Adapter la consigne de température de l’air ambiant
En hiver
La consigne de température résulte d’un compromis entre confort optimum et consommation minimale ! Chaque degré épargné sur la saison de chauffe entraîne une diminution de 8 % (minimum) de la facture chauffage du bâtiment. Mais le confort doit être atteint.
En hiver, dans les bureaux, une température opérative de 20°C est requise. Puisque celle-ci est donnée par :
En hiver, dans les bureaux, une température opérative de 20°C est requise. Puisque celle-ci est donnée par :
T°opérative = (T°air + T°parois) / 2 (NBN X 10-005)
On adoptera une température de l’air de 21°C pour une température moyenne des parois de 19°C (RGPT).
Ou de 20,5°C pour une température moyenne des parois de 19,5°…
| Pour évaluer le confort thermique |
Pour respecter le confort thermique des occupants :
- La température de consigne doit être adaptée au bâtiment (par exemple, avec des châssis à simple vitrage la température de l’air devra être plus élevée).
- La température de l’air peut être relevée le lundi matin pour compenser les parois refroidies par le week-end.
- La température de l’air peut être relevée en plein hiver pour compenser l’effet des parois froides.
Autrement dit, si l’on souhaite promouvoir la préservation des énergies
- Dans un bâtiment bien isolé (c’est généralement le cas des bâtiments climatisés), on peut se permettre de diminuer la température de l’air, jusqu’à approcher des 20°C (voire moins si chauffage par rayonnement).
- La température de l’air peut être diminuée dès le mardi puisque les parois sont chaudes.
- La température de l’air peut être abaissée en mi-saison sans risque d’inconfort.
Les régulations numériques d’aujourd’hui permettent d’automatiser ce genre de gymnastique !
En été
C’est souvent la rentabilité du travail des occupants qui guide le choix du niveau de consigne de la température intérieure. Mais il importe de prendre conscience des conséquences énergétiques de ce choix.
Quel est l’impact d’une consigne de température réglée sur 24° ou 25° en été ?Hypothèses Une simulation informatique réalisée sur un local de bureau type, en façade Sud, avec double vitrage ordinaire, gains internes moyens (30 W/m²), occupation 10 h/jour, 5 jours/semaine. Situation 1consigne à 25°C : consommation de refroidissement : 100 % (référence) Situation 2consigne à 24°C : consommation de refroidissement : 129 % ! (cet accroissement élevé est du au fait qu’à ce niveau de température, une augmentation de 1°C entraîne une large augmentation de la durée de refroidissement). |
Pour définir la consigne de température intérieure, plusieurs stratégies sont possibles (à imposer via la régulation). Voici leur classement par ordre décroissant de consommation :
- Soit une consigne intérieure qui augmente linéairement en fonction de la température extérieure, entre deux limites minima et maxima. Cette solution, appelée « consigne compensée » est très coûteuse en énergie (près de 200 % de la situation de référence de l’exemple ci-dessus). En pratique, elle conduit par exemple à refroidir en mi-saison jusqu’à 21°, parce que la température extérieure est très fraîche, mais que le soleil enclenche la climatisation. Une consigne flottante aurait généré 23 à 24°C dans le local sans enclenchement de la climatisation.Cette consigne « compensée » ne semble pas adaptée à notre région.L’absence de zone neutre engendre bien souvent un gaspillage énergétique (« pompage » entre les équipements de chaud et de froid, ou « destruction » d’énergie pure et simple).
- Soit une consigne flottante entre 21 et 24°C, sans référence à la température extérieure. Il lui correspond un mode de régulation des vannes du type ci-dessous.
- Soit une consigne flottante entre 21 et 25°C, sans référence à la température extérieure. L’élargissement de la zone neutre est financièrement intéressante sans diminution forte du confort (ce sont les 29 % gagnés dans l’exemple ci-dessus).
- Soit une consigne flottante entre 21 et 24°C (ou 25°), et une augmentation linéaire de la température au-delà de 24°C afin de ne pas dépasser un écart intérieur-extérieur de plus de 6°C. Cette dernière solution est favorable en matière de consommation et de confort, car elle évite un « choc thermique » trop important des occupants à chaque passage du sas d’entrée (source de refroidissements).
Remarque : le système de climatisation peut modifier le niveau de consigne intérieure : la technique de plafonds rayonnants froids permet de sélectionner une température de consigne de l’air de 25°C, voire 26°C. La consommation en diminue d’autant.
Organiser le rafraîchissement par free-cooling
Organiser un balayage nocturne
Le free cooling naturel
Dans un bâtiment existant, le free cooling peut se faire au moyen d’une ventilation naturelle, par de grandes ouvertures en façades, c’est-à-dire a priori, par les fenêtres (on imagine mal de percer des ouvertures dans la façade et les planchers).
Ventilation naturelle individuelle de chaque locaux.
Ventilation naturelle transversale.
Grille de ventilation nocturne intensive. Ces grilles, réalisées sur mesure, se fixent par l’intérieur en été, laissant toute liberté de manipulation de la fenêtre par les occupants.
Il existe évidemment une série de contraintes à la réalisation et à l’efficacité d’une ventilation naturelle nocturne intensive. Citons notamment :
- la collaboration nécessaire des occupants,
- les risques de sous-refroidissement des locaux, le matin,
- l’inertie nécessaire des parois,
- …
Pour garantir l’efficacité du free cooling nocturne malgré ces contraintes, la ventilation naturelle peut être automatisée (ouvertures automatiques, régulées en fonction de la température intérieure et extérieure).
Hors de prix ? Pas vraiment, ainsi la « fenêtre de toiture » avec ouverture automatique est aujourd’hui un produit vendu en grande série (si la T° intérieure dépasse in certain seuil, la fenêtre s’ouvre via une petite vis sans fin motorisée. Si nécessaire, un détecteur de pluie entraîne sa fermeture).
Il est difficile d’estimer, dans un cas particulier, le gain réalisable grâce au free cooling nocturne. Cela dépend de la structure du bâtiment, de mode de ventilation, de la taille des ouvertures, de la température extérieure, …
| Pour fixer un ordre de grandeur, nous avons simulé le comportement d’un immeuble de bureaux type.
Dans ce bâtiment de 3 000 m², la température intérieure maximum est maintenue sous 24°C par un système de climatisation. Une ventilation naturelle nocturne, de 4 renouvellements par heure, est organisée lorsque la température intérieure dépasse 23°C et la température extérieure est inférieure à 18°C. Nous avons constaté une diminution de la consommation due à la climatisation :
Ce cas est évidemment idéal puisqu’il suppose la présence d’un système d’ouvertures automatiques régulé en fonction des températures. Ces estimations doivent être revues à la baisse dans le cas d’une gestion manuelle du free cooling. |
Mentionnons cependant qu’il existe des exemples de bâtiments existants dans lesquels, au moyen de grilles installées dans les châssis existants et manipulées manuellement par les occupants, on est parvenu à des résultats probants en matière de maîtrise des surchauffes d’été.
| Le bâtiment « PROBE » du CSTC à Limette : une ventilation intensive de nuit permet, sans climatisation, d’y limiter la température intérieure de la plupart des bureaux en dessous de limites de confort d’été. |
Intégrer l’air frais dans le système de climatisation
Le free cooling mécanique
Il est possible également de valoriser la présence du système de climatisation, en forçant la ventilation mécanique durant la nuit. Ce n’est pas toujours intéressant du point de vue énergétique : la consommation électrique des ventilateurs pour assurer un débit suffisant durant la nuit pourrait être pratiquement semblable à la consommation de la climatisation pour évacuer la même quantité de chaleur à la relance matinale !
En pratique, la ventilation ne devrait s’enclencher que si l’écart de température entre l’intérieur et l’extérieur dépasse 5 K à 8 K. Tout dépend de la perte de charge du réseau qui est associé au ventilateur et à la performance de celui-ci.
Il faut de bons débits d’air pour assurer un effet de refroidissement notable. Si c’est uniquement l’air de ventilation qui est pulsé, cela n’apportera qu’une puissance de 10 W/m² environ. Ce sont donc les systèmes « tout air » qui sont les plus efficaces à ce niveau. Ce sera le cas pour des salles de réunion, de conférence, etc …
Avec les systèmes de climatisation « tout air », le free cooling de jour est également possible. En effet, lorsque des besoins en refroidissement se font ressentir pour une température extérieure inférieure à la température intérieure, il y a tout intérêt à valoriser le pouvoir rafraîchissant de l’air extérieur plutôt que faire fonctionner la batterie de refroidissement. La régulation devra alors augmenter l’ouverture des volets d’admission d’air neuf au détriment de l’air recyclé.
Cas particulier : les bâtiments équipés de roof-top
Ce sont des appareils dimensionnés pour vaincre les pires canicules de l’été. Le débit des ventilateurs est donc fort important. Non seulement on lui adaptera utilement un variateur de vitesse pour limiter le débit d’air en hiver, mais en plus on l’exploitera durant la nuit en été pour réaliser le free cooling du bâtiment à faible coût. Avec un peu de tâtonnement au début pour ajuster la courbe, un régulateur en fonction de l’air extérieur devrait faire des merveilles !
| Pour en savoir plus sur les possibilités d’exploitation du pouvoir rafraîchissant de l’air extérieur et sur application pratique du free-cooling. |
Exploiter la ventilation hygiénique en complément de la climatisation
On a vu que le free cooling nocturne ne pouvait remplacer la climatisation que sous certaines conditions, notamment la réalisation de renouvellements d’air importants, ce qui impose l’utilisation de la ventilation naturelle.
Dans un bâtiment climatisé, on peut aussi se demander si, durant la nuit, on ne peut pas profiter du réseau de ventilation hygiénique pour décharger la chaleur accumulée durant la journée et faciliter la relance matinale du système de climatisation.
| Exemple.
Comparons 2 systèmes, dans un bureau individuel maintenu, par la climatisation, à 26°C en journée :
Système 1 durant la nuit, les ventilo-convecteurs sont mis à l’arrêt. La ventilation hygiénique (soit 30 m³/h) est maintenue en fonctionnement pour profiter du pouvoir refroidissant de l’air extérieur.
Si la température de pulsion de l’air est de 16°C (ce qui équivaut à une température extérieure de l’ordre de 14°C si on considère que les pertes du ventilateur et les pertes de charge augmentent la température de l’air neuf de 2°C), la puissance frigorifique fournie par l’air équivaut à : 0,34 [W/(m³/h).K] x 30 [m³/h] x (26 [°C] – 16 [°C]) = 100 [W] La puissance absorbée par les ventilateurs (pulsion et extraction) nécessaire à cette ventilation est de l’ordre de 0,65 W/(m³/h) (ordre de grandeur courant pour un réseau de ventilation hygiénique double flux équivalent à une perte de charge totale de 1 500 PA et un rendement total de ventilateur de 0,65), soit : 0,65 [W/(m³/h)] x 30 [m³/h] = 19,5 [W] Bilan : on appelle donc une puissance électrique de 19,5 W pour produire 100 W de froid. Système 2 durant la nuit, la ventilation est mise à l’arrêt et les ventilo-convecteurs assurent l’abaissement nocturne de la température.
Pour fournir une même puissance frigorifique que dans le premier système, soit 100 W, le système de climatisation consommera (avec une efficacité frigorifique de 3) :
Soit un total de 36,5 W. Bilan : on consomme donc 36,5 W pour produire 100 W de froid. |
Conclusions
Dans l’exemple ci-dessus, réaliser un free cooling de nuit au moyen d’une ventilation mécanique consomme nettement moins d’électricité que l’élimination de la chaleur résiduelle du bâtiment par les ventilo-convecteurs. On ne peut cependant pas en faire une généralité. Ceci dépend évidemment des consommations respectives des différents équipements.
Par exemple, la puissance électrique des ventilateurs (ici : 0,65 W/(m³/h)) dépend de la perte de charge du réseau de distribution d’air, donc de la complexité du réseau de distribution et de la présence d’équipements comme des batteries de chauffage, des humidificateurs ou silencieux.
Dans un simple circuit de ventilation hygiénique particulièrement étudié pour diminuer la consommation électrique (rendement de ventilateur élevé, pertes de charge faibles), cette puissance peut être réduite à 0,25 W/(m³/h), ce qui favorise grandement le free cooling mécanique nocturne par rapport à la climatisation. Par contre dans un réseau complexe (avec batterie de traitement d’air, …), on peut arriver à des puissances de ventilateur de l’ordre de 1 W/(m³/h).
De même, l’efficacité frigorifique de la production de froid est variable en fonction de sa qualité intrinsèque et des conditions de fonctionnement. On repère, par exemple, dans les spécifications techniques d’un fabricant que l’efficacité frigorifique de la machine x varie de 1,8 (pour une température d’eau froide de 5°C et une température d’air au condenseur de 45°C) à 3,7 (pour une température d’eau froide de 10°C et une température d’air au condenseur de 25°C).
Comme le montre le tableau suivant, le choix du mode de fonctionnement peut varier en fonction de la qualité des équipements.
Exemple : comparaison de la puissance absorbée par le free cooling nocturne et la puissance absorbée par une machine frigorifique pour évacuer 100 W (dans les conditions de fonctionnement de l’exemple ci-dessus) en fonction de la qualité énergétique de la ventilation et de la production de froid .
|
L’idéal serait donc de pouvoir comparer sur site les consommations des deux systèmes existants.
En outre, pour que le type de free cooling décrit ici soit efficace, il faut que la température extérieure soit suffisamment basse pour permettre un refroidissement réel.
Dans l’exemple ci-dessus, si la différence entre la température intérieure et la température de l’air neuf pulsé diminue en dessous de 10°C, il est nécessaire d’augmenter le débit d’air neuf pour garantir la même puissance frigorifique de 100 W. Ainsi si la température de pulsion est inférieure de 5°C par rapport à la température intérieure (ce qui équivaut à une température extérieure de 26 [°C] – 5 [°C] – 2 [°C] = 19 [°C]), le débit de ventilation devrait être augmenté à 56 m³/h, ce qui entraîne une consommation électrique au minimum identique à celle des ventilo-convecteurs. Si l’écart de température diminue encore, ce qui est possible durant les nuits chaudes d’été, le free cooling mécanique sera plus consommateur que le système de climatisation par ventilo-convecteurs !
Ce qui montre la limite du free cooling nocturne mécanique.
Améliorer une climatisation « tout air » à débit constant
Diminution du débit d’air neuf
Moduler le débit d’air neuf en fonction de la présence des occupants et/ou de la température de l’air extérieur
Si le système dispose d’un recyclage de l’air extrait, il est possible de commander l’ouverture du registre d’air neuf en fonction de la présence effective des occupants : sonde de présence, sonde CO2, sonde de qualité d’air, … Le poste « chauffage de l’air neuf » étant le premier poste en terme de consommation de l’installation, on imagine les économies substantielles possibles.
Cette sonde peut également être placée dans la reprise pour bénéficier de la valeur moyenne de plusieurs locaux.
En période de relance, stopper l’air neuf
Également, il est possible de stopper totalement l’arrivée d’air neuf en période de relance du bâtiment (avant l’arrivée des occupants). Cette technique permet de diminuer la puissance installée des chaudières.
Fonctionnement en free cooling
Le taux d’air neuf doit être fonction des températures intérieures et extérieures et des besoins en refroidissement. Ainsi, si en mi-saison, un besoin de refroidissement se fait sentir et que la température extérieure est inférieure à la température intérieure, l’augmentation du taux d’air neuf doit permettre de valoriser le pouvoir rafraîchissant de l’air extérieur: c’est le « free cooling ».
Le registre d’air neuf peut donc s’ouvrir soit pour apporter l’air neuf minimal, soit pour refroidir l’ambiance. Le régulateur de qualité d’air devra être informé de la demande du régulateur de température et il prendra la demande la plus exigeante pour agir sur le servo-moteur du registre d’air neuf.
Vérifier le fonctionnement en free-cooling de l’installation
L’avantage indiscutable d’une installation à air est de pouvoir valoriser l’air frais gratuit extérieur. Il sera donc très utile de vérifier que le fonctionnement de la régulation ouvre à 100 % les registres d’air neuf lorsque la température extérieure est inférieure à la consigne ambiante et que le local est en demande de froid.
Voici comment devrait se comporter la régulation.
Le débit d’air neuf pulsé doit être établi sur base de la comparaison des températures extérieures, intérieures ambiantes et intérieures de consigne, avec le maintien d’un taux minimum hygiénique ou mieux encore établi sur base de la comparaison des enthalpies de l’air intérieur et de l’air extérieur :
- Lorsque la température intérieure ambiante est inférieure à la température de consigne, le taux d’air neuf doit être maintenu au minimum hygiénique qui peut être variable en fonction du taux d’occupation.
- Lorsque la température intérieure ambiante est supérieure à la température intérieure de consigne et que la température extérieure est inférieure à la température intérieure ambiante, l’augmentation du débit d’air neuf doit être prioritaire au fonctionnement de la batterie froide.
- Lorsque la température intérieure ambiante est supérieure à la température intérieure de consigne et que la température extérieure est supérieure à la température intérieure ambiante, le taux d’air neuf est ramené au minimum hygiénique.
Réhabiliter le système
Réhabiliter un système classique à débit constant en système à débit variable.
Les installations « tout air » à débit constant sont extrêmement coûteuses suite au risque de produire simultanément du chaud et du froid (dans les systèmes multizones), mais aussi suite à la consommation électrique des ventilateurs fonctionnant à vitesse constante : entre 10 et 30 % de l’énergie transportée. Il suffit d’imaginer le moment où le bâtiment est sans demande, que de l’air à 22° est pulsé… avec un débit correspondant à celui calculé pour vaincre la pire période caniculaire !
Le principe du VAV (débit d’air variable) est nettement plus efficace.
Son application est sans doute fort coûteuse : rénovation des bouches de distribution, adaptation de la vitesse variable aux ventilateurs de pulsion et d’extraction, renouvellement de la régulation… Si le régime de haute pression, autrefois nécessaire pour le fonctionnement des bouches terminales, n’est plus automatiquement requis, le bilan financier risque d’être lourd.
On peut imaginer qu’une réflexion globale s’impose et que les avantages des autres types de systèmes doivent alors être étudiés.
| Pour en savoir plus sur la climatisation des bureaux, les critères de choix généraux entre systèmes. |
Si un de nos lecteurs a réalisé ce type de rénovation, nous serions heureux de pouvoir être informés de son expérience.
Réhabiliter un système classique à deux conduits à débit constant en système à débit variable.
La technique de climatisation en « dual duct » schématisée ci-dessus est très énergivore. Il est opportun d’envisager sa rénovation. Une technique possible est de la transformer en système VAV à deux conduits.
En pratique :
- La variation de débit est faite uniquement sur l’air froid.
- Lorsque les apports calorifiques sont maximaux, le volet d’air froid est ouvert à 100% alors que le volet d’air chaud est fermé.
- Lorsque les apports diminuent, le débit d’air froid diminue jusqu’à un débit minimum de soufflage.
- Lorsque des besoins de chauffage apparaissent, on ouvre le volet d’air chaud et on mélange alors l’air froid et l’air chaud comme dans un système classique à deux conduits (l’air froid est à ce moment de l’air extérieur « gratuit »).
Si tout n’est pas résolu, la consommation d’énergie est diminuée par ce système.
Différents schémas sont présentés dans le tome 4 de la collection « climatisation et conditionnement d’air » de Bouteloup aux éditions CFP.
Remarque : dans tous les cas, il y a lieu de bannir la simultanéité d’utilisation d’air chaud et d’air froid. En période de refroidissement partiel, l’air correspondant à la gaine « chaude » ne doit être que de l’air recyclé, la batterie de chauffe ne pouvant pas être sollicitée.
Optimaliser la régulation par point de rosée
Souvent les groupes de traitement d’air (simple ventilation, groupe CAV ou VAV) équipés d’un humidificateur à pulvérisation ou à ruissellement sont régulés suivant le principe dit du « point de rosée« .
Cette régulation est tout à fait correcte en hiver, mais pose des problèmes en mi-saison et en été, avec des consommations d’énergie importantes. Il arrive de rencontrer des installations où humidification et batterie froide fonctionnent simultanément…
Reprenons les solutions déjà mentionnées dans l’ « amélioration de l’humidificateur » :
- Dans un premier temps, il importe d’abaisser la température de rosée en hiver et de la relever en été. Cela peut s’imaginer manuellement ou automatiquement par la régulation.
- On peut également stopper le fonctionnement de la batterie froide pour des besoins de déshumidification en commandant la batterie froide en fonction des besoins de l’ambiance uniquement.
- On peut limiter le temps de fonctionnement de l’humidificateur en le commandant en tout ou rien sur base d’un hygrostat dans l’ambiance ou placé dans l’extraction. Des légères fluctuations d’humidité et de température se produiront cependant dans le local.
- On peut étudier la possibilité de travailler à débit d’eau variable, notamment à partir d’un humidificateur rotatif …
- Puisque le laveur d’air ne pose pas de problèmes en hiver, il reste la solution d’imposer un arrêt total de l’humidification au-dessus d’un seuil de température extérieure : de 5°C à 8°C, par exemple. Le respect d’une consigne fixe de 50 % HR ne pourra plus être assuré, mais l’occupant d’un bureau ne s’en rendra pas compte, puisque le confort est assuré dès 40 % HR …
| Pour plus de détails sur l’analyse d’une régulation par point de rosée. |
Mettre en place un stockage d’énergie frigorifique [Climatisation – améliorer]
Choix entre les différentes technologies
L’objectif est de fabriquer et de stocker l’énergie frigorifique avant son utilisation, par exemple la nuit.
Deux types de technologie existent sur le marché :
- soit des réservoirs d’eau très froide, sortes d’énormes ballons « tampon », qui sont des réservoirs à « chaleur sensible« .
Le bac constitue une réserve d’eau à 5°C, un tampon mis en série dans l’installation. On pourra en disposer facilement au moment de la pointe. Mais la capacité de stockage est faible… L’objectif est seulement de délester le groupe frigorifique durant quelques minutes sur le quart d’heure critique. - soit des réservoirs de glace, sous forme de barres de glace ou sous forme de nodules, qui sont des réservoirs à « chaleur latente« .
L’installation (et sa régulation) est plus coûteuse, mais nettement plus efficace ! Il est possible de stocker 80 fois plus d’énergie dans un litre d’eau qui gèle que dans un litre d’eau que l’on refroidit d’1 degré ! Le projet est alors véritablement de diminuer l’équipement frigorifique (au lieu de deux machines de 300 kW, c’est une machine de 300 kW et un stockage de glace qui est installé) et de réaliser un écrêtage de la puissance électrique durant plusieurs heures.
Avantages et inconvénients
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 24 h/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.
La démarche à suivre
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.
Etablir 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 est fonction des objectifs recherchés…
La sélection du groupe frigorifique
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.
La répartition des charges frigorifiques
La charge frigorifique doit être répartie entre la machine frigorifique et le stockage.
À titre d’exemple, considérons le profil de charge suivant :
Les besoins effectifs journaliers sont de 750 kWh. Une puissance maximale de 100 kW n’est requise que durant 2 heures sur un total de 10 heures d’exploitation.
On distingue deux principes de sélection des équipements :
Accumulation complète (Full Storage)
Dans le cas de ce système, on stocke dans la glace toute la quantité de froid nécessaire pour une journée complète. La machine frigorifique est arrêtée en journée et seule la glace en cours de fonte assure le refroidissement.
Il en résulte un système d’accumulation de glace très imposant, mais les coûts d’exploitation sont faibles (toute l’énergie est produite au tarif de nuit).
La puissance de la machine frigorifique est déterminée par le rapport entre l’énergie totale à accumuler (ici 750 kWh) et la durée de la période de production en Heures Creuses (ici 14 heures).
750 kWh / 14 h = 54 kW
Ce système est rarement appliqué, à cause du coût d’investissement et de l’espace disponible très élevés.
Accumulation partielle (Partial Storage)
Dans ce système, la même machine frigorifique réalise :
- la préparation de glace durant la nuit,
- le refroidissement partiel de l’eau glacée durant la journée, en étant alors secondée par la fonte de la glace.
La machine frigorifique fonctionnera donc 24 heures sur 24 lors de la journée de référence. Elle est alors dimensionnée en fonction de la charge de froid totale sur les 24 heures (ici 750 kWh en 24 heures) plutôt que sur la base de la charge de pointe (ici 100 kW).
En appelant :
-
- Pc = puissance compresseur en direct
- Pr = puissance réduite du compresseur la nuit = f x PC
- f = 3 % par °C d’abaissement de la température à l’évaporateur (valeur typique), soit une perte de puissance de 30 à 35 % en fonctionnement de nuit par rapport au fonctionnement de jour
- En = énergie frigorifique journalière
- Td = Temps de fonctionnement de la machine en direct
- Ts = Temps de fonctionnement de la machine en phase de stockage de glace
La machine sera dimensionnée par :
en = Td x PC + Ts x Pr
d’où :
- en = Td x PC + Ts x f x PC
- PC = en / (Td + Ts x f )
| Exemple de sélection
Pour expliquer la méthode de sélection, nous avons choisi de recourir à un exemple d’une installation selon le principe de fonte interne. * A supposer
* Il est demandé La sélection d’un système d’accumulation de glace pour une machine frigorifique aussi petite que possible. * Solution La plus petite machine frigorifique est celle qui tourne 24 heures sur 24. Pour faire de la glace, la machine frigorifique produira du glycol à une température négative (ex : – 5°C). Mais, pendant la journée, la machine frigorifique fonctionnera à des températures positives dans la mesure où elle devra seulement pré-refroidir le glycol à 12°. Sa puissance étant limitée, la glace assurera le post-refroidissement. Les caractéristiques de fonctionnement de la machine frigorifique ne sont donc pas identiques pour la production de glace et pendant la journée. La nuit, lors de la fabrication de la glace, la machine présente une puissance de l’ordre de 65 à 70 % de la puissance nominale. Cette valeur de 70 % n’est qu’indicative et devra donc être vérifiée a posteriori avec les fournisseurs de la machine frigorifique en fonction des températures d’évaporation et de condensation réelles. Dans notre exemple, nous avons un temps de fabrication de glace de 14 heures et un temps de fonte de 10 heures. La machine frigorifique fonctionnera donc 10 heures à 100 % de capacité et 14 heures à 70 % de capacité. La quantité totale de froid à fournir est de 8 000 kWh. Dès lors, si nous comparons le froid produit au froid nécessaire, nous obtenons : (10 h x 100 % de cap.) + (14 h x 70 % de cap.) = 8 000 kWh cap. x (10 + 14 x 0,7) = 8 000 kWh cap. = 404 kW La machine frigorifique fournira donc 404 kW pendant la fonte et 70 % de cette valeur pendant la fabrication de glace, soit 283 kW. La puissance de stockage de glace nécessaire est alors égale au temps de fabrication multiplié par la puissance de production de froid pendant la fabrication, soit : 14 heures x 283 kW = 3 960 kWh. On trouve la même puissance de stockage en soustrayant de la charge totale de froid de 8 000 kWh la puissance de froid fournie par la machine frigorifique pendant la fonte : 8 000 kWh – (10 h x 404 kW) = 3 960 kWh. *Conclusions Il faut un appareil d’accumulation de glace d’une puissance de stockage minimale de 3 960 kWh. Si le réservoir présente une capacité de 50 kWh/m³, il faudra prévoir un stockage de : 3 960 / 50 = 80 m³ |
Attention à la température de restitution de la glace !
La méthode de sélection ci-dessus est une première approche simplifiée !
Ainsi, il faut également vérifier si l’appareil d’accumulation de glace peut garantir la puissance de fonte souhaitée à la température demandée (ce n’est pas tout d’avoir les kWh, encore faut-il qu’ils soient restitués à une température suffisamment basse !).
Pour des applications exploitant le principe de la fonte externe, cela ne pose généralement pas de problème dans la mesure où un réservoir peut être complètement fondu en 2 heures à une température d’eau de 1 à 2°C. Dans le cas de la fonte interne, en revanche, il est conseillé d’examiner cet aspect avec le fabricant, étant donné que la puissance de fonte est nettement inférieure et dépend en outre dans une large mesure de la quantité de glace restante. Généralement, on admet dans le cas de la fonte interne que la puissance de fonte restante est d’autant plus faible que la quantité de glace restante est petite. Mais cette situation est améliorée si une pompe à air pulse des bulles d’air au fond du réservoir. L’agitation est favorable à l’homogénéité des températures, notamment par bris de la glace en fin de fonte interne.
| Dans notre exemple, la puissance de fonte la plus importante à fournir est de :
1 000 kW – 404 kW = 596 kW Comparé à la puissance de stockage de l’appareil d’accumulation de glace (3 960 kWh), il s’agit d’un temps de fonte « équivalent » de 6,2 heures. Avec les systèmes de fonte interne couramment utilisés, on peut alors s’attendre à des températures de fonte autour de 5°C. Cela convient donc pour la température demandée de l’ordre de 6°C. |
Le fournisseur dispose de logiciels de dimensionnement plus élaborés qui vérifieront si la température lors de la décharge reste compatible avec la demande.
| Un exemple d’analyse de l’évolution de la température, issue d’un logiciel de ce type, est donné dans les études de cas. |
Le dimensionnement du réservoir de stockage
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 :
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Capacité de stockage |
Volume pour 1 000 kWh |
||
| Bac à eau | chal. latente | 40 kWh/m³ | 25 m³ |
| chal. sensible et latente | 50 kWh/m³ | 20 m³ | |
| Bac à glace | chal. Latente | 48 kWh/m³ | 21 m³ |
| chal. Sensible et latente | 58 kWh/m³ | 17 m³ | |
| Nodules | chal. Latente | 40 à 50 kWh/m³ | 25 à 20 m³ |
| chal. Sensible et latente | 50 à 60 kWh/m³ | 20 à 17 m³ |
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.
| Un exemple de dimensionnement pour une installation de 500 kW frigorifique est donné dans les études de cas. |
Les schémas d’installation
Stockage d’eau glacée
Les schémas d’installation diffèrent en fonction de la place relative du ballon par rapport au chiller.
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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.
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Stockage de glace en parallèle avec réservoir à nodules.
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| Un exemple de schéma d’une installation existante est donné dans les études de cas. |
Régulation du système stockage-chiller
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
| > | « Stockage total » : pour les mois de novembre, décembre, janvier et février, le stockage a été dimensionné pour fournir seul les besoins de froid. L’installation fonctionnant en tarif horo-saisonnier, il est très important de limiter au maximum les pointes de puissance. La machine frigorifique sera donc délestée. |
| > | « Priorité stockage » : en mi-saison, la priorité est donnée à la décharge du stockage, avec appoint de la machine frigorifique en fin de journée et durant les pointes. |
| > | « Priorité chiller » : en été, c’est la machine frigorifique qui assure la base et le stockage est utilisé pour couvrir les pointes grâce à la rapidité de l’apport frigorifique qu’il permet. Lorsque vient la fin de la journée, le système bascule en mode « déstockage uniquement » afin de vider l’excédent. La décision de basculer est prise par la GTC en fonction de divers paramètres. Suivant les cas on prendra en compte : l’épaisseur de glace restante, la température extérieure, l’ensoleillement, l’heure dans la journée, l’historique des deux derniers jours, l’historique de l’année précédente,… Un tel modèle, mis au point progressivement, permet des économies importantes à terme. Toute la difficulté consistant à conserver une réserve de froid suffisante pour une pointe éventuelle ! |
| > | « Charge nocturne » : cette charge peut être démarrée « au plus tard », afin d’être juste suffisante en début de journée. Un historique peut permettre d’optimaliser le moment de la relance en fonction des besoins. |
| > | Le fin du fin : si l’on prévoit quelques besoins de relance de chauffage dans le bâtiment en début de journée, une récupération de la chaleur sur le condenseur de la machine frigorifique est possible; la préparation du froid de l’après-midi génère le petit coup de chaleur du matin, le stockage faisant office de réservoir tampon entre ces deux besoins ! |
Évaluation de la rentabilité
La rentabilité d’un stockage de glace s’établit par le rapport entre le surcoût au niveau de l’installation frigorifique et l’économie financière réalisée.
Le surcoût est estimé entre 20 et 30 % de l’installation frigorifique initiale. Cette estimation comprend :
- Les bacs à glace : on peut compter 30 €/kWh de stockage pour une petite installation de 2 000 kWh, 25 €/kWh pour une installation de 5 000 kWh, 20 €/kWh pour une belle installation de 10 000 kWh.
- Les équipements annexes : pompes, échangeurs,…
- La déduction du prix de la machine frigorifique que l’on a pu économiser.
Ce qui est difficile à chiffrer et qui constitue un frein majeur du développement du stockage de nuit, c’est le volume nécessaire dans le bâtiment pour entreposer les bacs !…
L’économie financière est essentiellement résultante de l’écrêtage de la pointe quart-horaire. L’économie réalisée sur le coût moindre du kWh de nuit par rapport au kWh de jour est proportionnellement plus faible.
En effet, prenons le tarif « binôme A – Éclairage » :
Le prix du kWh de jour est de 6,25 c€/kWh (HTVA) contre 4,33 c€/kWh la nuit. En passant d’une production de jour vers une production de nuit, l’économie est donc de 31 %. Mais le fait de produire de la glace engendre un abaissement de la température d’évaporation, et le compresseur n’apprécie pas !
Ainsi, un compresseur qui voit la température d’évaporation passer de + 2°C à – 5°C voit son rendement baisser de 20 % environ. Si, parce qu’un échangeur intermédiaire supplémentaire est placé, la température d’évaporation passe à – 10°C, le rendement chute de 30 %… ! En y ajoutant quelques pertes inévitables par les parois des bacs, et les consommations des pompes,… tout le bénéfice est mangé !
Il n’empêche que les installations à – 5°C sont possibles et que l’on peut sélectionner des machines frigorifiques capables de valoriser la faible température nocturne (et donc la faible température de condensation).
Mais c’est sur le coût de la pointe de puissance que le gros de l’économie doit être trouvé (8 €/kW de pointe, chaque mois) ! Le temps de retour du projet pour une installation électrique de 500 kW et plus descend sous les 3 ans, d’après les fournisseurs.
Chaque scénario doit être étudié sérieusement. Ainsi, un bâtiment avec une prédominance de consommation électrique en été aura avantage à choisir le tarif horo-saisonnier. Dans ce cas, le délestage du groupe frigorifique durant les 4 mois d’hiver sera très rentable : 14 €/kW HTVA. Mais c’est également le moment où la demande de froid est la plus faible… L’équipement peut-il s’amortir sur ces mois d’hiver ?
La réception du matériel
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.
La maintenance
La maintenance d’un stockage de glace est faible. On suivra les recommandations du fabricant, dont la vérification régulière de la concentration en eau glycolée.
La présence de vannes d’isolement doit permettre de démanteler facilement le réservoir de stockage sans interrompre le restant du circuit.
Si l’isolation doit être remplacée, on sera attentif à sécher au préalable soigneusement la zone traitée et à rétablir l’étanchéité au passage de la vapeur d’eau afin d’éviter la corrosion ultérieure des installations.
Diminuer les charges thermiques internes
L’apport des occupants
L’homme apporte chaleur sensible (par notre corps à 37°C) et chaleur latente (par notre production de vapeur d’eau en respiration et transpiration).
Ces valeurs varient en fonction de la température ambiante.
En hiver, l’occupant d’un bureau à 22°C fournit 85 Watts de chaleur gratuite au local. Par ailleurs, il disperse 47 grammes d’eau dans l’atmosphère chaque heure. Cet apport d’eau ne modifie pratiquement pas la température du local et ne constitue donc pas un apport complémentaire en hiver.
Par contre, en été, la vapeur d’eau délivrée augmente (70 gr/h à 26°C) et sera condensée sur la batterie froide du ventilo-convecteur, par exemple. La chaleur de condensation correspondante devra être comptabilisée dans le bilan thermique de la machine frigorifique.
Peut-on diminuer ces consommations ?
En hiver, l’apport des personnes est bénéfique pour l’installation de chauffage.
En été, il est difficile d’empêcher les gens de transpirer ! Quoique… il faudrait suggérer au patron une petite sieste salutaire pour diminuer le métabolisme et donc cette coûteuse charge thermique pour le climatiseur !
Plus sérieusement, il est parfois possible d’augmenter la température du fluide refroidissant (boucle d’eau glacée, par exemple), afin de limiter la charge thermique de condensation de la vapeur d’eau.
Dans un climatiseur de local par contre, on travaille « en détente directe », la température du fluide frigorigène (que l’on ne peut modifier) sera inférieure au point de rosée, et la condensation aura toujours lieu…
L’apport des équipements
Toute charge électrique (éclairage, bureautique, machine à café, …) dans un local refroidi est payée deux fois : une fois pour effectuer le travail attendu, une fois pour évacuer ce travail qui s’est transformé en énergie calorifique.
Par exemple : 100 lampes de 60 Watts vont entièrement convertir l’énergie qu’elles utilisent en chaleur. Il faudra donc évacuer 6 000 W, ou 6 kW de chaleur… !
Puissance installée du compresseur est inférieure à la puissance frigorifique apportée à la pièce par le système de refroidissement !
en choisissant dans un catalogue un appareil de « 6 kW », on sélectionne un climatiseur dont l’évaporateur est capable d’apporter 6 kWh de froid (= de retirer 6 kWh de chaleur) au local en 1 heure de fonctionnement. Donc, « 6 kW » constitue sa puissance frigorifique.
Mais pour ce faire, curieusement, le compresseur demande une puissance électrique plus faible, de l’ordre de 2 kW. Après une heure, il aura consommé une énergie de 2 kWh (sur base d’une efficacité frigorifique de 3).
Et la facture d’énergie électrique en une heure sera de 8 kWh (6 kWh pour les lampes + 2 kWh pour la climatisation).
Quelle réduction des charges thermiques ?
Dans les bâtiments plus anciens, on peut généralement diminuer les puissances électriques utilisées pour l’éclairage des locaux et pour les équipements de bureautique notamment (ordinateur, photocopieuse, …). Une meilleure gestion de ces équipements peut également permettre de diminuer la consommation de la climatisation.
| Pour évaluer la qualité de l’éclairage existant. | |
| Pour examiner les améliorations possibles. |
La rentabilité des interventions sur ces équipements est améliorée par l’économie complémentaire faite sur le coût d’exploitation de la climatisation.
Placer un climatiseur ou une protection solaire ?
Introduction
Si les apports solaires sont à l’origine de la surchauffe, il faut se demander, avant de climatiser si le placement de protections solaires sur les baies vitrées ne permettrait pas de résoudre le problème de façon plus économe.
Voici les résultats d’une simulation du comportement d’un bureau standard. On y a comparé les coûts d’achat et d’exploitation d’un climatiseur et d’un store extérieur.
Hypothèses de travail
Il s’agit d’un bureau de 30 m² de surface au sol, orienté au sud.
Une température de confort y est maintenue été comme hiver par un système de climatisation.
|
Consignes de température intérieure |
||
| en hiver | en période d’occupation | 20°C |
| en période d’inoccupation | 15°C | |
| en été | en période d’occupation | 25°C |
| en période d’inoccupation | 30°C | |
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Horaires de fonctionnement de l’installation de climatisation |
||
| occupation | de 8 à 18h en semaine (260 jours par an) | |
| ralenti | de 17 à 7h en semaine et 24 h sur 24 les week-ends | |
|
Apports internes en période d’occupation |
||
| cas 1 : apports limités |
|
|
| cas 2 : apports moyens |
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|
Résultats de la simulation
|
Cas 2 (apports internes moyens) |
|||||
| surface du vitrage
[m²] |
présence d’une protection solaire (1) |
consommation en froid (2)[kWh/an] |
température maximum atteinte sans climatisation (3)[°C] |
coût d’exploitation (4)[€/an] |
potentiel d’économie
[€/an] |
| 4 | non | 456 | 33,5 | 52,5 | 38,8 |
| oui | 119 | 28,4 | 13,7 | ||
| 6 | non | 650 | 35,8 | 74,75 | 58,8 |
| oui | 139 | 28,8 | 16 | ||
| 8 | non | 826 | 38 | 95 | 77,2 |
| oui | 155 | 29,2 | 17,8 | ||
| 10 | non | 985 | 40,1 | 113,3 | 94 |
| oui | 168 | 29,6 | 19,3 | ||
(1) les protections solaires sont des protections extérieures mobiles. Leur déploiement intervient de mars à octobre lorsque le rayonnement solaire traversant le vitrage dépasse 100 W/m².
(2) l’efficacité frigorifique du climatiseur est estimée à 2,5.
(3) en juin.
(4) à 0,11 €/kWh.
Conclusions
Lorsque les gains internes ne sont pas trop importants (cas 1), on peut considérer que la surchauffe est principalement due aux apports solaires. Dans ce cas, en admettant un très léger inconfort (température intérieure maximum de 26°C lorsqu’il fait 32°C à l’extérieur), on peut envisager le placement de protections solaires sur les fenêtres et l’absence d’un climatiseur.
Pour illustrer ceci, comparons les coûts des deux solutions pour une fenêtre de 6 m² :
|
Solution |
Coût d’investissement | Coût d’exploitation | Coût total sur 10 ans (3) |
| Protection solaire extérieure en toile | 750 € (1) |
0 €/an | 750 € |
| Climatiseur de fenêtre de 3 kW | 875 € (2) |
44,05 €/an | 1315,5 € |
(1) le coût d’une protection solaire est estimé à 125 €/m² (attention ce coût est indicatif et peut varier fortement en fonction de la taille de la protection et de son degré d’automatisation).
2) le climatiseur de fenêtre est couramment le système le moins cher. En fonction de l’emplacement des éléments en fonction du confort recherché, des liaisons électriques et frigorifiques le coût d’investissement de la climatisation peut augmenter rapidement (on atteint rapidement 2500 €).
3) hors entretien.
Lorsqu’une partie importante de la surchauffe est due aux apports internes (cas 2), le placement de protections solaires seules ne permettra pas d’atteindre le confort voulu. Cependant, celles-ci diminueront souvent les besoins en froid et leur surcoût pourra être rentabilisé en moins de 10 ans (diminution de la puissance installée du climatiseur et des consommations). Par exemple, pour une fenêtre de 6 m² :
|
Solution |
Coût d’investissement | Coût d’exploitation | Coût total sur 10 ans (3) |
| Protection solaire extérieure en toile et climatiseur de fenêtre de 1,5 kW | 1 250 € | 1,7 €/an | 1267 € |
| Climatiseur de fenêtre de 3 kW, sans protection solaire | 875 € | 44,05 €/an | 1 315,5 € |
Lorsque chaque personne dispose d’un ordinateur, le placement de protections solaires seules ne permettra pas d’atteindre le confort voulu. Cependant, celles-ci diminueront souvent les besoins en froid et leur surcoût pourra être rentabilisé en moins de 10 ans (diminution de la puissance installée du climatiseur et des consommations). Pour maîtriser la température intérieure sans climatisation, il faudra en plus adopter une politique active de ventilation : le free cooling.
Améliorer la machine frigorifique [Climatisation]
Les principes à suivre
Les projets d’amélioration peuvent poursuivre plusieurs objectifs :
- réduire la consommation d’énergie,
- limiter la pointe de puissance quart-horaire,
- améliorer la maintenance de l’installation.
Objectif 1 : réduire la consommation d’énergie de l’installation frigorifique
Prenons l’exemple d’une installation où l’évaporateur refroidit la boucle d’eau glacée alimentant les ventilo-convecteurs. Il est possible d’envisager 3 niveaux d’intervention : le local, la boucle d’eau glacée et la machine frigorifique (chiller).
- La mesure la plus évidente consiste à réduire le besoin de rafraîchissement des locaux, entraînant de facto la mise au repos du compresseur !
| Rehausser la température intérieure. | |
| Installer des stores extérieurs | |
| Limiter les puissances d’éclairage. | |
| Limiter les débits de ventilation. |
- La diminution des pertes en ligne du fluide réfrigérant ou de l’eau glacée constitue un deuxième axe de réflexion : isolation des conduites, augmentation de la température du réseau d’eau,…
- Pour diminuer le travail du compresseur, il faut diminuer le taux de compression, entre la pression d’évaporation et la pression de condensation. Or la thermodynamique nous montre que ces pressions de fluide frigorigène correspondent toujours à des niveaux de température du fluide. Diminuer le travail du compresseur, c’est donc diminuer l’écart de température entre évaporateur et condenseur. En pratique, on cherchera donc à augmenter la température à l’évaporateur (utiliser de l’eau glacée moins froide) et à diminuer la température au condenseur (profiter d’un air refroidisseur à plus basse température).
|
3°C en plus à l’évaporateur, c’est 10 % de consommation en moins. 3°C en moins au condenseur, c’est 10 % de consommation en moins. |
Ces valeurs sont des valeurs moyennes; la diminution de consommation suite à la hausse de la température à l’évaporateur est de 2 % par degré pour les compresseurs à piston, de 3 % par degré pour les compresseurs centrifuges et de 4 % par degré pour les compresseurs à vis (source : « Energy Audit of building systems », M. Krarti, CRC Press).
Ces modifications seront faites en concertation avec le constructeur du matériel, car chaque machine est conçue pour fonctionner dans des plages données. De plus, la responsabilité du constructeur sera dégagée si les paramètres de fonctionnement sont modifiés sans son accord.
- Limiter le fonctionnement du compresseur à charge réduite car en dessous de 20 % de sa puissance nominale, le rendement de production de froid d’une machine frigorifique s’écroule ! Par un fractionnement de la puissance installée, par un entraînement à vitesse variable, … il faut adapter la puissance à la demande.
- On peut également chercher les solutions qui permettraient de se passer de l’installation frigorifique ! On pense tout particulièrement aux périodes d’hiver ou de mi-saison pour lesquelles un by-pass de l’installation peut être envisagée : ce sont les techniques de « free chilling ».
- Il est également possible de préchauffer l’eau chaude sanitaire ou l’air de ventilation : ce sont les techniques pour récupérer la chaleur évacuée au condenseur.
Objectif 2 : réduire la pointe de courant électrique appelée par l’installation
On sait que les bâtiments climatisés ont avantage à bénéficier de la tarification électrique dite « horo-saisonnier ». Mais celle-ci pénalise certaines heures de la journée (tout particulièrement les « heures de pointe » en hiver). Et tous les tarifs privilégient la consommation d’électricité nocturne.
| Pour en savoir plus sur le tarif de la facture électrique. |
Aussi, une gestion de la charge par délestage ou par déplacement des périodes de fonctionnement doit être étudiée. C’est dans ce but de produire du froid la nuit que sont installés des bâches d’eau glacée ou des bacs à glace. Un étalement de la charge frigorifique est ainsi réalisé et permet dès lors un sous-dimensionnement de la puissance installée et un fonctionnement plus régulier des compresseurs. Elle sous-entend malheureusement des pertes énergétiques supplémentaires suite au stockage du froid. Cette technique est intéressante par le lissage du profil de la consommation électrique.
| Pour en savoir plus sur le délestage. | |
| Pour en savoir plus le déplacement des périodes d’utilisation. |
Remarque : les pompes de circulation des groupes froids sont souvent surdimensionnées. Le réseau d’eau glacée doit fonctionner avec un écart de température de l’ordre de 5K (ex : départ 7° – retour 12°). Si, par temps très chaud, le régime 7° -12° tourne en réalité à 7° – 9°, le surdimensionnement de la pompe dépasse 2. Or, les puissances étant proportionnelles au cube des débits, un surdimensionnement par 2 entraînera une consommation multipliée par 8 !
Pour réaliser ces économies potentielles d’électricité, on pensera à adapter les vitesses aux besoins.
Objectif 3 : améliorer la maintenance de l’installation
L’amélioration de la régulation peut également avoir pour objectif de privilégier le bon fonctionnement du matériel, en diminuant ainsi le risque de panne et en améliorant la longévité du matériel.
Contrôler la surchauffe, vérifier le sous-refroidissement, mesurer l’intensité électrique appelée, …
| Pour plus d’infos sur les mesures de maintenance à mettre en œuvre. |
Un secret dans ce domaine : si l’installation a été bien mise au point initialement, la meilleure solution consiste à mesurer tous les paramètres de l’installation et à les comparer d’année en année. C’est « par rapport à elle-même » que l’on peut au mieux juger la qualité d’une installation frigorifique.
Gérer la durée de fonctionnement de l’installation frigorifique
À l’image d’un moteur diesel, une installation frigorifique sera d’autant plus efficace qu’elle travaille sur des longues périodes, sans arrêts successifs.
Programmation horaire
A l’aide d’une horloge, il est utile de minimiser le temps de marche du système de réfrigération en fonction des périodes d’occupation du bâtiment et de la charge de refroidissement. Si l’on dispose d’un système de régulation numérique, il peut être encore plus utile de rendre ces temps de fonctionnement dépendants de la température extérieure. Par période de forte chaleur, on pourra alors laisser fonctionner les équipements 24h/24.
Attention : l’horloge ne doit pas redémarrer l’installation en période de tarif électrique défavorable, pour limiter le coût de la pointe quart-horaire. Si nécessaire, il faudra anticiper la période de démarrage afin d’éviter un appel de puissance anormal.
Seuil de fonctionnement en fonction de la température extérieure
Il est possible de n’enclencher le groupe de froid que pour un seuil de température extérieure minimal suffisant. Par exemple, la machine frigorifique ne peut s’enclencher que si la T°ext dépasse 13°C. Ce verrouillage par un thermostat peut bloquer l’enclenchement en période de mi-saison, s’il est remarqué que la surchauffe intérieure est passagère et sera traduite en économie de chauffage une fois le soleil reparti.
On vérifiera préalablement que des besoins non liés à la température extérieure ne sont pas présents.
Une telle action peut également se concevoir pour le deuxième compresseur mis en cascade. Il est utile de l’empêcher de démarrer le lundi matin pour 1/4 d’heure !
Coupure de l’alimentation des carters des compresseurs à pistons
Il est intéressant de couper l’alimentation du chauffage des carters pendant la période d’arrêt de la réfrigération. Il s’agit d’une puissance de l’ordre de 100 Watts généralement, qui est mise en service à l’arrêt du compresseur. Tout l’hiver, ces 100 Watts seront donc consommés inutilement.
Attention : une période de chauffage du carter de 24 h est nécessaire avant le démarrage du compresseur, pour préchauffer l’huile. À défaut, des dégâts sérieux peuvent être occasionnés au compresseur.
Pour être complet, signalons que certains considèrent que ce chauffage permanent évite que de l’humidité ne corrode les parties électriques du compresseur. On consultera donc le fournisseur du matériel avant de prendre une décision.
Limiter les pertes des réseaux
Stopper la circulation d’eau glacée dans les circuits non demandeurs en hiver, dans les bâtiments où une partie du réseau doit fonctionner toute l’année.
Si les besoins de froid d’hiver sont limités à un local ou un ensemble déterminé de locaux, refroidir ces locaux par un système indépendant (ex: utilisation des splits de secours présents dans le local informatique pour arrêter le système de refroidissement principal pendant l’hiver : c’est lui qui sera le secours en cas de défaillance des splits).
Stopper les installations la nuit et les W-E, si pas de besoin
Cette proposition doit être étudiée avant d’être appliquée.
Si le bâtiment est très peu inerte, l’installation doit être stoppée la nuit. Le refroidissement naturel nocturne sera favorable (il peut même être favorisé par une ventilation nocturne accélérée, si des taux horaires de renouvellement d’air supérieurs à 4 sont possibles). Tout arrêt nocturne entraîne systématiquement des économies énergétiques puisque les pertes de maintien sont annulées. Et ceci, même si ultérieurement il faudra remettre la boucle d’eau glacée en régime.
| Pour en savoir plus sur l’ exploitation du pouvoir rafraîchissant de l’air extérieur. |
Par contre, un bâtiment très inerte accumulera dans ses parois une quantité importante de chaleur. Un fonctionnement nocturne de la climatisation (à bas prix du kWh électrique) permettrait de le décharger de la chaleur excédentaire avant le début de la journée suivante. A défaut, la chaleur devra être évacuée au matin, entraînant une puissance appelée supplémentaire.
Remarque : couper l’installation par périodes de fortes chaleurs pourrait poser problème (sauf réserve de puissance importante pour la relance, condenseur surdimensionné,… ). Autrement, au moment de réenclencher, le pressostat de la haute pression risque de déclencher car la demande est trop importante…
Augmenter la température de départ de la boucle d’eau glacée
D’abord une maintenance de l’installation
L’évaporateur doit être régulièrement détartré. La meilleure indication consiste à suivre l’écart entre la T°évaporation et la T°eau glacée.
| Valeur test
En général, si l’écart entre T°évaporation et la T°eau sortie évaporateur > 6 à 7 K, il y a encrassement et donc chute de rendement. Si l’écart subsiste après le nettoyage, il faut envisager l’extension de la surface de l’évaporateur. |
| Pour plus d’infos sur les mesures de maintenance à mettre en œuvre. |
Un régime de fonctionnement adapté à une période canicule !
Le bureau d’études a dimensionné l’installation afin de répondre aux conditions extrêmes de température extérieure (+/- 32°C) et d’ensoleillement (ciel serein). Par exemple, il a prévu pour la boucle d’eau glacée le régime : départ 6° – retour 12°.
La boucle d’eau glacée circule dans un bâtiment à 22°…24°C. Elle présente donc des pertes tout au long de son parcours. En rehaussant la température de départ de l’eau, on diminue le Delta T° et donc les pertes.
De plus, l’air ambiant condense en dessous de 12°C environ. Beaucoup d’énergie du compresseur est donc consacrée à déshumidifier l’air dans les échangeurs, déshumidification qui n’est pas toujours nécessaire (on parle d’une consommation de chaleur latente). Faire travailler l’eau froide au régime 12° – 18° est beaucoup plus efficace. Mais la puissance frigorifique de l’échangeur diminue puisque le delta T° diminue … Il faudra donc surdimensionner l’échangeur du ventilo-convecteur, par exemple. Donc un investissement plus élevé au départ, mais un coût d’exploitation nettement plus faible ensuite durant toute la durée de vie de l’appareil.
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Un ventilo-convecteur fonctionnant au régime 6°-12° consomme environ 30 % de son énergie pour déshumidifier l’air ambiant… |
Comment augmenter la température du régime d’eau glacée ? Diverses adaptations de l’installation sont possibles afin de mieux « coller » aux besoins variables.
Partons d’une installation correctement dimensionnée pour vaincre la demande extrême.
1ère possibilité : réaliser une température glissante sur le départ de l’évaporateur
Imaginons que la charge thermique du local n’atteigne que la moitié de la charge nominale. La vanne va progressivement se fermer jusquà ne laisser passer (en première approximation) que 20% du débit d’eau à 6°C.
On pourrait dès lors remonter le départ d’eau de la machine frigorifique à 9°C. La vanne s’ouvrirait à 33%.
On voit qu’il reste de la marge de fonctionnement à l’équipement puisque seul un départ à 12°C donnerait une vanne totalement ouverte.
En réalité, la vanne ne serait pas encore totalement ouverte car l’échangeur augmente d’efficacité suite au fait qu’il ne perd moins d’énergie à déshumidifier l’air. Si de plus on prend en compte que l’échangeur est probablement surdimensionné, on est tout à fait du côté de la sécurité !
Conclusions : on peut sans crainte adopter le régime suivant pour le départ de l’eau froide : 6° en été, 9° en mi-saison, 12° en hiver. Le plus simple est de tester le fonctionnement avec ces valeurs… et de les augmenter l’année suivante encore, s’il n’y a pas de plaintes !
Remarque : Pour que cette solution convienne, il faut :
- Que le profil de consommation du bâtiment soit lié à l’évolution de la température extérieure. En climatisation, c’est le cas lorsque les besoins de réfrigération sont ceux liés au traitement de l’air neuf. Par contre, les apports dus aux machines, à l’éclairage, aux personnes sont constants. Quant aux apports solaires, ils sont en moyenne liés à l’évolution de la température extérieure pour les façades Est et Ouest (c’est en été que température et soleil sont au maximum), de même que pour les apports des surfaces vitrées horizontales. Par contre, sur une façade Sud, le soleil est plus important en mars qu’en juillet !
- Que tous les échangeurs (ventilos, par exemple) du circuit puissent fonctionner dans ces conditions.
- Avoir des compresseurs qui autorisent une température d’évaporation suffisamment élevée et disposer d’une régulation de commande disponible (certaines machines « standards » ne donnent pas accès à la modification de la température d’eau de départ –> consulter le fabricant).
En fait, agir sur la température de départ de l’eau glacée suppose une bonne connaissance de son installation et de l’origine des apports à vaincre. Par exemple, il sera très utile de suivre l’évolution de l’écart de température (départ – retour) de l’eau glacée durant l’année : un départ 6° – retour 8° en hiver suivi d’un régime 6° – 11° en été est signe qu’il est possible de remonter la température de départ en hiver, puisque les besoins sont faibles.
En mi-saison, l’installation pourra toujours répondre à un apport solaire momentané, mais proportionnellement avec une puissance maximale plus faible puisque la température de départ de l’eau glacée sera plus élevée. Cette régulation peut se faire, soit manuellement (2 ou 3 adaptations par an), soit automatiquement. Dans ce cas, il faudra trouver l’emplacement du capteur qui sera fidèle des besoins de l’installation (sonde extérieure, par exemple).
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Parallèle avec le chauffage des bâtiments : on ne régule pas l’installation avec les seules vannes thermostatiques. Un régulateur avec courbe de chauffe adapte d’abord la température de départ en fonction de la sonde extérieure. |
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Exemple d’application : les centres informatiques L’évolution actuelle de la performance de l’équipement informatique entraîne généralement une baisse des consommations d’énergie et donc des puissances thermiques à évacuer. Si jadis on dimensionnait à plus de 400 W/m², on table actuellement sur 150 W/m². Les anciennes installations, à présent surdimensionnées, verront donc favorablement leur température de départ d’eau glacée augmenter. À noter : attention à la puissance des ventilateurs, prévus pour transporter la puissance d’origine, car ils risquent de constituer à présent une partie importante de la charge frigorifique ! |
2ème possibilité : réaliser des réseaux distincts avec une modulation par vanne 3 voies sur chaque départ
Si l’installation comporte plusieurs types de locaux dont les besoins sont différents, cela se complique !
Par exemple, imaginons qu’il existe un local informatique (avec des besoins constants toute l’année) et dont la puissance de l’émetteur est juste suffisante : il devra toujours être alimenté à 6°. Si par ailleurs, plusieurs locaux de bureaux plein sud avec larges baies vitrées présentent des besoins liés à la température extérieure et à l’ensoleillement, une modulation de la température de départ de ce circuit sera intéressante.
On peut alors réaliser des circuits différents commandés à des températures différentes, via des vannes trois voies motorisées. Ici, on ne modulera que la température du circuit « bureaux ».
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Parallèle avec le chauffage des bâtiments : il apparaît normal de séparer les circuits en zones thermiquement homogènes (façade Sud, façade Nord,…), puis de moduler la température de départ de chaque circuit en fonction des besoins de la zone qu’il alimente. Ne disposer que d’une seule boucle d’eau glacée à 6°, c’est un peu comme si le chauffage n’était alimenté que par une seule boucle à 90°…! |
Remarque : si les émetteurs sont équipés de vannes 2 voies pour régler leur débit, une régulation d’ensemble par la GTC (Gestion Technique Centralisée) permettrait de créer un « découpage virtuel » de l’installation et de piloter les émetteurs par groupes de locaux, en fonction de l’orientation, de l’usage, des horaires, des températures de consigne, etc…
3ème possibilité : maintenir les températures de retour les plus hautes possibles
Cette technique nécessite des éléments terminaux (comme les ventilo-convecteurs, les centrales d’air, les sous-stations, …) régulés avec des vannes deux voies (régulation par le débit). Lorsque les besoins diminuent, le débit total de la boucle diminue également. Pour maintenir la pression constante aux bornes des équipements, on utilise des pompes à débit variable pilotées soit par la température de retour qui doit toujours dépasser une certaine valeur, soit par la pression.
Par opposition à la 1ère possibilité de régulation sur sonde extérieure, on réalise ici une régulation sur boucle fermée plus fidèle aux besoins du bâtiment. Pour l’évaporateur, ce n’est plus la température de départ qui est augmentée, mais la température de retour (régime 6/14 ou 6/16 par exemple). La température moyenne de fonctionnement à l’évaporateur est augmentée, ce qui est favorable.
Remarque.
En thermique, il existe deux manières de réguler : agir sur le débit ou agir sur la température.
Moduler le débit sous-entend conserver une température constante.
En chauffage, le régime de température adopté lors du dimensionnement du matériel est élevé : généralement 90°-70°. Ceci entraîne un écart de température élevé par rapport à l’ambiance et donc des pertes de maintien élevée. On aura donc tout intérêt à réguler sur la température.
En réfrigération, par contre, le régime classique 6°-12° présente peu d’écart par rapport à l’ambiance. De plus, le débit est important (à puissance égale, il faut 4 fois plus de débit pour transporter du froid que du chaud puisque le Delta T° est 4 fois plus petit) et sa modulation est plus aisée. Si les besoins sont fort variables, on sera dès lors plus facilement tenté par une régulation sur le débit, avec une température de départ constante, une température de retour la plus élevée possible… et des économies d’énergie sur le transport de l’eau par l’utilisation d’une pompe à vitesse variable.
Cependant, un débit minimum dans l’évaporateur est requis par le constructeur, sous peine de le geler à certains endroits. L’installation devra comprendre un by-pass de recyclage.
Améliorer la régulation de puissance du compresseur
Vérifier la surpuissance éventuelle
Pour vérifier l’ordre de grandeur de la puissance installée, un ratio (très approximatif !) de 100 W/m² peut situer les besoins d’un immeuble de bureaux. La puissance totale du bâtiment ainsi trouvée sera multipliée par 2/3 pour tenir compte de la non-simultanéité des besoins. On peut en déduire un éventuel surdimensionnement qui renforce le besoin de découpage de la puissance.
Attention : il est possible que le gestionnaire souhaite un dédoublement de la puissance pour des raisons de sécurité (on place alors 2 machines au lieu d’une, ou deux compresseurs de 100% de la puissance raccordés sur des condenseurs indépendants). L’essentiel est alors de vérifier qu’ils ne s’enclenchent pas tous les 2 à la relance du matin pour 15 minutes…
La machine frigorifique s’adapte mal aux bas régimes…
Une diminution de 25 % de la puissance frigorifique du groupe ne réduit la puissance électrique absorbée que de 10 % en moyenne !
Il est donc préférable que le compresseur soit découpé en plusieurs niveaux de puissances (par exemple, via un découpage en plusieurs compresseurs).
De plus, l’enclenchement d’un grand groupe peut générer une pointe de puissance électrique importante. Ce sera particulièrement coûteux si l’enclenchement se fait en hiver, alors que le bâtiment est sous le tarif horosaisonnier !
Si l’idéal est la régulation par variation de vitesse du compresseur, la mise hors-service de cylindres est une méthode assez répandue parmi les techniques de modulation de la puissance sur une installation existante.
En pratique une vanne magnétique est posée sur la tête de culasse, ce qui rend inopérant un des cylindres qui travaille dans le vide.
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.
Mais toute intervention sur une installation existante doit avoir l’aval du constructeur (par exemple, un abaissement de vitesse peut modifier dangereusement le régime de lubrification).
| Pour plus de détails, consultez le choix de la régulation de la machine frigorifique. |
Créer un ballon tampon
En effet, le ballon tampon amplifie l’inertie thermique de l’installation, ce qui prolonge la durée de fonctionnement des compresseurs. Il permet de résoudre le problème de l’anti-court cycle (c’est à dire la temporisation du démarrage si l’installation vient de s’arrêter) et de prolonger la durée de vie du matériel en diminuant le nombre de démarrages par heure ou par jour.
On sera attentif à la position de la sonde de régulation par rapport au ballon. Par exemple, réguler le compresseur en fonction de la température du ballon-tampon lui-même est une bonne solution. En tous cas, la sonde ne doit pas se trouver en amont du ballon. Lorsque l’utilisateur démarre, le train de chaleur qu’il génère dans l’évaporateur doit être absorbé par le ballon avant que la sonde ne le détecte.
Ainsi l’inertie du ballon aura bien été valorisée.
On dimensionne un ballon tampon de telle sorte que son stockage corresponde à 5 à 10 minutes de la consommation en eau glacée.
Supprimer la régulation par injection des gaz chauds
Le réglage par « injection des gaz chauds« , doit être qualifié de « pur anéantissement d’énergie ». Dans ce cas, la puissance absorbée reste la même lorsque la puissance de réfrigération diminue. De plus, il provoque un échauffement du moteur. Dans la mesure du possible, il faut mettre ce système hors service dans les installations existantes.
La régulation par « injection des gaz chauds » est une aberration, puisque pour maintenir le débit constant dans l’évaporateur, on « fait fonctionner le compresseur sur lui-même ». Mais cette technique évite tout risque de gel dans l’évaporateur.
Comparaison : imaginons une pompe qui vide un réservoir « bas » vers un réservoir « haut ». De peur du risque qu’elle se désamorce si elle n’a plus assez d’eau à pomper, on lui réinjecte de l’eau venant du réservoir « haut ». Ainsi elle peut continuer à fonctionner sans problème !
L’injection de gaz chauds est rencontrée en climatisation sur des groupes avec un compresseur n’ayant pas de système interne de régulation de puissance, sur des petits chillers et des systèmes à détente directe (roof-top, par exemple) : c’est absolument à proscrire.
| Cette technique est présente sur le terrain puisque voici ce que nous a écrit un installateur frigoriste à ce sujet :
« Il est vrai qu’en terme de régulation le principe est évidemment à proscrire, mais il est très fréquent que nous utilisions l’injection de gaz chauds lorsque nous intervenons chez des clients qui ont très peu soin de leur installation : batteries ou filtres d’évaporateurs pas nettoyés. Ceci afin d’éviter la formation de givre important sur les batteries,… et les problèmes d’écoulement qui s’en suivent (les bacs d’écoulement de certaines marques de climatiseurs ne peuvent contenir ce flux massif d’eau, ainsi que les pompes de relevages de condensats qui ne sont pas prévues pour évacuer autant d’eau, d’où les débordements). Nous utilisons également l’injection de gaz chauds lorsque nous installons une unité extérieure sur deux unités intérieures et que nous n’avons pas affaire à des compresseurs inverter ou à deux compresseurs dans l’unité extérieure. Ces réalités sont très fréquentes car le coût d’installation est un critère de choix pour le client final. Nous le mettons toutefois en garde du très mauvais rendement énergétique lorsque seule une unité intérieure sur les deux est utilisée. En prévoyant l’injection de gaz chaud sur ce type d’installation, nous savons que, heureusement, dans la majeure partie du temps d’utilisation de la climatisation, les deux unités intérieures sont utilisées en même temps (chaque circuit d’unité intérieure est muni d’une vanne magnétique). » |
Quels sont les indices de l’existence d’une telle régulation ? On aura des soupçons si l’on constate que le compresseur ne s’arrête pratiquement jamais. Et on vérifiera alors s’il y a présence d’équipements raccordant la haute pression (sortie compresseur) et la ligne d’aspiration (entrée évaporateur). Ensuite, on appelle le frigoriste !
Alternatives
- Il faut absolument la remplacer, idéalement par la vraie solution actuelle, la variation de vitesse du compresseur (INVERTER). L’investissement est plus élevé bien sûr, mais l’économie d’énergie résultante permet d’amortir facilement l’investissement.
- Une modulation de puissance par l’usage de solénoïdes pour délester certains cylindres permet des économies substantielles (consulter un frigoriste).
- À défaut, prévoir 2 à 3 plus petites machines en centrale.
Augmenter le seuil de pression de déclenchement du compresseur
Si le compresseur déclenche régulièrement par période de forte chaleur, c’est suite au pressostat HP (Haute Pression) : la condensation se fait à trop haut niveau de pression.
Le frigoriste risque malheureusement de diagnostiquer une insuffisance de puissance de l’installation (ce qui est exact) et de proposer un remplacement par un compresseur plus puissant. Mais la nouvelle installation sera surpuissante toute l’année…
Si le fabricant l’autorise, il vaut mieux augmenter le seuil de pression de déclenchement du compresseur. La machine frigorifique pourra alors continuer à fonctionner, tout en donnant temporairement une puissance frigorifique plus faible que sa valeur nominale. L’inconfort résultant sera limité.
On étudiera également si ce n’est pas le condenseur qui est sous-dimensionné par rapport au compresseur : une augmentation de surface de condensation améliorera le rendement toute l’année.
Une supervision par régulation numérique
La régulation numérique (ou digitale) est en plein essor ces dernières années.
Cette fois, ce n’est plus le câblage qui va déterminer les séquences mais bien le programme inclus dans l’automate programmable ou le régulateur du groupe.
Il s’agit en fait une gestion globale du système qui vient se superposer à celle des équipements frigorifiques.
La régulation d’ensemble en sera fortement améliorée :
- possibilité de modifier les points de consignes, les horaires de fonctionnement, …. à distance,
- création d’alarme avant que les conséquences ne soient perçues de l’occupant,
- possibilité de réaliser un délestage du groupe au moment de la pointe ¼ horaire du bâtiment,
- visualisation meilleure du fonctionnement par mesure des pressions et des températures tout au long du cycle (via l’historique enregistré),
- estimation des performances, de l’énergie consommée, …
Exemples.
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Améliorer le fonctionnement du condenseur et de la tour de refroidissement
Principe de base : abaisser la température de condensation
Abaisser la température de condensation, c’est abaisser le niveau de pression à la sortie du compresseur, c’est donc diminuer le travail de celui-ci et l’énergie qu’il consomme. On considère qu’abaisser la température de condensation de 1°C génère environ 3 % d’économie.
Abaisser la température de l’air extérieur
L’emplacement du condenseur doit éviter un réchauffement local de l’air. Par exemple, un condenseur placé sur une toiture couverte de roofing noir entraînera une surchauffe locale de l’air de plusieurs degrés en période d’ensoleillement … Le fait de répandre du gravier blanc sur la toiture et sous le condenseur sera favorable.
L’emplacement du condenseur devra éviter un ensoleillement direct de l’échangeur. Si le placement à l’ombre est impossible, le placement d’un système d’ombrage permettra d’abaisser le niveau de température.
Eviter la recirculation de l’air aspiré
Si le condenseur est situé trop prêt d’une paroi, l’air expulsé par le ventilateur centrifuge risque d’être rebouclé vers l’aspiration : de l’air chaud se mélange à l’air froid, la température de l’air d’aspiration augmente, … de même que la température de condensation.
Comment s’en rendre compte ? En se plaçant entre la paroi et le condenseur lorsque celui-ci est à l’arrêt. Au démarrage du condenseur, on ne peut sentir l’arrivée de chaleur. À défaut, on utilisera la poire à fumée.
Favoriser l’échange de chaleur
| Valeur test
Pour un condenseur à eau, si l’écart entre T°condensation et la T°eau sortie condenseur > 6 à 10 K, il y a encrassement et donc chute de rendement. Si le dT° dépasse 15 K, il faut envisager l’extension de la surface du condenseur. Pour un condenseur à air, l’écart entre la température de condensation et la température de l’air à l’entrée doit être de l’ordre de 15 à 20 K à pleine charge. A charge partielle, le delta T° doit diminuer proportionnellement. Remarque : pour connaître la température de condensation, lire la haute pression, et se référer tableau de correspondance température/pression du fluide frigorigène (Exemple pour le R22, R134a et R407c). |
- Par un nettoyage régulier des ailettes (condenseurs à air), tout particulièrement à l’automne, avec la chute des feuilles. Nettoyage à l’air comprimé (si l’épaisseur des ailettes est inférieure à 0,15mm), ou à l’eau à faible pression si présence de boues (attention à la fragilité des ailettes, diriger le jet bien perpendiculairement au condenseur).
- Par un détartrage régulier des conduites (condenseurs à eau). Si une tour ouverte est installée, un adoucisseur d’eau s’impose.
| Pour plus d’infos sur les mesures de maintenance à mettre en œuvre. |
Modifier la régulation du condenseur
Nous devrions avoir des excellents rendements dans nos régions où les canicules sont rares ! La température extérieure avoisine les 12 à 20°C lorsque la clim est en route. La température de condensation devrait être de l’ordre 24 à 32°C. Mieux, certains locaux à charges internes importantes (par exemple, les salles informatiques) doivent être aussi climatisés en mi-saison ou encore en hiver. Dans ce cas, lorsque la température de l’air extérieur diminue, la capacité de refroidissement du condenseur augmente.
En théorie, c’est tout bénéfice pour le compresseur qui a moins de mal à travailler !
Et pourtant …
Problème avec les détendeurs thermostatiques
Le constructeur souhaite qu’une différence de pression minimale existe au niveau du détendeur, pour assurer une quantité de débit de fluide frigorifique suffisante dans l’évaporateur. C’est la Haute Pression qui pousse le réfrigérant à travers l’orifice de la vanne du détendeur. Il en résulte, avec une haute pression trop faible, que l’alimentation en réfrigérant est insuffisante, particulièrement au démarrage. Le compresseur aspire mais il est sous-alimenté.
La basse pression devient aussi insuffisante et le groupe se met en sécurité Basse Pression. Mais comme cette sécurité est à réenclenchement automatique, le groupe « pompe », se fatigue et finalement déclenche par son thermique.
Avec un détendeur thermostatique, il est donc nécessaire de maintenir une Haute Pression suffisamment élevée. Dès lors, le constructeur impose une pression minimale, côté HP, à la sortie du condenseur (par exemple 12 bars pour le R22).
Ce problème est renforcé en hiver… Si l’air est à 0°C, la surface d’échange devient excessive. De plus, on n’aura plus besoin de la pleine puissance frigorifique. De sorte que le condenseur sera largement surdimensionné pendant les périodes froides.
S’il fait plus froid dehors, le constructeur va diminuer le débit d’air de refroidissement (en arrêtant l’un ou l’autre ventilateur, par exemple), mais il va maintenir le niveau de pression ! en fait, la régulation des ventilateurs sera réalisée sur base du pressostat HP.
Il y a économie sur le ventilateur… mais pas sur le compresseur !
Première amélioration : travailler avec un ventilateur à vitesse variable ou une cascade de ventilateurs
Supposons que le ventilateur du condenseur fonctionne en tout ou rien, avec l’exigence constructeur de maintenir les 12 bars minimum.
Par exemple, il s’enclenche lorsque la pression monte à 16 bars et déclenche lorsque la pression descend à 12 bars. Ceci entraîne des cycles on-off « rapides » (+/- 2 min.) et une « fatigue » du moteur. En plus la mise en route brutale du ventilateur provoquera une chute soudaine de la pression et de la température de condensation. Ceci provoque à son tour une ré-évaporation du liquide resté à la même température. Les bulles de vapeur provoqués par ce phénomène peuvent perturber le bon fonctionnement du détendeur et donc de l’installation (« flash gaz »).
Si par contre, on utilise un ventilateur à vitesse variable (moteur spécial ou régulateur de vitesse de rotation externe), en plus de la réduction de consommation du ventilateur, on optimisera le fonctionnement du compresseur qui restera régulé à 12 bars (dès que la pression augmente, le ventilateur accélère; et si la charge augmente encore, c’est la pression qui augmente naturellement).
Si le condenseur dispose de plusieurs ventilateurs, on obtient un résultat similaire à partir d’une mise en cascade des ventilateurs, via un pressostat à plusieurs étages. Cette fois, la pression de condensation est stable, ce qui évite la formation de bulles de gaz à l’entrée de l’évaporateur.
Remarque : installer la vitesse variable sur les ventilateurs existants peut demander le remplacement du moteur du ventilateur.
Cas particulier
Comme le condenseur est entièrement à l’extérieur, par très basse température, c’est toute la masse métallique qui est à 0°C et, même clapets complètement fermés, le réfrigérant se condense à trop faible pression. Il faut dans ce cas rendre inopérants un certain nombre de tubes.
Pour les rendre inopérants, il suffit de remplir d’office certains tubes avec du réfrigérant liquide. Ce réfrigérant liquide sera sous-refroidi mais la surface d’échange utile du condenseur ayant fortement diminué, il ne pourra en condenser trop. Ce remplissage est obtenu par une vanne à 3 voies fonctionnant automatiquement et branchée sur un réservoir auxiliaire de réfrigérant.
Comme il faut une certaine quantité de liquide pour remplir ces tubes, il y a lieu de prévoir un réservoir et une quantité de réfrigérant suffisamment grande.
| Exemple.
Un climatiseur devant fonctionner pour des températures extérieures inférieures à 17°C doit être équipé d’un ventilateur de condenseur à vitesse variable. La diminution de vitesse du ventilateur est alors commandée par un pressostat ou un thermostat placé sur le condenseur. La puissance d’échange de celui-ci est ainsi maintenue constante quelle que soit la saison. Au minimum, le fonctionnement du ventilateur sera commandé en tout ou rien. Idéalement la vitesse sera modulée, soit en continu, soit par paliers. |
Deuxième amélioration : travailler avec un détendeur électronique
Si le détendeur thermostatique travaille généralement avec une température minimale de condensation de 35°C, le détendeur électronique peut travailler avec une température minimale de condensation de 20°C !
Détendeur électronique.
Il est plus cher à l’investissement, mais ce prix est largement récupéré par l’usage de l’installation.
De plus, la présence d’un détendeur numérique permet d’optimiser la température de condensation en fonction de la charge du compresseur.
| Exemple.
Voici la séquence prévue par un constructeur de régulation : A 100 % de puissance, l’écart « température de condensation – fluide de refroidissement » est choisi à 12 K. A 0 % de puissance, l’écart est de 4 K : la consommation du compresseur est diminuée par la baisse de pression de condensation et le ventilateur adaptera sa vitesse de rotation pour maintenir cette consigne. L’écart n’est pas de 0 K, car les ventilateurs tourneraient tout le temps.
Exemple si la T°ext = 30°C et Travail compresseur = 25 %, la T°condensation = 36°C si la T°ext = 10°C et Travail compresseur = 25 %, la T°condensation = … 20°C car c’est la valeur minimale de condensation. |
Remarque.
Adopter une température minimale de condensation de 20°C suppose que le sous-refroidissement soit suffisamment élevé.
A défaut, la moindre perte de charge sur le tracé va provoquer une vaporisation dans le condenseur (« flash-gaz »). C’est parfois un problème rencontré lorsqu’il faut remonter plusieurs mètres avec la tuyauterie.
Pour s’en prémunir, il est possible de sous-refroidir volontairement le liquide par la création d’une zone de sous-refroidissement dans le condenseur (voir figure), ou en plaçant un échangeur à plaques sur le liquide (à la sortie).
Régulation de la tour de refroidissement d’un condenseur à eau
La tour de refroidissement est commandée suivant la même logique : maintenir constante la température de l’eau de refroidissement du condenseur.
Classiquement, on retrouvera une régulation par vanne 3 voies diviseuse : l’eau de sortie du condenseur est partagée entre l’échangeur de la tour et le retour vers le condenseur. Si ce système permet de conserver le débit constant dans le condenseur (ce qui limite le dépôt de sédiments), il est peu efficace au niveau des ventilateurs : ceux-ci tournent en permanence, quels que soient les besoins de refroidissement. Or le coût de fonctionnement des ventilateurs est loin d’être négligeable…
Aussi est-il préférable de concevoir une installation qui régule d’abord sur le nombre et la vitesse des ventilateurs (ventilateur à 2 vitesses, ou idéalement, ventilateur à vitesse variable), pour ensuite affiner en modulant sur la position de la vanne diviseuse.
N’oublions pas que toute l’installation de climatisation est dimensionnée pour les jours de canicule. Hélas, ces jours sont rares dans nos contrées…! Il est donc facile d’imaginer que les besoins réels moyens seront largement en dessous des puissances de dimensionnement.
Réduire la vitesse du ventilateur de moitié, c’est diviser sa consommation par 8 !
Enfin, tout utilisateur d’une tour de refroidissement qui utilise celle-ci en hiver doit se poser la question de la pertinence de refroidir l’eau glacée sans intervention de la machine frigorifique : c’est la technique du free-chilling.
Placer des compteurs sur l’installation existante
Placer un compteur horaire sur l’installation en prévision de son remplacement futur !
Toutes les installations sont surdimensionnées. Or un camion consomme toujours plus qu’une camionnette… Si l’on sait en plus que le fonctionnement d’un compresseur à faible charge est toujours difficile, il est vraiment utile de mesurer le fonctionnement moyen actuel.
La mise en place d’une installation de puissance adéquate et d’une régulation performante demande de connaître la puissance effective nécessaire en fonction des saisons. Aussi, on placera un simple compteur horaire sur l’alimentation électrique du compresseur pour connaître le temps de fonctionnement et donc la puissance moyenne demandée. Avec quelques relevés lors des opérations de maintenance, le concepteur pourra mieux choisir la nouvelle machine frigorifique, lors du remplacement de la machine actuelle.
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… Mais ce problème est surtout rencontré en secteur industriel. Idéalement, on enregistrera la puissance demandée, en relevant en parallèle la source des apports thermiques.
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.
Améliorer le fonctionnement d’un climatiseur
L’emplacement du thermostat d’ambiance
La température ambiante du local conditionné est régulée au moyen d’un thermostat d’ambiance agissant sur le fonctionnement du compresseur. Le ventilateur de soufflage est soit commandé en même temps que le compresseur, soit fonctionne en continu. Ce deuxième mode de fonctionnement est plus favorable au confort car il entretient un brassage continu de l’air et prévient toute stagnation inconfortable d’air chaud ou froid. Mais il suppose que l’appareil soit de bonne qualité au niveau acoustique.
L’emplacement du thermostat joue un rôle important sur la consommation et sur le confort. Il doit être placé à un endroit représentatif de la température moyenne du local, c’est-à-dire éloigné des sources chaudes ou froides (lampe, fenêtre en été, zone ensoleillée, dans la zone de soufflage de l’appareil, …). Le placer dans le local sera donc préférable que de le placer dans la bouche de reprise.
Dans le cas contraire, il devra être étalonné.
| Exemple.
Le thermostat est placé à l’extrémité d’un bureau, dans la zone d’influence du climatiseur, mais éloigné de la zone d’occupation habituelle. Lorsque celui-ci mesure 28°C, une température de 24°C règne à l’endroit où les personnes se trouvent. Les occupants, croyant agir alors correctement, risquent d’abaisser le thermostat jusqu’à 24°C, entraînant une chute de la température ambiante inconfortable et des surconsommations inutiles. La commande du thermostat doit donc être étalonnée pour être représentative de l’ambiance réelle.
Zones à proscrire pour l’implantation de la sonde de régulation.
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L’emplacement de la commande du thermostat et sa facilité de manipulation jouera un rôle sur la gestion efficace de l’ambiance par l’occupant. Par exemple, si la commande se trouve sur l’évaporateur disposé au plafond, l’occupant ne prendra pas la peine d’ajuster la consigne de température…
La programmation des heures de fonctionnement
Au simple contrôle de la température ambiante doivent s’ajouter, pour assurer un fonctionnement économique, des fonctions de programmation de l’occupation, avec arrêt et reprise éventuellement anticipées de manière intelligente.
À défaut de programmation incorporée à l’appareil, on peut imaginer l’insertion d’une horloge hebdomadaire sur le raccordement électrique de l’équipement afin d’éviter tout usage inutile la nuit et le week-end.
Le réglage de la température de consigne
Consigne compensée en fonction de la température extérieure
En été, si l’air est calme, la zone de confort correspond à une température de l’air comprise entre 23°C et 26°C, pour des occupants en tenue légère de travail.
Idéalement, le climatiseur devrait pouvoir profiter d’une régulation de température de consigne compensée en fonction de la température extérieure. Ce lien, qui est automatisé dans les installations complètes de conditionnement d’air, doit être réalisé manuellement pour les climatiseurs.
Ainsi, un écart de 6°C maximum sera créé, afin de ne pas provoquer de « choc thermique » inconfortable lors de l’entrée dans le local.
Il revient donc à l’occupant consciencieux de modifier manuellement la consigne de température en fonction de la température extérieure. Pour des raisons d’économies d’énergie et de confort, on ne peut maintenir une consigne de température à 22°C, par exemple, si la température extérieure est de 32°C. Dans ce cas la consigne doit être ajustée à 26°C au minimum.
Création ou augmentation de la zone neutre
Si l’appareil est réversible (chaud et froid), il sera très important de réaliser une « zone neutre » de 2 à 3 degrés entre les consignes de chauffage et de refroidissement, afin d’éviter tout pompage de l’installation et de profiter du volant thermique du local.
Ci-contre, un exemple de risque de destruction d’énergie puisque les deux régulations sont indépendantes : le chauffage peut fonctionner et entraîner l’enclenchement du climatiseur situé juste au-dessus de lui.
Régulation par palier plutôt que par « ON-OFF »
La présence d’une cascade sur l’enclenchement des résistances chauffantes, la régulation progressive via par un variateur de puissance (résistance électrique) ou par une vanne (batterie à eau chaude) entraînera un meilleur confort, une stratification de températures plus faible et donc une consommation moindre. De même, une régulation à vitesse variable sur le motocompresseur sera bénéfique.
La diminution de la consommation par chaleur latente
Si +/- 80 % de la puissance frigorifique du climatiseur sert à éliminer la chaleur sensible de l’air (refroidir), de l’ordre de 20 à 25 % de sa consommation sert à l’élimination d’une partie de la chaleur latente (déshumidifier).
En fait, c’est la vapeur d’eau contenue dans l’air qui condense au contact de la batterie froide (température du fluide frigorifique < température de rosée de l’ambiance). La présence d’une conduite d’évacuation des condensats en est la conséquence…
Est-ce nécessaire ?
Le confort thermique de l’homme est peu sensible à l’humidité de l’air, du moins si le taux d’humidité relative reste compris entre 40 et 70 %.
En été, le fonctionnement du climatiseur abaissera le degré d’humidité sous 70 %, ce qui sera donc favorable au confort.
Mais l’abaissement en dessous de 65 % sera coûteux et sans impact supplémentaire sur le confort…
De plus, en hiver, si le climatiseur fonctionne en vue de combattre des apports thermiques d’équipements (ordinateurs, éclairage, … ), il risque d’abaisser le taux d’humidité sous les 40 %, entraînant l’irritation de la gorge ou des yeux. De plus, des niveaux d’humidité relative trop bas peuvent poser des problèmes pour le bon fonctionnement des imprimantes et photocopieuses (électricité statique). Un humidificateur d’appoint sera alors parfois placé !
Est-ce évitable ?
Un appareil dont la taille de l’évaporateur a été réduite au maximum fonctionne avec des températures de fluide frigorifique très basses. Ceci entraîne non seulement une surconsommation électrique, mais aussi une déshumidification encore plus importante de l’air.
Lorsque les apports de chaleur à vaincre proviennent d’équipements, il ne faut donc pas hésiter à surdimensionner l’évaporateur par rapport au condenseur. Par exemple, si les besoins frigorifiques sont de 3,5 kW, on peut choisir un évaporateur de 5 kW.
Cela dit, sur un petit climatiseur existant, il n’est pas possible de modifier le régime de fonctionnement qui est réglé d’usine. On peut seulement y être attentif si on envisage son remplacement (sur base d’une analyse des apports en eau dans le local, d’une analyse de l’importance des condensats sur l’appareil existant et de la mesure de l’humidité de l’ambiance).
Par contre, si l’armoire de climatisation est raccordée à une boucle d’eau glacée, il est possible d’agir en augmentant la température de consigne de l’eau glacée !
La maintenance régulière de l’appareil
La durée de vie du climatiseur est liée à la durée de vie du compresseur.
Il est évident que moins celui-ci travaille en dehors de ses conditions de rendement nominal, plus sa durée de vie sera longue.
Le rendement du compresseur chutera si :
- La consigne de température du local est trop basse par rapport à la température de dimensionnement (24°… 26°).
- Le débit d’air dans l’évaporateur est trop faible, soit parce qu’on a diminué la vitesse du ventilateur pour des questions de bruit, soit parce que les filtres sont encrassés.
Remarquons que la présence de givre sur l’évaporateur (due à une chute de la température du fluide réfrigérant sous 0°C) est un indice d’encrassement des filtres de l’évaporateur.
- Le débit d’air au condenseur est trop faible, principalement à cause de l’encrassement des filtres. Dans ce cas le condenseur ne sait plus évacuer sa chaleur vers l’extérieur, la température du fluide frigorigène augmente et le travail du compresseur aussi.
Remarquons que la performance du condenseur est liée à la température de l’air extérieur. Plus celle-ci sera élevée, moins le condenseur sera efficace. Ainsi lorsque le condenseur est situé sur une toiture sombre, la température de l’air extérieur peut atteindre 40°, tandis qu’à l’ombre elle n’est peut-être que de 30°. Mais ceci doit être pensé lors de la conception.
En résumé, on peut dire que l’encrassement des filtres peut faire chuter l’efficacité frigorifique du climatiseur de 30 … 40 %. Malheureusement, cette perte de puissance ne sera constatée que lors des très grosses chaleurs (moins de 8 jours par an). Le reste de l’année (moins chaude), le climatiseur fournira le confort requis, mais au prix d’une surconsommation et en mettant en péril la vie de l’appareil. On peut estimer que la durée de vie d’un climatiseur chute de plus de 50 % s’il n’a jamais été entretenu.
Ainsi chaque mois, le filtre de l’évaporateur doit être nettoyé. Cette périodicité d’entretien est de une à deux fois par an pour le condenseur, surtout si des arbres (feuilles mortes) sont situés près de l’équipement.
Pour plus d’infos …
| Qualitéle choix d’un climatiseur. | |
| Sur les la maintenance des équipements de climatisation : « maintenance de la climatisation en général« . |
Adapter la consigne d’humidité relative de l’ambiance
Limiter l’humidification en hiver
Le besoin d’humidifier est lié à l’apport d’air neuf hygiénique en hiver : l’air extérieur froid, une fois réchauffé, est un air sec. Généralement, pour assurer un bon confort thermique, il est recommandé de porter l’air à un taux d’humidité relative minimum de 40 %. Cette humidification est énergétiquement coûteuse.
| À titre d’exemple, en passant d’une consigne de 20°C 50 % HR à 20°C 60 % HR, le coût de l’humidification augmente de plus de 60% et le coût total du traitement de l’air est augmenté de 6,5 % si l’eau est froide dans l’humidificateur (chaleur de vaporisation prise sur l’air) et de 11 % si l’humidification est réalisée par un humidificateur électrique à vapeur… |
La première action est de limiter la consigne des sondes d’humidité éventuelles sur des valeurs minimales assurant de confort :
- 40 % HR, si l’humidification est commandée au moyen d’une consigne d’humidité relative dans l’ambiance ou dans la gaine de reprise d’air.
- moins de 40 % HR, si l’humidification est commandée par une sonde installée dans la gaine de pulsion (il faut tenir compte de l’apport en humidité des occupants).
La deuxième action est d’abaisser au maximum en hiver la consigne de point de rosée des groupes de traitement d’air ou installation une correction automatique de cette consigne en fonction de l’humidité ambiante.
| Pour en savoir plus sur la régulation par point de rosée et son optimalisation, |
La troisième action complémentaire des deux premières est de mettre à l’arrêt l’humidification lorsque la température extérieure dépasse 5 .. 8°C.
Le besoin d’humidification n’existe qu’en hiver.
Pour être certain que l’humidification soit stoppée suffisamment tôt, il est possible de commander le fonctionnement de l’humidificateur en fonction de la température extérieure (interrupteur en série). En pratique, le critère « stopper l’humidification si T°ext > 5°C » est simple et efficace. La sonde peut être placée à l’extérieur ou dans la gaine d’air frais. De toute façon, un air extérieur à 5°C est, en Belgique, chargé de 4,5 greau/kgair. Une fois chauffé, il atteint 20°C et 30 % HR (ce qui est temporairement supportable). D’autant que l’apport en eau interne (plantes, occupants,…) portera l’air à 40 % HR.
Un seuil de l’ordre de 8°C peut être choisi si le bâtiment présente très peu d’apport interne en eau et/ou si l’installation travaille en « tout air » neuf (c’est à dire en climatisation « tout air » sans recyclage partiel de l’air extrait).
Cet arrêt peut aussi être décidé manuellement dès la fin des gelées diurnes (vers le début mars).
D’autres avantages à cette mesure
De plus, on se prémunit ainsi :
- D’un dérèglement de la régulation : il arrive, rarement il est vrai, de rencontrer un caisson de traitement d’air où, en mi-saison, l’humidification est combattue par la déshumidification de la batterie de froid …!
- Du fonctionnement sporadique de l’humidificateur (difficulté de régulation des humidificateurs de type « laveur d’air » en mi-saison, avec son cortège de développement bactérien si l’installation n’est pas automatiquement vidangée…
Comme toujours en URE, la mise en place d’une telle mesure doit être progressive : le réglage du seuil de température peut être abaissé progressivement, en étant attentif aux plaintes éventuelles.
À noter :
Il arrive que l’humidificateur tombe en panne … et qu’aucun occupant ne s’en rende compte… !
En quelque sorte, il s’agit là d’un réglage du seuil très, très bas… !
Adapter la consigne en fonction des températures réelles
Si la sonde d’humidité relative est placée dans la gaine de reprise, il est possible (sinon certain) que la température moyenne qui y règne est supérieure à la température de l’ambiance, ce qui va fausser la mesure et augmenter le taux d’humidité ambiant.
Mettons que la reprise (placée dans le faux plafond) aspire de l’air à 25°C alors que l’ambiance est à 22°C. Une consigne réglée sur 50 % HR, va générer en réalité une ambiance à 60 % HR. En effet, la sonde va régler l’humidificateur pour assurer 25°C et 50 % HR, ce qui correspond à l’humidité de 22°C et 60 % HR dans le diagramme de l’air humide…
Il faut donc tenir compte de cette stratification des températures et diminuer la consigne à, par exemple, 34% HR pour avoir une ambiance à 40 % HR.
Adapter une consigne flottante
À défaut de couper l’humidification en fonction d’un seuil de température extérieure, si la régulation actuelle impose un niveau d’humidité fixe de 50 %, il est possible de diminuer la facture énergétique (liée à l’humidification mais aussi à la déshumidification) en laissant « flotter » le niveau de consigne entre 35 et 60 %, sans atténuation du confort dans les locaux.
Ce n’est que pour des cas particuliers bien spécifiques qu’une fourchette plus stricte est nécessaire
- salle d’opération ou de réanimation en milieu hospitalier,
- production industrielle (imprimerie, textile,…),
- musées,
- …
Pour plus d’informations, il sera utile de consulter l’amélioration du fonctionnement de l’humidificateur.
Remplacer le fluide frigorigène d’une installation existante [Climatisation]
Les différentes règlementations ont peu à peu interdit l’utilisation des fluides frigorigènes de type CFC et HCFC (même recyclés).
Le passage vers un HFC (hydrofluorocarbures) peut être assez couteux et implique généralement un changement de certains composants de l’installation (compresseur et détendeur notamment), ainsi qu’un changement de toute l’huile contenue dans l’installation. On recommande donc de faire appel à une société spécialisée qui réalisera une étude précise en fonction de l’installation en présence. Il faudra tenir compte d’une potentielle diminution de puissance frigorifique (et donc du rendement de l’installation) lors de cette étude de faisabilité. On veillera aussi à anticiper les renforcements réglementaires. La réglementation européenne (dite F-gaz) prévoit en effet un retrait progressif des HFC du marché. On aura donc tout intérêt à utiliser un fluide qui ne sera pas trop rapidement retiré du marché !
L’ancien fluide sera récupéré et ensuite détruit ou recyclé, par une société habilitée qui délivrera une attestation.
L’alternative au remplacement du fluide est la réalisation d’une nouvelle installation directement conçue pour des fluides frigorigènes naturels ou à faible pouvoir de réchauffement global (PRG ou Global Warming Potentiel en anglais (GWP)).