Mettre en place un stockage d’énergie frigorifique [Climatisation – concevoir]

Avantages

• Le kWh frigorifique produit la nuit et/ou en dehors des heures de pointe revient nettement moins cher.
• Si la réserve est utilisée au moment de la pointe ¼ horaire du bâtiment, les compresseurs peuvent être délestés, ce qui permet de réelles économies financières sur le coût de la pointe.
• Nouvelles installations : diminution de la puissance frigorifique installée, par étalement de la charge dans le temps, et donc diminution de l’investissement initial en machines frigorifiques et équipements annexes.
• Installations existantes : augmentation de la charge frigorifique sans augmentation de la puissance électrique installée (c’est intéressant pour des bâtiments en rénovation dont on souhaite augmenter l’équipement bureautique, sans devoir augmenter la puissance du transformateur).
• Diminution de l’encombrement des tours de refroidissement en toiture.
• Augmentation de la durée de fonctionnement des compresseurs (à la limite, fonctionnement 24h/24), ce qui améliore leur rendement moyen.
• Possibilité d’un secours partiel (quelques heures seulement…) en cas de panne de la machine frigorifique ou d’interruption de la fourniture d’énergie électrique, seules les pompes étant alimentées par le groupe de secours. C’est une sécurité parfois recherchée pour les salles informatiques.

• Pour les grands bâtiments, le réservoir d’eau obligatoire pour la protection incendie peut parfois être utilisé comme bâche d’eau glacée.

Inconvénients

• Aucun gain sur le bilan énergétique thermique ! Même plutôt quelques pertes de frigories durant le stockage … C’est essentiellement une opération tarifaire, financière et non énergétique.
• Lorsque la machine frigorifique “fait de la glace”, la température à l’évaporation descend. Elle travaille avec un moins bon rendement que lors du régime normal de préparation de l’eau glacée ! Ceci est partiellement contrebalancé par le fait que la température de condensation va également pouvoir diminuer, suite aux températures plus fraîches de la nuit.
• La puissance de la machine frigorifique descend à 60 % … 70 % de sa valeur nominale lorsqu’elle prépare de l’eau glacée.

Par exemple, voici l’évolution pour une machine particulière : la puissance lors de la charge de nuit est donc réduite à 324 kW / 458 kW = 71 % de la valeur nominale.

• L’installation est plus complexe et nécessitera une régulation pour la gestion des cycles charge-décharge.
• Le stockage thermique est volumineux et sera donc généralement limité à une part de la consommation journalière.

Le choix de la mise en place d’un stockage de froid nécessite d’analyser correctement le profil de consommation du circuit froid.

Fixer les objectifs du stockage

De multiples combinaisons entre capacité de stockage, puissance de déstockage et puissance frigorifique sont possibles.

Il est donc utile de préciser les objectifs visés par le stockage : diminution de la pointe quart-horaire ? diminution de la puissance frigorifique installée ? réduction de l’encombrement des condenseurs/tours de refroidissement en toiture ? réserve stratégique de froid en cas de rupture de la machine frigorifique ?…

On distingue de multiples stratégies d’utilisation.

Par exemple :
Un stockage total de la charge frigorifique durant la nuit :

Un stockage partiel pour limiter la pointe frigorifique :

Un stockage partiel avec une utilisation spécifique à la gestion de la pointe quart horaire :

Seul un bilan financier global (coût d’investissement initial et coût d’exploitation associé) de chaque configuration peut permettre de sélectionner la combinaison optimale.

Vérifier l’encombrement

Les réservoirs de stockage sont parfois adoptés parce qu’ils permettent une diminution de l’encombrement des tours de refroidissement en toiture.

Par contre, ils nécessitent de la place à l’intérieur du bâtiment… Dans certains cas, le stockage est enterré dans le sol, devant le bâtiment ou sous celui-ci.

On tiendra compte également du poids supplémentaire sur la structure du bâtiment, ainsi que des pressions d’eau atteintes suivant la configuration du réseau.

Établir le profil des charges

Au contraire des systèmes de refroidissement classiques où il suffit de connaître la puissance de refroidissement maximale pour pouvoir faire son choix, l’accumulation de glace exige un profil de charge.

Il s’agit d’une présentation graphique (ou sous forme de tableau) de la charge de froid demandée en fonction du temps, et ce pour la journée de l’année où la charge de refroidissement est la plus importante (journée de référence, celle servant de base à la conception).

Le profil de charges est, en général, sous forme d’une courbe en cloche, dont la surface représente de 60 à 80 % de la surface du rectangle dans lequel la courbe s’inscrit. Ce pourcentage est appelé “facteur de simultanéité”. Plus ce facteur est bas, plus le rendement de l’installation sera défavorable.

Si la puissance maximale atteinte varie en fonction de la saison, la forme du diagramme reste relativement stable.

Etablir un scénario de charge et de décharge

Qui fait quoi et à quel moment ?

Voici 2 exemples :

• L’objectif est de réduire la pointe électrique : le délesteur de charge arrête la machine frigorifique au moment critique et le réservoir prend le relais.
• L’objectif est de garantir du froid en cas de panne du secteur : pour la sécurité du refroidissement du local informatique, un réservoir restera en permanence en glace, en stand-by pour le cas où… Dans ce cas, le groupe électrogène de secours doit seulement alimenter la pompe qui va envoyer l’eau glacée sur la glace.

Le dimensionnement des équipements et leur régulation sont fonction des objectifs recherchés…

Une machine frigorifique capable de préparer de la glace se distingue de celle destinée uniquement à la préparation de l’eau glacée :

• La préparation de la glace requiert une température à l’évaporateur de plusieurs degrés sous zéro (de – 4° à – 10°C, en fonction du type de stockage choisi), alors que l’eau glacée se prépare généralement avec une température d’évaporation réglée sur + 2°C.
• Si le stockage de l’énergie frigorifique est partiel, la même machine produira la glace la nuit et l’eau glacée le jour. Elle doit donc pouvoir s’adapter aux deux températures d’évaporation différentes.
• La machine frigorifique travaillant de nuit, la machine doit être prévue pour pouvoir travailler avec une température de condensation réduite et profiter ainsi d’un coefficient de performance (“COPfroid” ou “efficacité frigorifique”) amélioré (les machines standards fonctionnent avec des températures de condensation élevées en permanence). En général, ceci suppose la présence d’un détendeur électronique, capable de s’adapter aux fluctuations de température de condensation.
• Le système choisi requiert parfois la mise en place d’un fluide secondaire, type eau glycolée.

Même s’il est possible d’utiliser les machines standards, il sera toujours utile de procéder à une analyse spécifique pour ce type d’application. Notamment pour sélectionner le type de fluide frigorigène adapté à la fluctuation de température souhaitée, tant à l’évaporateur qu’au condenseur.

On sera particulièrement attentif à l’isolation des équipements : une isolation étanche à la vapeur pour éviter la condensation et la formation de glace. Cette isolation doit être scellée avant les essais.

Capacité d’un stockage eau

La chaleur sensible de l’eau est de 1,163 kWh/m³.K.
La capacité de stockage dépend dès lors du régime de fonctionnement :

• en régime 5°/12°C, un m³ d’eau stocké à 5° dispose d’un delta T° = 7°C, soit une réserve de 8,14 kWh/m³.

• en régime 5°/15°C, un m³ d’eau stocké à 5° dispose d’un delta T° = 10°C, soit une réserve de 11,63 kWh/m³.

Pour stocker 1 000 kWh, il faudra 123 m³ sous un delta T° = 7°C, et 86 m³ sous un delta T° = 10°C.

Capacité d’un stockage glace

La chaleur latente de cristallisation de l’eau est de 93 kWh/m³ (en eau), soit de 84,5 kWh/m³ (en glace). en quelle sorte, on pourrait parler d’une capacité de stockage équivalente, en chaleur sensible, à un delta T° de l’ordre de 80°C ! Et cette propriété peut encore être renforcée par l’addition d’un sel eutectique dans l’eau.

Mais en pratique, l’entièreté d’un m³ de stockage ne se transforme pas en glace, ne fût-ce que pour pouvoir encore laisser passer le fluide caloporteur.

Aux valeurs de stockage en chaleur latente, on peut ajouter la chaleur sensible, en eau et en glace, fonction des niveaux de température atteints.

Les valeurs moyennes suivantes peuvent être prises :

On constate que, en moyenne, un m³ de stockage en “glace” emmagasine 4 à 6 fois plus de froid qu’une bâche de stockage en “eau glacée”.

Ces valeurs permettent de dimensionner grossièrement le système. Les fabricants disposent d’outils de simulation permettant d’affiner ce calcul.

Stockage d’eau glacée

Les schémas d’installation diffèrent en fonction de la place relative du ballon par rapport au chiller.

Stockage de glace

Les schémas de principe sont basés sur trois types de configuration :

• Stockage en série avec la charge, la machine frigorifique étant en aval des bacs de stockage.
• Stockage en série avec la charge, la machine frigorifique étant en amont des bacs de stockage.
• Stockage en parallèle avec la charge.

Voici différents schémas possibles extraits de l’ouvrage “Production de chaud et de froid” de Bouteloup chez Pyc Éditions :
Stockage de glace dans des réservoirs à faisceaux tubulaires

Stockage de glace en parallèle avec réservoir à nodules

La régulation du système “stockage – machine frigorifique” est fonction de divers paramètres :

• l’importance relative du stockage par rapport aux besoins journaliers,
• la configuration du système (série amont, série aval, parallèle),
• les objectifs stratégiques (puissance frigorifique minimale, gestion de la pointe ¼ horaire, conservation d’une réserve de froid permanente pour la salle ordinateur en cas de défaillance du groupe frigorifique,…),
• …

Si le stockage est total, la gestion est simple : le stockage assure les besoins journaliers totaux. Une simple vanne trois voies motorisée ajuste l’offre à la demande. Dans certains cas, il est même possible de profiter des Heures Creuses du week-end pour précharger le stockage au maximum.

Si le stockage est partiel, on distingue deux possibilités :

• Chiller prioritaire : la machine frigorifique assure la charge permanente de base, tout en disposant de l’appoint du stockage pour vaincre les pointes. Ce système permet de charger le compresseur de façon constante, ce qui est l’idéal pour son rendement.
• Stockage prioritaire : la charge de base est couverte par la décharge du stockage. La machine frigorifique est prévue pour couvrir les pointes de la journée. Ce système, qui suppose une capacité de stockage plus importante, valorise davantage les kWh frigorifiques produits la nuit, mais pénalise la machine frigorifique dans son fonctionnement direct.

Quelques schémas d’installation pratiques sont proposés dans la publication “Production de chaud et de froid” de Bouteloup chez Pyc Éditions.

Exemples de scénarios possibles avec une GTC :

Lors de la réception du matériel, il sera bon de vérifier :

Au niveau du circuit hydraulique :

• la concentration en glycol à plusieurs endroits du circuit,
• l’isolation des circuits et des vannes,
• la stabilité hydraulique (équilibrage) dans tous les modes de fonctionnement du réseau, avant même d’enclencher le groupe frigorifique,
• les débits et les pertes de charge dans diverses configurations (pour vérifier notamment si on a tenu compte de la viscosité du glycol lors de la sélection des pompes),
• les points repris dans la régulation et la stratégie de commande choisie,
• la protection du circuit secondaire éventuel (boucle d’eau glacée vers les ventilos, par exemple) contre tout risque de gel.

Au niveau du stockage :

• le niveau d’eau dans le réservoir,
• le débit et les températures lors de la charge et de la décharge.

Au niveau de la machine frigorifique :

• la charge effective du stockage dans les conditions prévues et les températures d’évaporation spécifiées, et ceci dans le temps prévu.

Plusieurs essais sous des régimes différents seront nécessaires. On tiendra compte du fait que lors de la première mise en charge, la température initiale du bac est plus élevée que celle en régime (généralement autour des 5°C). Le premier temps de charge sera donc plus long.