur semi-hermétique, qui réalise un compromis entre les deux produits précédents. Il tente de bénéficier des avantages du groupe ouvert (accès aux mécanismes) et du groupe hermétique (limitation des fuites). Mais l’étanchéité reste imparfaite (nombre de joints non négligeable) et le prix est sensiblement plus élevé que pour le compresseur hermétique.Le compresseur semi-hermétique est utilisé pour les moyennes puissances.

Critères énergétiques de sélection parmi les différents types de compresseur

Tous les compresseurs ne présentent pas une performance égale. Cette performance peut être mesurée via le COP de la machine frigorifique dans laquelle ils seront insérés. Le tableau ci-dessous (valeurs recommandées par le standard ARI) permet d’apprécier globalement la performance que l’on peut attendre des différents types de compresseurs :

Type d’équipement

COP min. recommandé (kWr/kWe)

Groupes de production d’eau glacée à pistons

A refroidissement par air

– Jusqu’à 100 kWr
– Supérieur à 100 kWr

A refroidissement par eau

– jusqu’à 10 kWr
– Supérieur à 10 kWr

 

 

3,0
3,0

 

3,7
4,0

Groupes de production d’eau glacée à vis

A refroidissement par air

A refroidissement par eau

– jusqu’à 800 kWr
– Supérieur à 800 kWr

 

4,5

 

4,6
5,0

Groupes de production d’eau glacée centrifuges

A refroidissement par air

– jusqu’à 800 kWr
– Supérieur à 800 kWr

A refroidissement par eau

– jusqu’à 800 kWr
– Supérieur à 800 kWr

3,8
3,84,5
4,7

Conditions standard ARI 550/590-98. Exemple : pour groupes de production d’eau glacée, température départ eau glacée = 6,7°C ; température entrée condenseur à eau = 29,4°C / à air = 35,0°C.

Comment choisir ?

Globalement, la tendance actuelle est :

  • à l’abandon des machines à mouvement alternatif (compresseur à piston),
  • au développement des machines tournantes, à came rotative, à spirale rotative (scroll) ou à vis.


Le compresseur à vis …


… et la vis en question !

Compresseur scroll.

Les avantages portent :

  • sur une réduction des pièces mécaniques en mouvement (suppression des clapets) et donc une plus grande fiabilité,
  • un rendement volumétrique d’un compresseur assez bon grâce à l’absence d’espaces morts, comme dans les compresseurs à pistons,
  • une meilleure modulation de puissance,
  • une plus grande longévité,
  • un niveau sonore nettement plus favorable (moins de vibrations), surtout pour les appareils hermétiques,
  • une moindre sensibilité aux entrées de fluide frigorigène liquide (« coups de liquide » destructeurs des compresseurs à pistons),
  • un coût de maintenance également plus faible, puisque le risque de panne est diminué.

Pas de secret : leur coût d’achat est encore plus élevé…

On choisira des compresseurs hermétiques ou semi-hermétiques pour atteindre l’objectif zéro-fuite de fluide frigorigène, objectif qui sera un jour obligatoire au niveau réglementaire.

La puissance frigorifique à atteindre constitue un critère de choix de départ, mais la sélection d’un compresseur demande une vue globale sur les typologies disponibles en fonction de la puissance frigorifique et sur le mode de régulation de puissance. Un camion peut être très performant, mais s’il est trop puissant, il n’atteint pas la performance de 2 camionnettes…

Dans le tableau synthèse de sélection, on trouvera les deux critères rassemblés.

Critères énergétiques de sélection du compresseur lui-même

Pour les compresseurs à vis comme pour les compresseurs scroll, le risque est de sélectionner un compresseur dont le taux de compression est trop élevé : le compresseur travaillera « pour rien » puisque le fluide frigorigène sera trop comprimé puis se détendra au travers de l’orifice de refoulement jusqu’à atteindre la pression de condensation.

La pression de condensation est liée au régime de fonctionnement du condenseur de l’installation. Il importe que la pression interne de refoulement soit la plus proche possible de la pression de condensation.

Le concepteur choisira un « rapport de volume interne » (cela correspond au taux de compression, mais exprimé sous forme d’un rapport entre les volumes à l’entrée et à la sortie du compresseur) approprié au cas d’utilisation et pour lequel le compresseur exige la plus faible puissance d’entraînement possible.

Pour les cas où les conditions de pression de fonctionnement varient fortement, on a mis au point le compresseur à vis à rapport de volume interne variable. Le taux de compression s’adapte automatiquement au rapport de pression utile en fonction des paramètres de température de condensation et de température d’évaporation.

Cette technique optimalise le rendement énergétique tant à pleine charge, qu’à charge partielle.

L’insertion d’un économiseur (ou « superfeed » ou « suralimentation »)

Le fonctionnement technique de l’économiseur dépasse la portée de nos propos, mais le principe de base consiste à injecter une quantité de fluide frigorigène supplémentaire dans le compresseur, à une pression intermédiaire entre la pression de condensation et d’aspiration.

La puissance frigorifique en est nettement améliorée alors que la puissance absorbée n’augmente que légèrement.

On rencontre différentes modalités d’application de ce principe dans trois technologies de compresseur :

  • Dans les compresseurs à vis, où un orifice est prévu dans la paroi du stator pour injecter du fluide juste après la phase d’aspiration.
  • Dans les compresseurs rotatifs à palettes multiples, où une augmentation de 10 % de la puissance absorbée, génère de 20 à 30 % de la puissance frigorifique, suivant le régime de fonctionnement.
  • Dans les compresseurs centrifuges, où ce système est prévu par certains constructeurs lorsque le compresseur comporte deux roues. Les gaz supplémentaires sont injectés à l’entrée de la deuxième roue où ils se mélangent aux gaz refoulés de la première roue. Même si la puissance absorbée augmente, le coefficient de performance en est accru. On cite par exemple un COP accru de 6 % pour une température d’évaporation de 0°C et une température de condensation de 40°C.

Refroidisseur de liquide à compresseur centrifuge de 3 900 kW.

Prévoir dès le départ la mesure du COP de l’installation :

Pour la bonne gestion future d’une grosse installation, on peut imaginer de placer un compteur d’énergie sur l’eau glacée et un compteur électrique sur le compresseur (coût de l’ordre de 5 000 Euros). Il sera alors possible d’imposer un COP moyen annuel minimum à la société de maintenance… en laissant celle-ci se débrouiller pour y arriver. Un remboursement de la différence peut être prévu comme pénalité en cas de non-respect.


Choix de la technique de régulation de puissance

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 :

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.

Compresseurs alternatifs
montés en tandem.

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.

Audit

Pour comprendre la facture électrique, cliquez ici !

Réseauélectrique 

Pour comprendre le placement de condensateurs de compensation, cliquez ici !

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

L’importance d’une mesure préalable !

La mise en place d’une régulation performante demande de connaître la puissance effective nécessaire en fonction des saisons. Aussi, si le choix d’un compresseur doit être fait en vue du remplacement d’une machine existante, on placera un simple compteur horaire sur l’alimentation électrique du compresseur actuel pour ainsi connaître son temps de fonctionnement et donc la puissance moyenne demandée. Cela permettra de mieux choisir la nouvelle machine frigorifique.

Si l’installation doit vaincre les apports d’une machine spécifique à enclenchement discontinu, la puissance moyenne peut être trompeuse : à certains moments, c’est la puissance totale qui est demandée, et zéro le reste du temps… Idéalement, on enregistrera la puissance demandée, en relevant en parallèle la source des apports thermiques.

Type de compresseur Plages de puissance
(kW frigorifiques)
Régulation adaptée
Compresseur rotatif 10 W maximum
(climatiseurs individuels,
petits refroidisseurs d’eau)
  • Variation de la vitesse de rotation
  • Régulation admission gaz à l’aspiration
  • La tendance est d’associer deux ou plusieurs compresseurs sur une même machine

(*)

Compresseur scroll de 3 à 40 kW par compresseur
(mais possibilité de puissance supérieure par mise en parallèle de compresseurs)
Modulation de puissance optimale, par variation de la vitesse de rotation ou par mise en « centrale »
Compresseur à piston
Ouvert quelques dizaines de kW à plus de 1 000 kW Étanchéité aux fluides frigorigènes insuffisante aujourd’hui
Semi-hermétique de quelques dizaines de kW à quelques centaines de kW
  • Un compresseur à plusieurs étages
    ou plusieurs compresseurs en cascade (« centrale »)
  • Variation de la vitesse de rotation
Hermétique de quelques kW à plusieurs dizaines de kW Régulation type « marche/arrêt » commandée par thermostat d’ambiance ou sur circuit d’eau.

Tendance actuelle : plusieurs compresseurs en cascade (« centrale »)

Compresseur à vis de (20) 100 à 1 200 kW Excellente fiabilité et longévité

Modulation de puissance par « tiroirs » très souple, de 100 à 10 %, avec une très faible dégradation du COP par la régulation « par tiroirs », du moins au-dessus de 50 % de la puissance.

Compresseur centrifuge (ou turbo-compresseur) de (600) 1 000 à 4 000 kW Modulation de puissance optimale limitée à 35 %, par prérotation du fluide frigorigène à l’entrée de la roue.

(**)

(*) 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.
Remarque.
Choisir un compresseur performant, c’est bien. Le placer dans un environnement favorable, c’est mieux. En pratique, on sera très attentif aux assembliers qui proposent
« un échangeur + un compresseur + un échangeur ».
L’ensemble forme une machine frigorifique, certes, mais les pertes de charge liées aux échangeurs sont parfois très élevées pour le compresseur, ce qui augmente fortement sa consommation !On choisira de préférence une installation globale, montée d’usine et dont le fabricant garantit la performance globale.

Critères acoustiques

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.

À titre d’exemple, voici quelques niveaux sonores donnés par un fabricant de groupes refroidisseurs de liquide (pression sonore mesurée à 10 m en champ libre en dBA).

– machines équipées de compresseur scroll hermétique :

Puissance comprise entre 17 et 35 kW : 43 dBA
Puissance comprise entre 38 et 100 kW : 55 dBA
Puissance comprise entre 101 et 200 kW : 61 dBA

Puissance comprise entre 201 et 245 kW : 65 dBA

– machines équipées de compresseur à piston semi-hermétique :

Puissance comprise entre 245 et 540 kW : 57 dBA
Puissance comprise entre 541 et 740 kW : 60 dBA

– machines équipées de compresseur à vis :

Puissance comprise entre 280 et 600 kW : 68 dBA
Puissance comprise entre 601 et 1215 kW : 71 dBA