Développement Energétique Durable | Innovation

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1 Développement Energétique Durable | Innovation
   SEMINAIRE – ATELIER DE FORMATION EN EFFICACITE ENERGETIQUE ; Dakar du 24 au 28 Novembre 2014 Module 5: Les équipements de froid industriel et climatisation; sélection des équipements à haute performances énergétiques AZANGUE Willy Brice Ingénieur, Spécialiste en Energétique en Froid et Climatisation Secrétaire exécutif du Programme EEA (CETEF) Responsable Bureau d’Etude & Projet (EFC - Cameroun)

2 MODULE 5: EQUIPEMENTS DE FROID INDUSTRIEL ET CLIMATISATION
SOMMAIRE: OBJECTIFS ET CIBLES FONDEMENTS THEORIQUES; PRINCIPES DE PRODUCTION DE FROID ELEMENTS DE TECHNOLOGIE DU FROID OPTIMISATION DES PARAMETRES DES SYSTEMES DE PRODUCTION DE FROID EN VUE DE L‘UTILISATION RATIONELLE DE L‘ENERGIE (URE) LES SYSTEMES DE CLIMATISATION ET CONDITIONNEMENT D‘AIR E.E DES SYSTEMES CVC DANS LES BATIMENTS CRITERES DE SELECTIONS DES EQUIPEMENTS A HAUTE PERFORMANCES ENERGETIQUES Séminaire EE03

3 Climatisation / conditionnement d’air
OBJECTIFS ET CIBLES Les équipements de production de froid (ou de refroidissement) et leur utilisation QUAND ? OU ? POURQUOI ? COMMENT ? Climatisation / conditionnement d’air Bâtiment résidentiel Confort humain en environnement individuel réduit Contrôle T° + ventilation Climatiseurs individuel (split system, window) Rafraichisseur d’air par humidification Bâtiment tertiaire Confort humain en environnement commun, large et multiple Contrôle T°, HR, QAI, bruit, ventilation : Armoires de clim (monobloc ou bi-bloc); Centrales d’air (détente directe ou eau glacée); systèmes VRV ; Systèmes eau glacée (chiller, pompes, CTA, ventilo-convecteurs); Ventilateurs récupérateur d’énergie; système VMC extraction et apport AN; etc. Séminaire EE03 Santé et applications cliniques Confort humain et maitrise de la qualité hygiénique de l’environnement intérieur Contrôle T°, QAI, bruit, diffusion d’air, déplacement d’air et surpression. CTA (détente directe ou eau glacée); filtration; régulation pression;

4 Climatisation / conditionnement d’air
OBJECTIFS ET CIBLES Les équipements de production de froid (ou de refroidissement) et leur utilisation QUAND ? OU ? POURQUOI ? COMMENT ? Climatisation / conditionnement d’air Environnement sensibles dans le bâtiment Maitrise de l’environnement intérieur pour le bon fonctionnement des équipements et tenue du matériel: Data center, salle télécom, archives, locaux électriques, salle informatique, … Contrôle T°; HR; diffusion; QAI (empoussièrement) Armoires de clim de précision (monobloc ou bi-bloc); Centrales d’air (détente directe ou eau glacée); Maitrise de l’environnement intérieur pour la conduite des processus de production: salle production agro alimentaire, imprimerie, industrie pharmaceutique, chimique, plasturgie … Contrôle T°; HR; diffusion; QAI (empoussièrement, AN) Armoires de clim de précision (monobloc ou bi-bloc); Centrales d’air (détente directe ou eau glacée); Environnement industriel Séminaire EE03

5 Réfrigération Process Commerce Industrie Industrie OBJECTIFS ET CIBLES
Les équipements de production de froid (ou de refroidissement) et leur utilisation QUAND ? OU ? POURQUOI ? COMMENT ? Réfrigération Commerce Industrie Refroidissement des denrées et produits pour conservation Chambres froides; entrepôt frigorifiques; meubles frigorifiques commerciaux; tunnel de réfrigération; machines à glaces, Refroidissement des produits et matières ; Régénération des fluides caloporteurs ; Production de chaleur; Applications diverses Refroidisseurs d’eau glacée; Circuits frigorifiques spécifiques intégrés aux machines (sécheur d’air, machines d’impression industrielle, séchoir, etc.) ; Échangeurs thermiques ; Réseau fluides caloporteurs Process Industrie Séminaire EE03

6 Une extension doit aussi être faite :
OBJECTIFS ET CIBLES Tous les systèmes et équipements sus mentionnés sont fondamentalement munis de machine thermodynamique de production de froid, et dans la quasi-totalité, à compression mécanique. La compréhension du fonctionnement de ces machines est un pas important vers la maitrise des flux d’énergie dans un bâtiment ou une industrie. Une extension doit aussi être faite : Les réseaux de transport des fluides des systèmes et environnement reliés au machines frigorifiques; ex: tuyauterie eau glacée, gaine d’air; pompes et ventilateurs; La conservation d’énergie (positive ou négative) générée par ces machines; ex: isolation thermique, étanchéité, régulation, récupération le transfert d’énergie produite ou rejetée d’un milieu à l’autre par ces machines ; ex: échangeurs thermiques Séminaire EE03

7 MODULE 5: EQUIPEMENTS DE FROID INDUSTRIEL ET CLIMATISATION
SOMMAIRE: OBJECTIFS ET CIBLES FONDEMENTS THEORIQUES; PRINCIPES DE PRODUCTION DE FROID ELEMENTS DE TECHNOLOGIE DU FROID OPTIMISATION DES PARAMETRES DES SYSTEMES DE PRODUCTION DE FROID EN VUE DE L‘UTILISATION RATIONELLE DE L‘ENERGIE (URE) LES SYSTEMES DE CLIMATISATION ET CONDITIONNEMENT D‘AIR E.E DES SYSTEMES CVC DANS LES BATIMENTS CRITERES DE SELECTIONS DES EQUIPEMENTS A HAUTE PERFORMANCES ENERGETIQUES Séminaire EE03

8 FONDEMENTS THEORIQUES; PRINCIPES DE PRODUCTION DE FROID
IDEE DE LA POMPE A CHALEUR TCond Source chaude à Tc (condenseur) QC Tmilieu extérieur QC Système (fluide frigorifique) Travail W (compresseur) W Déplacement de la chaleur Q0 Source froide à Tf (évaporateur) Tmilieu intérieur à refroidir Q0 Tevap Principe de production du froid Séminaire EE03

9 FONDEMENTS THEORIQUES; PRINCIPES DE PRODUCTION DE FROID
Cycle de la machine à compression de vapeur (mono étagé) Formulaire élémentaires sur la machine à compression de vapeur Séminaire EE03 Chaleur dégagée au condenseur  qc = h2 - h5 = (K S ∆θ)échangeur = (qm.C. ∆θ)fluide milieu ext. Quantité de froid produite à l'évaporateur q0 = h1- h5 = (K S ∆θ)échangeur = (qm.C. ∆θ)fluide milieu int. Travail dépensé au compresseur :  wth = h2- h1 Bilan énergétique: qc = q0 + wth Rendement du compresseur ; η est fonction du taux de compression Coefficient de performances ; en général COP≥1 (entre 1 et 2 en réfrigération; entre 2 et 3,5 en climatisation) ; en théorie, on aurait (Carnot)

10 FONDEMENTS THEORIQUES; PRINCIPES DE PRODUCTION DE FROID
Grandeurs caractéristiques de la machine frigorifique régime nominal de fonctionnement: Tc , T0 , (éventuellement Tsurch et TSR) puissance frigorifique Q0 donnée en fg/h ou kJ/kg ou kW ; (1 fg/h = 1 kcal/h) Fonctionnement et performances de la machine frigorifique en équilibre Le cycle réel de fonctionnement d'une machine frigorifique se stabilise à partir des températures du milieu qu'il faut refroidir, de l'air extérieur (milieu extérieur) où la chaleur est rejetée, et des caractéristiques dimensionnelles de l'appareil: la température d'évaporation se stabilisera quelques degrés en dessous de la température du fluide refroidi par l'évaporateur. la température de condensation se stabilisera quelques degrés au-dessus de la température du fluide de refroidissement du condenseur. Séminaire EE03 Evolution permanente des besoins de froid + Variation de la température extérieure toute l'année  modification du taux de compression + variation de la puissance absorbée.

11 FONDEMENTS THEORIQUES; PRINCIPES DE PRODUCTION DE FROID
Fonctionnement et performances de la machine frigorifique en équilibre Evolution des fluides dans l'évaporateur. Séminaire EE03 Evolution des performances d’un compresseur frigorifique en fonction de l’environnement intérieur (T0) et extérieur (Tcond); Extrait d'un catalogue de compresseurs Evolution des fluides dans le condenseur.

12 MODULE 5: EQUIPEMENTS DE FROID INDUSTRIEL ET CLIMATISATION
SOMMAIRE: OBJECTIFS ET CIBLES FONDEMENTS THEORIQUES; PRINCIPES DE PRODUCTION DE FROID ELEMENTS DE TECHNOLOGIE DU FROID OPTIMISATION DES PARAMETRES DES SYSTEMES DE PRODUCTION DE FROID EN VUE DE L‘UTILISATION RATIONELLE DE L‘ENERGIE (URE) LES SYSTEMES DE CLIMATISATION ET CONDITIONNEMENT D‘AIR E.E DES SYSTEMES CVC DANS LES BATIMENTS CRITERES DE SELECTIONS DES EQUIPEMENTS A HAUTE PERFORMANCES ENERGETIQUES Séminaire EE03

13 ELEMENTS DE TECHNOLOGIE DU FROID
Compresseurs Condenseurs Evaporateurs Détendeurs Éléments annexes et régulation COMPRESSEURS (Volumétriques) Type de compression À piston Rotatif (rotary) À spirales (scroll) À vis (screw) Clim. individuelle, Split system Hermétique Réfrigération domestique et commerciale Séminaire EE03 Sémi - Hermétique Accessibilité des composants Ouvert

14 ELEMENTS DE TECHNOLOGIE DU FROID : COMPRESSEURS (Volumétriques)
Type de compresseur Plages de puissance (kW frigorifiques) Régulation adaptée  Compresseur rotatif 10 kW maximum (climatiseurs individuels, petits refroidisseurs d'eau) Variation vitesse de rotation Régulation admission gaz à l'aspiration Association de plusieurs compresseurs  Compresseur scroll de 3 à 40 kW par compresseur (mais possibilité de puissance supérieure par mise en parallèle de compresseurs) Modulation de puissance optimale, par variation de la vitesse de rotation ou par mise en "centrale" . Séminaire EE03

15 ELEMENTS DE TECHNOLOGIE DU FROID: COMPRESSEURS (Volumétriques)
Type de compresseur Plages de puissance (kW frigorifiques) Régulation adaptée À piston Ouvert quelques dizaines de kW à plus de 1 000 kW Etanchéité aux fluides frigorigènes insuffisante aujourd'hui À piston Semi-hermétique De quelques dizaines de kW à quelques centaines de kW compresseur à plusieurs étages ou plusieurs compresseurs en cascade Variation de la vitesse de rotation À piston Hermétique de quelques kW à plusieurs dizaines de kW TOR thermostatique. Tendance actuelle : plusieurs compresseurs en cascade Séminaire EE03

16 ELEMENTS DE TECHNOLOGIE DU FROID: COMPRESSEURS
Type de compresseur Plages de puissance (kW frigorifiques) Régulation adaptée Compresseur à vis de (20) 100 à 1 200 kW Excellente fiabilité et longévité Modulation de puissance par "tiroirs" très souple, de 100 à 10 %, avec une très faible dégradation du COP (au-dessus de 50 %). Compresseur centrifuge (ou turbo-compresseur) de (600) 1 000 à 4 000 kW Modulation de puissance optimale limitée à 35 %, par pré rotation du fluide frigorigène à l'entrée de la roue. Séminaire EE03

17 ELEMENTS DE TECHNOLOGIE DU FROID : CONDENSEURS ET EVAPORATEURS
Comprendre les échangeurs utilisés dans la machine frigorifique Echanger au maximum la chaleur avec son milieu : q = (K.S.∆θ)échangeur = (qm.C. ∆θ)fluide milieu environnant . Cela suppose: Coef. d’échange global K: type d’échangeur, configuration géométrique, matériaux utilisés, vitesse de circulation des fluides, nature des fluides. C’est l’affaire des constructeurs !! Surface d’échange S: taille de l’échangeur. Sélectionné par le concepteur. Attention à la mise en œuvre et installation!! Écarts de température ∆θ: entrée/sortie fluide environnant ou réfrigérant/fluide environnant. Prévu à la conception, vérifié et réglé à l’exploitation. Débit du fluide milieu environnant qm : assuré à l’exploitation; vitesse ventilateur, puissance pompe, conduites de fluide (tuyauterie, gaine), encombrement du voisinage de l’équipement. Nature du fluide environnant (Cp, ρ, λ ): air: abondant et gratuit, peu performant dans l’échange → grandes surfaces et encombrement ou fortes vitesses de circulation Eau (ou liquides): bonnes performances mais son utilisation a un cout Il est possible de jouer avec ces paramètres, S, ∆θ et qm surtout. À condition de rester dans les limites prévues par le constructeur!!! Séminaire EE03

18 ELEMENTS DE TECHNOLOGIE DU FROID: CONDENSEURS ET EVAPORATEURS
À air Contre courant spiralé Séminaire EE03 À eau Multitubulaire Multitubulaire À plaques Évaporatif

19 ELEMENTS DE TECHNOLOGIE DU FROID: DETENDEURS
CAPILLAIRE THERMOSTATIQUE ELECTRONIQUE Pour installations à faible puissance (max. 40 kW froid) et peu variables Séminaire EE03

20 ELEMENTS DE TECHNOLOGIE DU FROID: ORGANES ANNEXES
Assurent: bonne circulation du réfrigérant Bonne circulation d’huile Sécurité de fonctionnement Régulation Exploitation et maintenance Bouteille de liquide Filtre deshydrateur Séparateur d’huile Bouteille d’aspiration (anti coup de liquide) Voyant de liquide Électrovanne Robinets d’arrêt Pressostat (HP, BP, huile) Prises de charge Voyant d’huile Régulateurs de pression (vanne à pression constantes ) Capet anti retour Etc. Séminaire EE03

21 MODULE 5: EQUIPEMENTS DE FROID INDUSTRIEL ET CLIMATISATION
SOMMAIRE: OBJECTIFS ET CIBLES FONDEMENTS THEORIQUES; PRINCIPES DE PRODUCTION DE FROID ELEMENTS DE TECHNOLOGIE DU FROID OPTIMISATION DES PARAMETRES DES SYSTEMES DE PRODUCTION DE FROID EN VUE DE L‘UTILISATION RATIONELLE DE L‘ENERGIE (URE) LES SYSTEMES DE CLIMATISATION ET CONDITIONNEMENT D‘AIR E.E DES SYSTEMES CVC DANS LES BATIMENTS CRITERES DE SELECTIONS DES EQUIPEMENTS A HAUTE PERFORMANCES ENERGETIQUES Séminaire EE03

22 OPTIMISATION DES PARAMETRES DES SYSTEMES DE PRODUCTION DE FROID
Amélioration du rendement de la production frigorifique: Condenseur Abaisser la température de condensation Améliorer la régulation du détendeur Diminuer la consommation des ventilateurs des tours de refroidissement Evaporateur Rehausser la température d'évaporation Compresseur Adapter la puissance de la machine frigo aux besoins réels Supprimer la régulation par injection des gaz chauds Augmenter le seuil de pression de déclenchement du compresseur Améliorer la régulation de la machine frigorifique Remplacement Préparer le remplacement futur de la machine frigorifique Séminaire EE03

23 OPTIMISATION DES PARAMETRES DES SYSTEMES DE PRODUCTION DE FROID
Condenseur : Abaisser la température de condensation : Nettoyer les condenseurs à air Décalcariser les condenseurs à eau Améliorer l’environnement du condenseur (encombrement, aération) Condenseur : Améliorer la régulation du détendeur: Si le détendeur est de type thermostatique : le remplacer par un détendeur électronique ou, à défaut, travailler avec un ventilateur à vitesse variable ou une cascade de ventilateurs Condenseur : Diminuer la consommation des ventilateurs des tours de refroidissement : Modifier la régulation de la tour de refroidissement en arrêtant prioritairement les ventilateurs. 1° de baisse de Tcond → 3% d’économie Séminaire EE03 La puissance d'un ventilateur est proportionnelle au cube de sa vitesse. Réduire la vitesse du ventilateur de moitié, c'est diviser sa consommation par 8 !

24 OPTIMISATION DES PARAMETRES DES SYSTEMES DE PRODUCTION DE FROID
Evaporateur : Rehausser la température d'évaporation Vérifier la qualité de l'échange thermique au niveau de l'évaporateur (encrassement) Utiliser de l’eau glacée moins froide lorsque les besoins du bâtiment le permettent (jusqu’à 15% EE!!) Compresseur : Adapter la puissance de la machine frigo aux besoins réels Fractionner la puissance installée pour adapter la puissance nominale aux besoins du bâtiment: multiplication du zonage par équipement, bilan thermique judicieux, Équipements à compresseurs multiples 1° d’augmentation de Tevap → 3% d’économie Séminaire EE03 Compresseur : Supprimer la régulation par injection des gaz chaud C’est une destruction inutile d’énergie qui est évitée

25 OPTIMISATION DES PARAMETRES DES SYSTEMES DE PRODUCTION DE FROID
Compresseur : Augmenter le seuil de pression de déclenchement du compresseur Si le compresseur déclenche régulièrement par période de forte chaleur, augmenter le seuil de pression de déclenchement du compresseur plutôt que d'augmenter la puissance installée du compresseur : A mettre en place uniquement si le fabricant l'autorise !! Aucun cout d’investissement !!! Séminaire EE03

26 OPTIMISATION DES PARAMETRES DES SYSTEMES DE PRODUCTION DE FROID
Compresseur : Améliorer la régulation de la machine frigorifique Limiter les heures de fonctionnement N’enclencher le groupe de froid que sous un certain seuil de température extérieure Veiller à l'emplacement correct de la sonde extérieure Couper l'alimentation du chauffage des carters pendant la période d'arrêt de la réfrigération Remplacement : Préparer le remplacement futur de la machine frigorifique Compter les heures de fonctionnement de la machine ou des démarrage des compresseurs (placer les compteurs dans les coffrets électriques d’alimentation). Aucun cout d’investissement !!! Séminaire EE03 Calculer la période de fonctionnement annuelle moyenne : Si cette valeur n'est pas d'au moins 15 à 20 minutes, la machine frigorifique est largement surdimensionnée !!!

27 MODULE 5: EQUIPEMENTS DE FROID INDUSTRIEL ET CLIMATISATION
SOMMAIRE: OBJECTIFS ET CIBLES FONDEMENTS THEORIQUES; PRINCIPES DE PRODUCTION DE FROID ELEMENTS DE TECHNOLOGIE DU FROID OPTIMISATION DES PARAMETRES DES SYSTEMES DE PRODUCTION DE FROID EN VUE DE L‘UTILISATION RATIONELLE DE L‘ENERGIE (URE) LES SYSTEMES DE CLIMATISATION ET CONDITIONNEMENT D‘AIR E.E DES SYSTEMES CVC DANS LES BATIMENTS CRITERES DE SELECTIONS DES EQUIPEMENTS A HAUTE PERFORMANCES ENERGETIQUES Séminaire EE03

28 LES SYSTEMES DE CLIMATISATION ET CONDITIONNEMENT D‘AIR
CLASSIFICATION DES CLIMATISEURS (voir document joint) Séminaire EE03

29 OPTIMISATION DES PARAMETRES DES SYSTEMES DE PRODUCTION DE FROID
Les vues synoptiques des systèmes de climatisation et conditionnement d’air : 1. Les systèmes autonomes (à détente directe) 1.1. Le climatiseur individuel 1.2. L'armoire climatisation 1.3. La clim. autonome avec débit ref. variable 1.4. La clim. autonome avec unité de toiture roof-top 2. Les systèmes "tout air" 2.1. La clim. Tt air à débit air constant 2.2. La clim. Tt air à débit variable 3. Les systèmes "air + eau" 3.1. La clim. Air+eau avec ventilo-convecteurs 3.2. La clim. Air+eau avec modules de traitement air 3.3. La clim. Air+eau avec éjecto-convecteurs 3.4. La clim. Air+eau avec plafonds froids 3.5. La clim. Air+eau avec poutres rafraichissantes 3.6. La clim. Air+eau avec pompes à chaleur Séminaire EE03 Très rarement utilisé en Afrique tropicale

30 MODULE 5: EQUIPEMENTS DE FROID INDUSTRIEL ET CLIMATISATION
SOMMAIRE: OBJECTIFS ET CIBLES FONDEMENTS THEORIQUES; PRINCIPES DE PRODUCTION DE FROID ELEMENTS DE TECHNOLOGIE DU FROID OPTIMISATION DES PARAMETRES DES SYSTEMES DE PRODUCTION DE FROID EN VUE DE L‘UTILISATION RATIONELLE DE L‘ENERGIE (URE) LES SYSTEMES DE CLIMATISATION ET CONDITIONNEMENT D‘AIR E.E DES SYSTEMES CVC DANS LES BATIMENTS CRITERES DE SELECTIONS DES EQUIPEMENTS A HAUTE PERFORMANCES ENERGETIQUES Séminaire EE03

31 E.E DES SYSTEMES CVC DANS LES BATIMENTS
Sur le réseau d’eau glacée Réduire le débit d'eau glacée dans l'installation Équilibrer le réseau hydraulique Améliorer la gestion de la circulation d'eau glacée Augmenter la température du réseau d'eau glacée Sur la ventilation et réseau aérauliques Régulation de la température de pulsion Abaisser la température de pulsion de l'air neuf hygiénique Limiter le refroidissement de l'air pulsé en VAV Free cooling Organiser un free cooling mécanique Organiser un free cooling naturel de nuit Réseau aéraulique Équilibrer le réseau Etanchéifier les conduits (gaines d’air) Isoler les conduits Rendement du ventilateur Améliorer le rendement de la transmission Remplacer les ventilateurs en panne par d’autres à meilleur rendement Séminaire EE03

32 E.E DES SYSTEMES CVC DANS LES BATIMENTS
Débits d’air mis en oeuvre En ventilation hygiénique (couramment appelé VMC) Limiter le débit maximum d'air neuf Gérer le ventilateur en f onction des horaires d'occupation Moduler le débit d'air neuf en f onction du taux d'occupation des locaux En climatisation tout air Gérer la pulsion et l'extraction en fonction des horaires d'occupation Gérer les débits d'air neuf Entretenir les filtres Gestion des émetteurs de froid et utilisation de la climatisation dans les locaux: Améliorer l'efficacité ventilo-convecteurs Améliorer la gestion des climatiseurs de locaux Récupération d’énergie, cogénération, association avec les énergies renouvelables exploiter la désurchauffe des refroidisseurs d’eau pour produire simultanément l’eau chaude ; ex : hôtellerie, industrie agro alimentaire. Récupérer l’énergie mécanique disponible pour produire du froid à travers des compresseurs ouverts Nouvelles énergies et intégration globale : ex. Climatiseurs solaires (COP entre 4 et 6!!) ; voir diaporama ci-joint. Séminaire EE03

33 Développement Energétique Durable | Innovation
   MERCI DE VOTRE ATTENTION ! Séminaire EE03 AZANGUE Willy