Évaluer l’efficacité de la production frigorifique associée

Un indice de mesure d’efficacité : le COP

De l’analyse du fonctionnement thermodynamique de la machine frigorifique, on déduit son efficacité énergétique. C’est le rapport entre la quantité de chaleur absorbée par l’évaporateur et la quantité d’énergie électrique totale absorbée par l’installation, soit principalement le compresseur, mais également les équipements annexes (ventilateurs, pompes de circulation d’eau, … )

Efficacité théorique d’une machine frigorifique.

Le bilan énergétique d’une machine frigorifique apparaît sur le diagramme : toute l’énergie captée dans l’application alimentaire (meuble frigorifique ouvert, congélateur, chambre froide, …) par l’évaporateur (II), plus l’énergie utilisée par le compresseur (I), doit être évacuée par le condenseur vers l’air extérieur (I + II).

L’installation de réfrigération sera donc énergétiquement efficace si elle demande peu d’énergie électrique au compresseur pour atteindre une puissance frigorifique donnée à l’évaporateur.
Appliquons ceci à une chambre froide :

Évaluer l’efficacité frigorifique d’un appareil, c’est établir le rapport entre énergie frigorifique fournie et énergie électrique absorbée par le compresseur.

Quelle valeur de COP atteindre ?

Que dit EUROVENT ?

La plus élevée possible naturellement !

Une évaluation dans les conditions nominales grâce aux catalogues

A priori, le catalogue du fabricant permet d’évaluer cette situation dans les conditions nominales.

Exemple : voici les spécifications techniques d’un compresseur à détente directe pour application positive.    À l’heure actuelle, c’est sans difficulté qu’il vous est possible de consulter en ligne les catalogues des constructeurs de compresseur. Par rapport à la photographie de la plaque signalétique du compresseur ci-dessus, on retrouve les caractéristiques suivantes : Température de condensation [°C] Température d’évaporation [°C] -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 7 10 12,5 Puissance frigorifique [kW] 30 1,39 1,97 2,74 3,70 4,85 6,2 7,75 9,55 11,55 13,75 14,75 16,2 17,6 40 1,06 1.57 2,25 3,1 4,15 5,35 6,75 8,35 10,15 12,15 13,05 14,4 15,6 50 0,77 1,21 1,81 2,56 3,45 4,55 5,8 7,2 8,85 10,6 11,4 12,6 13,7 Puissance électrique [kW] 30 1,23 1,44 1,65 1,86 2,05 2,23 2,37 2,46 2,51 2,49 2,46 2,4 2,32 40 1,19 1,43 1,69 1,95 2,2 2,43 2,64 2,82 2,95 3,02 3,03 3,03 3 50 1,14 1,4 1,69 1,99 2,3 2,59 2,86 3,11 3,32 3,48 3,.53 3,.58 3,6 Extrait du catalogue en ligne  http://www.ecopeland.com. Cet extrait du catalogue nous indique les caractéristiques suivantes pour une application en froid positif (température d’évaporation = -10 °C) utilisant le fluide réfrigérant R22 : > Pour une température de condensation de 30°C la puissance frigorifique utile est de 7,75 [kW]; la puissance électrique absorbée par le moteur du compresseur est de 2,37 [kW]; on en déduit le COPfroid = 7,75 / 2,37 = 3,27. > Pour une température de condensation de 40°C la puissance frigorifique utile est de 6,75 [kW]; la puissance électrique absorbée par le moteur du compresseur est de 2,64 [kW]. on en déduit le COPfroid = 6,75 / 2,64 = 2,55. > … Dans l’extrait du catalogue, on constate que plus la température du condenseur s’élève plus les performances énergétiques du compresseur diminuent. En général, c’est le climat qui va conditionner le fonctionnement du circuit frigorifique; ce qui signifie que si le condenseur est placé en plein soleil sur une toiture noire, par exemple, le condenseur risque de souffrir plus que le même condenseur placé à l’ombre d’une façade.    Pour une application froid négatif, les températures d’évaporateur disponible au niveau de l’application (une chambre froide de boucherie par exemple) peuvent atteindre parfois -35 °C en froid alimentaire. De nouveau, le catalogue nous renseigne que pour des températures de -25°C : > Pour une température de condensation de 30°C la puissance frigorifique utile est de 3,70 [kW]; la puissance électrique absorbée par le moteur du compresseur est de 1,86  [kW]; on en déduit le COPfroid = 3,7 / 1,86 = 1,99. > Pour une température de condensation de 40°C la puissance frigorifique utile est de 3,1 [kW]; la puissance électrique absorbée par le moteur du compresseur est de 1,95  [kW]. on en déduit le COPfroid = 3,1 / 1,95 = 1,59. > … On constate que plus la température d’évaporation (dans la chambre de conservation du boucher) est basse moins bon est l’efficacité de la machine frigorifique. Les différents constructeurs sont aussi à même de fournir des informations complètes au niveau de l’ensemble des points constituant le cycle frigorifique tel que les pressions, les températures, …:

Remarques.

1. Il ne faut pas confondre COPfroid et COPchaud ! Le COPchaud est le rapport entre l’énergie thermique délivrée au condenseur et l’énergie électrique demandée par le compresseur (c’est un terme qui vient de l’évaluation du rendement d’une pompe à chaleur). Alors que le COPfroid part de la chaleur captée à l’évaporateur. La confusion étant fréquente, il n’est pas inutile lorsque l’on compare le rendement des machines dans les documentations de constructeurs, de vérifier ce qui se trouve derrière l’appellation COP.
   
2. Il est intéressant de s’inquiéter également de l’efficacité globale de la machine frigorifique installée, c’est à dire du rapport entre le froid produit et l’ensemble de toutes les consommations électriques, y compris les ventilateurs des condenseurs, les pompes pour les boucles de caloporteur, …
   
3. L’énergie mécanique des ventilateurs et des pompes se dégrade en chaleur. Donc, non seulement le COP se dégrade par la consommation électrique des auxiliaires, mais aussi la puissance frigorifique disponible diminue.

Comment évaluer l’efficacité énergétique d’une machine en fonctionnement ?

La procédure est complexe, il faut l’admettre. Mais pour une grande partie des installations à condensation par air, il est possible de mesurer approximativement le Delta T°; des échangeurs et d’en déduire le COP de l’installation. La précision est suffisante pour déceler des anomalies à l’installation.

Les mesures seront réalisées pendant un temps “stable”, la température extérieure étant de 20 à 30°C car l’installation doit être bien chargée, le compresseur doit fonctionner à plein régime, tous les ventilateurs étant en fonctionnement continu.

On mesure :

• la température de l’air aspiré par le condenseur T_ec (en °C) et la température de l’air à la sortie du condenseur T_sc (le plus près de la sortie possible, pour éviter que cet air soit déjà mélangé avec de l’air ambiant),
• la température de l’air aspiré par l’évaporateur T_ee et la température de l’air refoulé par l’évaporateur T_se,
• avec un anémomètre, la vitesse de l’air parcourant chacune des batteries (en m/sec),
• avec un kWh-mètre, l’énergie absorbée par le compresseur uniquement Q_a (en kWh), et éventuellement l’énergie absorbée par la totalité de l’installation Q_t (en kWh),
• le temps de fonctionnement du compresseur t (en heures),
• la surface frontale du condenseur S, c.-à-d. la surface aspirant l’air (en m²).

On calcule alors :

Puissance condenseur = S x v x 1,2 x (Tsc – Tec) [kW]

Le facteur 1,2 est la chaleur volumique de l’air (1,2 kJ/m³.K), et doit éventuellement être corrigé en fonction de la température.

Puissance absorbée = Qa / t [kW]

Puissance totale = Qt / t [kW]

La puissance évaporateur, l’EE (COPfroid) et le COPchaud se calculent alors aisément.
Finalement, on mesure au manomètre (demandez à un frigoriste) la pression d’aspiration et de refoulement du compresseur.
En connaissant le réfrigérant, on peut déduire des tables thermodynamiques la température d’évaporation T0 [en °C] et de condensation Tc [en °C]. Sur base de ces mesures, il est possible de déduire le point de fonctionnement de l’appareil et de vérifier son adéquation avec les données du constructeur et les données du concepteur de l’installation.

Cette méthode est précise à moins de 10 %, en fonction de la précision des mesures. Pour l’avenir, il est important de bien noter les mesures et les résultats obtenus, pour vérification ultérieure et suivi de l’évolution du matériel.

En fait, ce n’est pas tant l’exactitude absolue des mesures qui compte, que la possibilité de comparer les valeurs d’une mesure à l’autre et de repérer une dérive, un jeu dans les clapets, … L’intervention à temps du fabricant permet alors de sérieuses économies.

Si l’estimation ponctuelle du COP de la machine frigorifique n’est déjà pas simple, réaliser le bilan énergétique annuel de l’appareil est vraiment complexe.

Qui consomme de l’énergie ?

• le compresseur Cc,
• les auxiliaires permanents Cp (ventilateurs, pompes, etc.),
• les auxiliaires non permanents Cnp (résistances de carter, etc.),
• le dégivrage éventuel Cd (notons qu’il augmente aussi les besoins de froid en produisant de la chaleur à l’évaporateur qu’il faudra compenser par un fonctionnement supplémentaire du compresseur en cycle froid),
• les pertes en réseau qui augmentent les besoins de froid, donc la durée de fonctionnement du compresseur (consommation intégrée dans cc).

La consommation globale annuelle de l’installation est :

C = cc + Cp + Cnp + Cd (kWh)

Des conditions de fonctionnement très variables

Pour évaluer ces consommations, il ne suffit pas, hélas, de multiplier la puissance des consommateurs par leur temps de fonctionnement…

En effet, la puissance du compresseur est fonction de ses conditions d’utilisation, donc des besoins de froid réels au cours d’une saison. À tout besoin de froid correspond une condition de fonctionnement de l’installation (température d’évaporation, température de condensation) et la chose se complique lorsque le fluide de refroidissement du condenseur n’a pas une température constante tout au long de la saison (ce qui est quasiment toujours le cas).

Pour déterminer la consommation d’énergie d’une installation, il est donc nécessaire d’intégrer tout au long de l’année les puissances absorbées à chaque régime de marche de tous les éléments consommant de l’énergie. Pour cela, il faut déterminer la variation des besoins de froid et le nombre d’heures correspondant à chacun de ses besoins; ceux-ci seront spécifiques à chaque installation.

Le calcul est donc complexe …

En pratique, c’est un compteur électrique qui pourra totaliser les consommations, et l’historique du régulateur numérique qui pourra établir le fonctionnement sur une saison.
Reprenons cependant l’exemple d’une installation frigorifique dont le bilan thermique est décrit dans l’ouvrage de J. Bernier (L’itinéraire d’un frigoriste paru chez PYC- Éditions) : l’analyse est intéressante pour visualiser l’origine des consommations d’une installation.

L’installation fonctionne toute l’année avec des besoins maximums de froid (Besoin de Froid = BF) de 10 kW. Pour simplifier, on répartira la puissance frigorifique par pas de 1 kW. Le tableau ci-dessous illustre le calcul de consommation de cette installation fictive. Par exemple, l’installation a fonctionné durant 400 heures à 6 kW-froid, avec une température de condensation de 40°C.   BF – Besoin de Froid (kW) 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1   Durée totale heures 800 1 500 2 000 1 500 1 000 700 500 300 260 200   Durée heures condensation 50° 600 1 000 1 300 700 300 200 100 – – –   Durée heures condensation 40° 200 400 500 600 400 300 200 80 60 50   Durée heures condensation 30° – 100 200 200 300 200 200 220 200 150 Exemple de répartition sur l’année des besoins de froid  et des temps de fonctionnement à chaque régime (en heures). On remarquera que le nombre d’heures de la deuxième ligne correspond à un total de 8 760 heures, soit une année. Les lignes 3, 4 et 5 indiquent la répartition de ces heures en fonction du régime de fonctionnement du compresseur, lui-même fonction de la température extérieure. Nous allons mettre en situation le compresseur et déterminer ainsi ses consommations partielles à chaque régime de marche. La température d’évaporation est supposée constante à – 10°C. Consommation du compresseur La puissance frigorifique et la puissance absorbée d’un compresseur varient suivant les températures d’évaporation et de condensation. La figure ci-dessous illustre ces variations pour notre exemple. La puissance frigorifique au régime extrême -10/+50 °C est de 11 kW. (On notera que les courbes utilisées correspondant aux conditions réelles de surchauffe et de sous-refroidissement, et non aux conditions nominales données par le constructeur). Reprenons maintenant notre tableau de fréquences que nous allons compléter avec : la puissance absorbée à chaque régime, le taux de fonctionnement (pourcentage temps de marche horaire), le nombre d’heures de fonctionnement. Cependant, il faut savoir que pour les faibles taux de fonctionnement, le rendement de production de froid s’écroule littéralement. C’est normal, iI ne doit pas seulement couvrir le BF, mais aussi la mise à température du circuit, qui après chaque arrêt se réchauffe complètement. Exemple d’affaiblissement de la Production de froid en fonction du taux d’utilisation du compresseur (Rendement de production de froid RPF). Ainsi, l’installation étudiée doit assurer pendant 50 heures une puissance froid de 1 kW lorsque la condensation se produit à 40 °C. La figure ci-dessus prévoit à ce régime 13,2 kW frigorifique. Le taux de fonctionnement sera de 1 kW/ 13,2 kW, soit 7,5 %. Mais à un tel taux de charge, le rendement de production de froid est de 80 %. Si bien que le temps de fonctionnement réel sera de : 50 heures x 1 kW / (0,80 x 13,2 kW) = 5 heures D’une manière générale, le nombre d’heures de fonctionnement du compresseur hc à chaque fonctionnement partiel est égal à : hc = nh x BF / (RPF x Qo) où, hc, le nombre d’heures de fonctionnement du compresseur NH, le nombre d’heures d’utilisation BF, le besoin de froid RPF, le rendement de production de froid Qo, la puissance frigorifique disponible à l’évaporateur La consommation totale annuelle du compresseur est égale à la somme de toutes les consommations partielles, aux divers régimes.   Besoin de Froid – BF (kW) 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1   Régime : – 10°/50° – – – – – – – – – –   Nbre heures utilisat. NH 600 1 000 1 300 700 300 200 100 – – –   Puissance frigo Qo (kW) 11 11 11 11 11 11 11 – – –   Taux fonct. (%) 90 82 73 64 55 45 36 – – –   Rendement RPF (%) 100 100 100 99 99 98 98 – – –   Puissance absorbée (kW) 6 6 6 6 6 6 6 – – –   Heures fonct. hc 545 818 945 445 164 92 37 – – –   Consommation cc (kWh) 3 270 4 908 5 670 2 670 984 552 222 – – – – – – – – – – – – –   Régime : – 10°/40° – – – – – – – – – –   Nbre heures utilisat. NH 200 400 500 600 400 300 200 80 60 50   Puissance frigo Qo (kW) 13.2 13.2 13.2 13.2 13.2 13.2 13.2 13.2 13.2 13.2   Taux fonct. (%) 76 68 61 53 45 38 30 23 15 7.5   Rendement RPF (%) 100 99 99 99 98 98 97 95 91 80   Puissance absorbée (kW) 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.66 5.6 5.6 5.6 5.6   Heures fonct. hc 152 275 306 321 185 116 62 19 10 5   Consommation cc (kWh) 851 1 542 1 713 1 800 1 039 649 347 107 56 28 – – – – – – – – – –   Régime : – 10°/30° – – – – – – – – – –   Nbre heures utilisat. NH – 100 200 200 300 200 200 220 200 150   Puissance frigo Qo (kW) – 15.2 15.2 15.2 15.2 15.2 15.2 15.2 15.2 15.2   Taux fonct. (%) – 59 53 46 39 33 26 20 13 6.5   Rendement RPF (%) – 99 99 98 98 97 95 92 89 75   Puissance absorbée (kW) – 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3   Heures fonct. hc – 60 106 94 121 68 55 47 30 13   Consommation cc (kWh) – 317 563 498 640 359 294 250 157 70 Calcul de la consommation annuelle du compresseur En additionnant toutes les consommations partielles, on trouve pour notre exemple : cc = 29 556 kWh/an (soit 106 400 MJ/an) De la même manière, le temps total de fonctionnement annuel du compresseur est égal à la somme des temps de fonctionnement partiels aux divers régimes : hc = 5 091 heures. Consommation des auxiliaires permanents Comme leurs noms l’indiquent, ces auxiliaires consommateurs d’énergie fonctionnent en permanence. Dans notre exemple, le ventilateur de l’évaporateur fonctionne en permanence, soit 8 760 heures par an. Il absorbe 500 W et va donc consommer par an : Cp = 0,5 kW x 8 760 h = 4 380 kWh/an Consommation des auxiliaires non permanents Ce sont les auxiliaires asservis au fonctionnement du compresseur (ventilateur de condenseur, vanne magnétique départ liquide, résistance de carter, etc.) Pour notre exemple, le ventilateur de condenseur absorbe 300 W et est asservi au compresseur. La bobine de l’électrovanne absorbe 10 W. Le compresseur comporte en outre une résistance de carter (non régulée) qui consomme 20 W quand le compresseur est à l’arrêt. Nous avons vu que le compresseur fonctionnait 5 091 heures par an. Les auxiliaires non permanents vont donc consommer : Cnp = (0,3 + 0,01) x 5 091 + 0,02 x (8 760 – 5 091) Cnp = 1 651 kWh/an Consommation du dégivrage Estimer sans observation les consommations d’un dégivrage n’est pas chose toujours facile, car leur fréquence est très variable. Pour notre exemple, nous estimerons en moyenne quatre dégivrages par jour de 15 minutes (0,25 heure) à l’aide dune résistance électrique de 6 kW, ce qui conduit à une consommation annuelle de : Cd = 6 x 0,25 x 365 x 4 = 2 188 kWh/an Récapitulation des consommations annuelles La consommation totale annuelle est égale à la somme des consommations de tous les composants de l’installation soit : C = 29 556 + 4 380 + 1 651 + 2 188 = 37 775 kWh/an ( soit 136 000 MJ) Traduire en coût une telle consommation dépend essentiellement du régime tarifaire appliqué : entre 11 et 16 c€/kWh, généralement. Tout dépend du moment de fonctionnement de l’installation : jour ? jour durant la pointe ? nuit ? … . Quelle efficacité énergétique ? Déterminons l’énergie froid utilisée sur l’année. Il suffit d’intégrer les besoins de froid sur l’année, donc de totaliser les produits des besoins frigorifiques par le temps, pour les 3 régimes de marche.   BF – Besoin de Froid (kW) 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1   Nbre d’heures régime : – 10°/50°C 600 1 000 1 300 700 300 200 100 – – –   Nbre d’heures régime : – 10°/50° C 200 400 500 600 400 300 200 80 60 50   Nbre d’heures régime : – 10°/50°C – 100 200 200 300 200 200 220 200 150 Total heures 800 1 500 2 000 1 500 1 000 700 500 300 260 700 BF x heures (kWh) 8 000 13 500 16 000 10 500 6 000 3 500 2 000 900 520 200 Exemple de calcul simplifié de l’énergie froid annuelle L’énergie froid annuelle nécessaire est la somme des chiffres de la dernière ligne du tableau soit : EF annuel = 61 120 kWh (220 000 MJ) L’efficacité énergétique moyenne annuelle de l’installation frigorifique est le rapport entre l’énergie froid produite et l’énergie électrique consommée soit, pour notre exemple : EEmoy = 61 120 / 37 775 = 1,62 On est loin de la valeur nominale de 2,9 pour le COP au fonctionnement (- 10°C (évaporateur) / + 30°C (condenseur) sur base des données du catalogue (15,2 kW / 5,3 kW) ! Plus l’installation sera performante, bien réglée, et bien entretenue et plus ce coefficient sera élevé, ce qui veut donc dire tout simplement que moins l’installation sera gourmande en énergie électrique.

Une autre manière d’évaluer le bilan énergétique annuel et le COPA (coefficient de performance global annuel) est de placer une installation frigorifique dans des conditions de simulation dynamique tant au niveau du climat externe qu’interne. En d’autres termes, pendant 365 jours, par modélisation TRNSYS (logiciel de simulation dynamique de la thermique des bâtiments), le climat extérieur d’ Uccle est appliqué à un supermarché comportant des allées froides de meubles frigorifiques ouverts eux-même soumis aux rigueurs de l’occupation durant la semaine.

Fuites de fluide frigorigène

Données principales Le supermarché considéré est modélisé sur base d’un magasin existant dont les caractéristiques principales simplifiées sont les suivantes : surface au sol : de l’ordre 2 000 m²; heures d’ouverture de semaine et samedi compris : occupation selon un modèle variable de 6 à 20 heures ; fermeture dominicale ; mètres linéaires de meubles frigorifiques ouverts (applications positives) = 109 mètres; mètres linéaires de meubles frigorifiques ouverts (applications négatives) = 26 mètres; Modélisation Le logiciel TRNSYS de simulation dynamique de la thermique des bâtiments est utilisé. L’intérêt d’une simulation dynamique est de tenir compte des influences conjuguées des climats externes et internes au magasin en tenant compte principalement : de l’enveloppe du bâtiment, à savoir : l’orientation des façades ; le type de paroi externe : les façades avec les surfaces vitrées incluses, les ombrages attenants, la toiture, la constitution des parois, la présence d’ouverture dans la toiture (apport de lumière naturelle), … des zones internes comme les caisses, les allées froides pour les produits laitiers, les poissons, les surgelés, les réserves, les bureaux, … séparées par des cloisons internes soumises à des transferts de chaleur, des couplages d’air, … des occupations des différentes zones internes. Dans le cas de ce magasin, les statistiques de fréquentation sont inspirées d’une étude de l’EDF un peu poussiéreuse, mais à défaut de mieux … (“Le point sur les grandes surfaces électriques”, les cahiers du tertiaire, EDF Direction de la distribution, 1980) en considérant que l’occupation en heure de pointe est de manière arbitraire de 1 personne / 5 m² soit pour une surface de 2 000 m² de l’ordre de 400 personnes, ce qui correspond aux statistiques de fréquentation relevée par certaines chaînes alimentaires : Nombre de personne / heure Zones de vente 9-11 heures 11-15 heures   15-20 heures Caisses 10 15 30 Laitiers 5 8 15 Poissons 5 10 20 Traiteur 7 11 22 Surgelés 5 7 15 Vente 45 70 130 …   .des systèmes HVAC (Heating Ventilation Air Conditioning) ou les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation des zones. Les principales zones sont équipées en HVAC sur le principe de la figure ci-dessous pour les zones de vente : Systèmes Zones du magasin Chauffage via : ventilation   climatisation Caisses CTA* CTA CTA Aérotherme Laitiers CTA CTA MFV** Poissons CTA CTA MFV Traiteur CTA CTA MFV Surgelés CTA CTA MFH*** Vente Aérotherme – – Bureau Ventilo-convecteur 4 tubes CTA +récupérateur de chaleur CTA CTA* : Centrale de traitement d’air à recyclage partiel (2/3 recyclé, 1/3 air neuf) + récupération possible sur la désurchauffe des groupes de froid; MFV** : Meuble Frigorifique Vertical ouvert ; MFH*** : Meuble Frigorifique Horizontal ouvert. des process’s : les meubles frigorifiques ouverts sont modélisés sur base de leur bilan thermique et énergétique en fonction des conditions d’ambiance des zones de vente ; Hypothèses Des hypothèses sont prises afin de simplifier le modèle : l’occupation en dehors des heures d’ouvertures des surfaces de vente, c’est-à-dire tôt le matin lorsque différentes équipes se succèdent pour préparer l’ouverture du magasin (alimentation des rayonnages, cuisson des pains, préparation des charcuteries, …) ou tard le soir, influence le climat interne du magasin et, par conséquent, le fonctionnement des meubles frigorifiques. Cependant, comme l’indique le graphique ci-dessous (monitoring réel des consommations pour ce magasin), les meubles frigorifiques sont soumis aux pires contraintes thermiques pendant l’ouverture du magasin. Pour cette simulation, on ne considérera que les périodes d’ouverture du magasin. On n’étudie qu’une partie de l’installation de froid alimentaire, à savoir les 50 mètres linéaires de meubles frigorifiques ouverts verticaux de la partie produits laitiers et charcuterie, mais dans son contexte réel. En d’autres termes, les autres meubles frigorifiques, l’éclairage, l’occupation, … participent aux variations des conditions d’ambiance interne du magasin; L’installation frigorifique qui alimente les meubles linéaires fonctionne en détente directe et est composée d’un compresseur semi-hermétique de 32 [kW] froid ( R404A) pour un régime de température de -15°C à l’évaporateur et 40°C au condenseur. On ne tient pas compte ici de la puissance des ventilateurs du condenseur. Simulation Le magasin étant modélisé, il est soumis au climat externe (température, humidité, rayonnement solaire direct, rayonnement diffus, …) pendant 8 760 heures par pas de 1 heure, ce qui correspond à une année complète. l’installation frigorifique est un modèle mathématique développé par l’École des Mines de Paris. Ce modèle a été établi sur base d’une multitude de mesures effectuées sur des groupes de froid réels. Dans le cadre de la simulation, il calcule, par rapport à un régime nominal pour lequel il a été dimensionné, les variations de la puissance électrique absorbée au compresseur en fonction des variations : de la puissance froid utile nécessaire aux meubles frigorifiques et dues à la variation des conditions d’ambiance interne (apports internes tels que l’éclairage, l’occupation, …); du climat externe (température à l’entrée du condenseur). À chaque pas de temps, TRNSYS calcule : la puissance frigorifique utile au niveau des meubles frigorifiques en kWfroid; la puissance électrique absorbée par le compresseur en kWélectrique; le COP de l’installation. Analyse des résultats Dans le jargon des chauffagistes on parle souvent de monotone de chaleur qui représente un classement décroissant des puissances de chauffe nécessaires sur toute la période de chauffe. Monotone de chaleur (exemple : pendant 750 heures sur l’année, la chaudière fonctionnement à un niveau de puissance de 835 [kW]) Dans le même esprit, il est possible d’établir une monotone de froid afin de déterminer : la consommation énergétique globale sur un an ; la répartition des niveaux de puissance en fonction du climat ; l’évolution des performances de l’installation frigorifique en fonction du climat; … Monotone de froid d’un groupe frigorifique. L’analyse de la monotone de froid ci-dessus permet de montrer que : La courbe de puissance électrique absorbée par le moteur du compresseur se calque assez bien sur celle de la température extérieure. Il était clair d’emblée que la puissance absorbée par le compresseur était fortement influencée par les conditions de fonctionnement du condenseur plongé dans le climat externe puisque c’est lui qui “pousse” la chaleur extraite des meubles frigorifiques à l’extérieur. L’allure de la courbe laisse supposer que le climat interne, relativement constant en température, mais fluctuant en enthalpie force la courbe de puissance absorbée par le compresseur à se redresser.(il en découle que le COP saisonnier en vert) de l’installation s’améliore lorsque la température extérieure diminue. En effectuant une simple moyenne annuelle, on obtient un COPA de l’ordre de 3,2.

Les signes de surconsommation énergétique d’une installation frigorifique

• L’augmentation des temps de fonctionnement du compresseur, dont les causes sont :

• • soit le manque de fluide frigorigène,
  • soit l’encrassement des échangeurs (condenseur et évaporateur),
  • soit encore le mauvais état du compresseur.

Le placement d’un compteur horaire de fonctionnement sur l’alimentation du compresseur est un petit investissement qui permettra de déceler une dérive de consommation.

• La diminution de la température d’évaporation, dont la cause principale est l’encrassement des échangeurs.

• L’augmentation du nombre de démarrages pour les petites installations ou du nombre de cylindres ou de compresseurs en service. Ceci est généralement dû à un encrassement du condenseur, à des fuites de réfrigérant ou à une mauvaise alimentation de réfrigérant liquide des détendeurs. Ils ne peuvent être pris en compte que si les autres paramètres restent constants, c’est-à-dire pour des conditions ambiantes identiques (même demande au point de vue température et humidité relative) et pour des conditions extérieures identiques (température de condensation, apports internes et externes).

Les tests à effectuer

Les tests à effectuer consistent :

• Soit à donner des indications sur un fonctionnement anormal de l’installation (mesure du courant absorbé en fonctionnement continu et comparaison avec le courant nominal, comptage des heures de fonctionnement, mesure du débit de l’eau glycolée en cas d’utilisation d’une boucle de fluide frigoporteur,…).

• Soit à vérifier l‘efficacité énergétique de l’installation frigorifique, c’est-à-dire le rapport entre la puissance électrique absorbée et la puissance frigorifique fournie.

Certaines grosses installations comportent deux compteurs d’énergie qui intègrent le débit de fluide frigorigène et le delta T° avec lequel soit l’évaporateur, soit le condenseur travaillent. Ceci permet de connaître les consommations thermiques sur une période donnée.

L’énergie du compresseur peut alors être déduite puisque l’on sait que les relations suivantes sont toujours vérifiées :

Puissance évaporateur + puissance compresseur = puissance condenseur

Ou

Énergie évaporateur + énergie compresseur = énergie condenseur

Pour vérifier la qualité de l’installation, il faut établir ce bilan à plusieurs régimes de fonctionnement et le comparer à la courbe d’efficacité en fonction de la charge du constructeur. Chaque installation est particulière et il est donc difficile de comparer sa consommation à des ratios standards. Les seules références sont : soit celles données par le constructeur, soit l’installation elle-même, à une période antérieure, lorsqu’elle était soumise à une charge similaire.

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La rentabilité énergétique des interventions de maintenance

La rentabilité énergétique des opérations de contrôle et de maintenance n’est pas évidente à chiffrer. Toutefois, on peut donner les économies suivantes (chiffres établis sur base de l’expérience de la société SECA mais qui n’ont pas fait l’objet de mesures en laboratoire),  :

• Nettoyage régulier (au moins annuel) des condenseurs à air et des évaporateurs directs : rentabilité de 10 à 30 %
  • 10 % dans le cas d’un encrassement faible,
  • 30 % si ce nettoyage n’a jamais été réalisé.

• Engorgement des filtres déshydrateurs sur le circuit de fluide frigorigène : surconsommation de 10 à 15 %;

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L’analyse de la puissance frigorifique installée

Pas besoin d’un camion si une camionnette suffit ! Une installation surdimensionnée génère des pertes de fonctionnement supplémentaires…

Comment évaluer les puissances frigorifiques nécessaires ?

La puissance frigorifique nécessaire à la production doit “coller” le plus possible à celle de l’application dans les conditions de fonctionnement prévues au niveau de l’application même.

EUROVENT, par exemple, définit des classes de fonctionnement pour les meubles frigorifiques ouverts. Sur base de ces classes, les fabricants testent leurs applications dans les conditions de température et d’humidité de l’ambiance définies (classe 4 = 24°C et 50 % d’humidité relative) et déterminent les puissances frigorifiques nécessaires à l’évaporateur pour garantir un fonctionnement optimal de l’application;

Constater que la puissance frigorifique mentionnée sur la plaque signalétique du compresseur est équivalente à celle de l’application, est, à priori, un gage de fonctionnement correct de l’installation.

À titre indicatif, on reprend ci-dessous les puissances frigorifiques nécessaires en fonction du type d’application.

Meuble frigorifique à applications positives

Famille de meubles	Surface d’exposition [m²/ml]	Température de service [°C]	Puissance frigorifique spécifique [kW/ml]
Vitrine service par le personnel en convection naturelle	0,8	2 à 4	0,2 à 0,25
Vitrine service par le personnel en convection forcée			0,25 à 0,28
Comptoir horizontal self-service en convection	0,9	0 à 2	0,4 à 0,43
Meuble vertical self-service en convection forcée	1,3	4 à 6	1,2 à 1,3

En multipliant le nombre de mètres linéaires des différentes applications par leur puissance spécifique respective, on obtient une valeur de puissance globale proche de celle de la production frigorifique.

Meuble frigorifique à applications négatives

Famille de meubles	Type de rideau d’air	Surface d’exposition [m²/ml] ou [m²/porte]	Température de service [°C]	Puissance frigorifique spécifique [kW/ml]
Gondole self-service en convection forcée	horizontal, asymétrique, laminaire	0,8	-18 à -20	0,42 à 0,45
Vitrine service par le personnel en convection forcée	horizontal, asymétrique, laminaire	1,1	-23 à -25	0,63 à 0,67
Meuble vertical self-service en convection	vertical, à 3 flux parallèles, turbulents	1,1	-18 à -20	1,9 à 2,1
Meuble vertical self-service en convection forcée	portes vitrées, rideau d’air interne turbulent	0,84	-23 à -25	0,8 0,86

De la même manière, en multipliant le nombre de mètres linéaires des différentes applications par leur puissance spécifique respective, on obtient une valeur de puissance globale proche de celle de la production frigorifique.

Chambres froides à applications positives

Le rapport final :  Energy Savings Potential for Commercial Refrigeration Equipment, by Arthur D. Little, Inc. For Building Equipment Division Office of Building Technologies U.S. Department of Energy, June 1996  donne des indications intéressantes quant aux valeurs approchées de puissance spécifique pour les chambres froides de réfrigération.

Famille de meubles	Volume de stockage[m³]	Température de service [°C]	Puissance frigorifique spécifique [W/m³]
Chambre froide (isolation 10 cm)	7,2	2	68

Chambre froide à applications négatives

Du même rapport final que ci-dessus, on tire des valeurs approchées pour les chambres froides de congélation.

Famille de meubles	Volume de stockage[m³]	Température de service [°C]	Puissance frigorifique spécifique [W/m³]
Chambre froide (isolation 10 cm)	21,6	-23	87

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L’intérêt d’une récupération de chaleur au condenseur

Principe

Une machine frigorifique extrait la chaleur excédentaire de l’application frigorifique et la rejette à l’extérieur.

Si des besoins de chauffage (de locaux, d’allée froide, d’eau chaude sanitaire, …) sont présents simultanément dans le magasin, il semble alors logique de tenter de récupérer la chaleur sur le condenseur de la machine frigorifique.

Par exemple, un supermarché Delhaize à Bruxelles évacue la chaleur du condenseur du groupe frigorifique (armoires de congélation) en réalimentant la boucle de chauffage. Cette boucle, elle-même alimente en récupération un rideau d’air chaud à l’entrée du magasin et les batteries chaudes des centrales de traitement d’air qui pulsent l’air, via le pied des meubles frigorifiques ouverts, vers les allées froides.

En été, la chaleur est évacuée par les condenseurs à air en toiture.

Domaine d’application

Récupération de chaleur de condensation

Il est tentant naturellement de vouloir récupérer la chaleur de condensation qui habituellement est évacuée à l’extérieur. Il faut toutefois être très prudent dans la façon de récupérer cette chaleur. Il faudra toujours garder à l’esprit que plus la température de condensation est basse, meilleures sont les performances énergétiques du compresseur. La règle principale étant que :

” 1 K d’augmentation de la température de condensation correspond à 2-3 % d’augmentation de la consommation électrique du compresseur”.

Ce qui veut dire que la récupération d’énergie pour alimenter des circuits de chauffage à haute température comme par exemple les régimes de température :

• 90-70 °C ou même 70-50°C des chauffages à eau chaude;
• 60-40°C des chauffages à air chaud;

dégrade la performance énergétique des compresseurs (le COP de la machine peut descendre dans certains cas à 1); ce qui signifie que l’on se chauffe avec un système de chauffage purement électrique. Néanmoins, même avec un mauvais COP et à un niveau de conservation des denrées (températures constantes à l’intérieur des meubles frigorifiques) et de confort des clients et du personnel (température de confort dans les espaces de vente), permet de faire “tourner” une certaine quantité d’énergie en circuit fermé.

Améliorer

Pour en savoir plus sur la récupération de chaleur au condenseur des machines frigorifiques.

De toute façon, on pensera donc :

• d’abord à évaluer l’impact énergétique :
  • des trop grands apports tant internes qu’externes des applications frigorifiques (meubles ouverts, chambre froide peu isolée, …);
  • du manque d’isolation du magasin;
  • des infiltrations et des courants d’air aux entrées.
  • …

• Ensuite à récupérer à basse température la chaleur de condensation.

Il n’empêche que si le bâtiment comprend simultanément des besoins de froid (c’est le cas des magasins d’alimentation en produit froid) et des besoins de chauffage à basse température (eau chaude sanitaire des douches, chauffage au sol, …), il semble clair qu’une récupération d’énergie doit être étudiée par un bureau d’études.

Des ballons de préchauffage de l’eau chaude sanitaire prééquipés d’un échangeur en série avec le condenseur de la machine frigorifique existent sur le marché.

Désurchauffe des gaz

La récupération de chaleur au niveau de la désurchauffe des gaz (phase entre la fin de compression des gaz et le début de la condensation) n’interfère que très peu sur l’efficacité énergétique du compresseur. Ce type de récupération peut être intéressant pour autant qu’il y ait bien une condensation des gaz à basse température après récupération sur la désurchauffe. La quantité de chaleur récupérée sur la désurchauffe est faible par rapport à celle de condensation.

Il sera toujours nécessaire de voir l’impact financier du placement d’un récupérateur de chaleur sur la désurchauffe par rapport au bénéfice énergétique retiré.