comportement à charge partielle
10.3 Évaluation énergétique des installations de
climatisation
Avec l’«Outil du froid», SuisseEnergie fournit un outil en ligne gratuit pour l’éva-luation énergétique des installations fri-gorifiques. Il existe également d’autres programmes de calcul (www.froideffi-cace.ch). Ces outils facilitent la planifi-cation d’installations efficientes. Pour l’évaluation des installations de climati-sation, il est nécessaire de connaître plu-sieurs termes de base. En particulier, la norme relative à la ventilation SIA 382/1 (2014) y fait référence. En tant qu’asso-ciation industrielle, Eurovent, p. ex., défi-nit les tests de machines frigorifiques dans des conditions spécifiques.
COP (Coefficient de performance) Pour les machines frigorifiques et les pompes à chaleur, le coefficient de per-formance – c’est-à-dire l’efficience de la machine – est appelé COP. Plus la valeur est élevée, plus la machine frigorifique fonctionne efficacement.
Le COP d’une machine frigorifique (COPFroid) est le rapport entre la puis-sance frigorifique et la puispuis-sance élec-trique utilisée. Le COP d’une pompe à chaleur (COPChaleur) est le rapport entre la puissance thermique et la puissance électrique utilisée.
Energy Efficiency Ratio (EER)
Dans la pratique, on utilise à la fois la dé-signation EER (Energy Efficiency Ratio) et le COPFroid. Les deux termes décrivent le coefficient de performance de la ma-chine frigorifique et peuvent être utilisés comme synonymes. Dans cet ouvrage technique, nous n’utilisons l’EER qu’en relation avec la norme SIA et la définition de l’ESEER.
Coefficient de performance d’une ma-chine frigorifique
Le coefficient de performance idéal de Carnot εC Froid (voir Chap. Principes fon-damentaux, équation 3-1) montre que le coefficient de performance représente
Limites du système EER
Le besoin en électricité des pompes des circuits de froid et intermédiaires selon la norme SIA 382/1 (2014).
1. EER pour les générateurs de froid à air
−
EER + Régulation
Aéroréfrigérant direct Machine frigorifique
Courant de pompe proportionnel
Illustration 10.2: Limites du système pour le calcul de la valeur EER. La demande d’électricité des pompes de l’éva- porateur est à inclure proportionnellement, celle des ventilateurs du circuit de re-refroidissement est à inclure dans sa totalité.
2. EER pour les générateurs de froid à eau sans récupération de chaleur
+
−
EER
Machine frigorifique Courant de pompe proportionnel Aéroréfrigérant Courant de pompe
proportionnel Régulation
Illustration 10.3: Limites du système pour le calcul de la valeur EER d’une installation frigorifique à eau sans utilisa- tion de la chaleur. La demande d’électricité des pompes de l’évaporateur et du condenseur doit être incluse propor-tionnellement.
3. EER pour les générateurs de froid à eau avec récupération de chaleur
+
−
EER
Courant de pompe proportionnel Machine frigorifique
Courant de pompe
proportionnel Régulation
Illustration 10.4: Limites du système pour le calcul de la valeur EER d’une installation frigorifique à eau. La demande d’électricité des pompes de l’évaporateur et du condenseur doit être incluse proportionnellement.
Limites du système EER+
1. EER+ pour les générateurs de froid à air
− Régulation
Aéroréfrigérant direct Machine frigorifique
Courant de pompe
proportionnel EER+
+
Illustration 10.5: Limites du système pour le calcul de la valeur EER+. La demande d’électricité des pompes de l’éva- porateur est à inclure proportionnellement, celle des ventilateurs du circuit de re-refroidissement est à inclure dans sa totalité.
2. EER+ pour les générateurs de froid à eau sans récupération de chaleur
+ Courant de pompe
proportionnel Régulation EER+
Aéroréfrigérant Machine frigorifique
−
Illustration 10.6: Pour les générateurs de froid à eau sans récupération de chaleur, la consommation d’énergie de l’aéroréfrigérant avec les pompes et les ventilateurs doit être incluse dans le calcul de la valeur EER+.
3. EER+ pour les générateurs de froid à eau avec récupération de chaleur
Pour les générateurs de froid à eau avec récupération de chaleur, la norme SIA 382/1 (2014) n’est pas directement applicable et elle ne définit pas de limites de système pour l’EER+ dans ce cas. Cependant, la pratique montre que certains clients ne commandent que des systèmes pour lesquels le planificateur peut spécifier une valeur EER+. Au lieu de renoncer maintenant à l’utilisation sensible de la chaleur – juste pour que la valeur EER+ puisse être vérifiée – il est recommandé de choisir la limite du système indiquée à l’Illustr. 10.7. La base du calcul est l’état de fonctionnement dans lequel aucune chaleur n’est utilisée.
− Régulation
EER+ (Il s'agit d'une recommandation pour la pratique. La norme SIA 382/1 (2014) ne prévoit pas ce cas de figure).
Courant de pompe proportionnel Courant de pompe
proportionnel
Aéroréfrigérant +
Machine frigorifique
Illustration 10.7: Recommandation sur la façon dont la limite du système pour l’EER+ pourrait être judicieusement choisie pour les refroidisseurs à eau avec récupération de chaleur.
Illustration 10.8:
Décalage de la tem-pérature du conden-seur pour le calcul de
la valeur ESEER aux points de charge partielle.
ne correspondent généralement pas aux points de dimensionnement de l’installa-tion frigorifique.
Lors de l’évaluation de la machine frigori-fique seule, c’est-à-dire indépendam-ment du réseau de froid et du circuit de post-refroidissement, la question se pose de savoir comment prendre en compte les puissances électriques des pompes de ces côtés (réseau de froid et circuit de post-refroidissement). Comme les pertes de charge et les flux volumiques dans le réseau de froid et le circuit de post-refroi-dissement sont en partie responsables de la consommation d’énergie, la norme SIA 382/1 (2014) stipule que la consom-mation des pompes est ajoutée dans le rapport des parts de pertes de charge de la machine frigorifique et des échangeurs de chaleur (Illustr. 10.2 à 10.7).
Pour les installations frigorifiques à re-froidissement par eau, l’aéroréfrigérant doit être entièrement inclus dans l’éva-luation de l’efficience. À cet effet, la norme SIA 382/1 (2014) définit le EER étendu avec la désignation EER+. L’EER+ étend la limite du système de telle sorte que toute la consommation d’énergie du système de post-refroidissement est en-tièrement incluse. Les Illustrations 10.2 à 10.7 montrent la distinction entre EER et EER+.
Coefficient de performance saisonnier européen (ESEER)
Le besoin frigorifique dépend générale-ment de la charge externe d’un bâtigénérale-ment et donc de la saison. Cela signifie que la machine frigorifique fonctionne en
charge partielle pendant une grande partie du temps. L’efficience peut être évaluée de manière très précise si l’on additionne et met en relation l’énergie utile totale et l’énergie dépensée totale selon la définition de l’EER pendant une année entière.
Pour réduire l’effort de calcul préalable, l’année est divisée en quatre plages de charge pour le Q˙Froid (100 %, 75 %, 50 %, 25 %). Chaque plage de charge se voit attribuer un facteur de pondération cor-respondant à une durée de fonctionne-ment supposée de la machine frigori-fique pendant un an. La somme des cas de charge pondérés conduit alors à une valeur d’efficience pour l’année entière.
En Europe, cette valeur est appelée ESEER (Coefficient d’efficacité énergé-tique saisonnier européen):
ESEER = 0,03 EER100 % + 0,33 EER75 % + 0,41 EER50 % + 0,23 EER25 %
Équation 10-3 Pour le calcul des charges dans le cas de charge partielle, la température de condensation est également décalée se-lon l’Illustration 10.8.
Remarque: L’ESEER ne s’applique qu’aux installations classiques de climatisation.
Il ne convient pas aux systèmes à forte charge interne (tels que les centres de calcul) ou aux installations utilisant la chaleur. Ces installations ont des durées de fonctionnement complètement diffé-rentes de celles sur lesquelles se base le calcul de l’ESEER (voir Équation 10-3).
Pour le calcul de la consommation de froid ou d’énergie des systèmes simples, une estimation peut être faite sur la base des heures annuelles de pleine charge et du coefficient de performance moyen selon ESEER. Les valeurs indicatives correspondantes pour les heures an-nuelles de pleine charge s’appliquent ici:
– Systèmes plus anciens (souvent un peu surdimensionnés): 600 à 800 heures
25% 50% 75% 100%
Charge Température au condenseur Entrée
Interprétation correcte des coefficients
Avec le COPFroid, l’accent était mis dans le passé sur le point de dimensionne-ment de l’installation frigorifique lors de l’évaluation de l’efficacité énergétique.
Cependant, la pratique montre qu’une installation frigorifique ne travaille à pleine charge que pendant 3 % de son temps de fonctionnement sur une an-née. La plupart du temps – les 97 % res-tants – la machine frigorifique fonctionne à charge partielle. En fonctionnement à charge partielle, les conditions d’envi-ronnement sont totalement différentes (températures, besoin en froid ...) et la machine frigorifique produit souvent plus efficacement qu’au point de dimen-sionnement. Afin de mieux refléter les conditions réelles, deux coefficients ont été introduits, l’ESEER (European SEER) et le SEER, qui visent à refléter le fonc-tionnement réel (charge partielle, tem-pérature extérieure, temps de fonction-nement...) de manière plus pratique.
L’exemple des coefficients pour une ma-chine frigorifique d’une puissance de re-froidissement de 300 kW montre que ces trois valeurs sont sensiblement dif-férentes.
COPFroid 3,3 SEER 7,4 ESEER 8,2
Facteur de gain électrothermique (ETV)
Le post-refroidissement et les pompes du circuit hydraulique doivent être éva-lués séparément en termes d’énergie. Le facteur de gain électrothermique (ETV) peut être utilisé à cette fin. L’ETV résulte du rapport entre la puissance thermique – Installations plus récentes avec des
charges internes plus élevées (limite de refroidissement à environ 10 °C, di-mensionnement plus resserré): 1000 à 1500 heures
– Centres de calcul: 2000 à 4000 heures Au besoin d’énergie de la machine frigo-rifique, il faut ajouter celui de l’aéroréfri-gérant et des pompes. Un pronostic plus précis du besoin d’énergie de l’ensemble d’une installation frigorifique ne peut être réalisé qu’avec une simulation liée à l’objet. Une autre possibilité est d’esti-mer la consommation d’énergie avec l’Outil du froid de SuisseEnergie (www.
froidefficace.ch).
Coefficient de performance saisonnier (SEER)
Le SEER décrit l’efficience d’une ma-chine frigorifique sur l’année. L’efficience de la machine frigorifique est détermi-née pour quatre températures exté-rieures (20, 25, 30 et 35 °C) et les coeffi-cients de performance sont pondérés en fonction des temps de course. Cette mé-thode de calcul est destinée à représen-ter les conditions de fonctionnement de manière pratique.
Coefficient de performance (SCOP) Le SCOP décrit l’efficience d’une pompe à chaleur air-eau en mode chauffage au cours de l’année. L’efficience est déter-minée pour quatre températures exté-rieures (12, 7, 2 et –7 °C) et pour trois zones climatiques (Europe du Sud, cen-trale et du Nord) et pondérée en consé-quence. En Suisse, on utilise les valeurs de la zone climatique d’Europe centrale.
Efficacité de l’aéroréfrigérant et de la distribution d’eau glacée – Valeurs indicatives conformément à la norme SIA 382/1 (2014) ( à pleine charge)
Ventilateurs d’aéroréfrigérant
Pompes
d’aéroréfrigérant
Pompes d’eau glacée
Facteur de gain électrothermique ETV > 28 > 85 > 65 Part de la puissance électrique des
compo-sants dans la puissance de refroidissement
max. 3,6 % max. 1,2 % max. 1,5 %
Illustration 10.9:
Les exigences selon la norme SIA 382/1 (2014) pour les va-leurs ETV des instal-lations d’aéroréfrigé-rant.
À cet égard, une différence de tempéra-ture minimale entre l’évaporation et la condensation ne peut être technique-ment dépassée.
L’efficacité énergétique de la machine fri-gorifique est également influencée par:
– Choix du processus (surchauffe des gaz d’aspiration, sous-refroidisse-ment)
– Choix du système (simple ou double, conception parallèle du circuit frigori-fique, type d’évaporateur)
– Choix des composants (compresseur, échangeur de chaleur, type d’évapora-teur etc.)
La consommation d’énergie des groupes auxiliaires a une influence considérable sur l’efficience globale d’une installation frigorifique. Alors que le coefficient de performance de la machine frigorifique augmente en fonctionnement à charge partielle avec une température de condensation TC plus basse, l’influence proportionnelle de la consommation d’énergie de la pompe augmente.
Dans les installations de climatisation, le traitement de l’air fourni revêt une grande importance sur le plan énergétique. Les conditions climatiques peuvent nécessi-ter une déshumidification de l’air avant qu’il ne soit injecté dans le bâtiment comme air fourni, car il faut éviter la condensation à l’intérieur du bâtiment (p. ex. avec des plafonds rafraîchis-sants). Par conséquent, la déshumidifi-cation par condensation est spécifique-ment déplacée vers l’unité de ventilation centrale. Au cours de ce processus, l’air est refroidi en dessous de sa tempéra-ture de condensation et l’humidité est
«absorbée». Le résultat est un air sec mais froid qui doit être à nouveau chauffé à la température souhaitée. Le proces-sus de déshumidification est très gour-mand en énergie. La machine frigorifique nécessite plus de puissance et doit fonc-tionner à des températures plus basses.
Les exigences relatives à l’air ambiant dans la zone occupée sont précisées dans la norme SIA 382/1 (2014).
convertie et la puissance électrique utili-sée. Pour les aéroréfrigérants, il en ré-sulte les deux formulations ETV:
ηc = εc Froid COPFroid
ETVRefroidissement (Ventilateurs) = Q˙PR PVentilateurs
ETVRefroidissement (Pompes) = Q˙PR PPompes
COPFroid+Chaleur = Q˙Froid + Q˙Chaleur Pél
Q˙ PR Puissance thermique de post- refroidissement en kW
PVentilateurs Puissance électrique de raccorde-ment (puissance terminale) en kW PPompes Puissance électrique de raccorde-ment (puissance terminale) en kW