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La réfrigération est un secteur essentiel de notre vie quotidienne qui représente entre 15 et 20 % de la consommation d’énergie mondiale, selon les données présentées par le projet européen Cool-Save. Elle représente donc une fraction importante des émissions de CO2 émises dans le monde et joue en même temps un rôle essentiel dans le progrès de la société.

Comme dans d’autres secteurs, nous recherchons de plus en plus une amélioration de l’efficacité énergétique dans nos systèmes de réfrigération, afin de réduire nos coûts tout en diminuant notre demande d’énergie et nos émissions de gaz à effet de serre. Pour connaître la performance de notre installation, l’indicateur le plus représentatif est le rendement instantané d’une machine frigorifique ou d’une pompe à chaleur (η), défini comme le quotient entre la puissance frigorifique, ou calorifique dans le cas de la pompe à chaleur (Q), et la puissance électrique du compresseur (Wcomp):

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Lorsqu’il s’agit de l’efficacité d’une machine frigorifique, on parle généralement d’EER (Energy Efficiency Ratio) et dans le cas d’une pompe à chaleur, on parle de COP (Coefficient of Performance).

Il y a deux méthodes pour calculer ce rendement instantané : la méthode directe et la méthode indirecte.

Méthode directe

La méthode directe consiste à collecter les données de fonctionnement correspondant au fluide frigorigène ou réfrigérant qui évolue à l’intérieur de la machine frigorifique ou de la pompe à chaleur.

Pour mieux comprendre cela, il est nécessaire de jeter un coup d’œil au diagramme Pression-Enthalpie du réfrigérant et à l’évolution des enthalpies aux différents points du système de réfrigération ou de la pompe à chaleur :

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Figure 1. Schéma P-H et évolution du fluide frigorigène à l’intérieur d’un circuit frigorifique ou d’une pompe à chaleur.

Comme nous pouvons observer sur le schéma, chaque point correspond à un état du réfrigérant dans le circuit :

  • 1 : Sortie de l’évaporateur et entrée du compresseur.
  • 2 : Sortie du compresseur et entrée du condenseur
  • 3 : Sortie du condenseur et entrée du détendeur
  • 4 : Sortie du détendeur et entrée de l’évaporateur

Comme il peut être constaté, la chaleur spécifique du condenseur (Qcond , [kW/kg]) est égale à la différence d’enthalpie entre les points 2 et 3. De même, la chaleur spécifique de l’évaporateur (Qevap , [kW/kg]) est égale à la différence d’enthalpie entre les points 1 et 4.

Dans l’image ci-dessus, une expansion isoenthalpique a été supposée au niveau du détendeur (3🡪4), par conséquent, l’enthalpie au point 3 est la même qu’au point 4. De plus, il est également supposé que les pertes dans le condenseur et l’évaporateur sont insignifiantes, et la pression au point 2 est la même qu’au point 3, ainsi que la pression au point 4 est la même qu’au point 1.

Pour connaître l’enthalpie du réfrigérant, il est nécessaire de connaître deux propriétés d’état en chaque point. Les deux propriétés les plus faciles à mesurer sont la pression et la température. Elles peuvent être mesurées à l’aide des sondes de température et de pression à l’entrée et à la sortie du compresseur. En outre, si l’on suppose que la pression dans le condenseur ne change pratiquement pas (comme décrit ci-dessus), il suffit d’ajouter une sonde de température supplémentaire à la sortie du condenseur. Un analyseur de réseau est également nécessaire pour chaque compresseur.

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Figure 2 : Schéma d’un système de réfrigération et de l’instrumentation nécessaire au calcul de l’efficacité directe.

Pour calculer la chaleur totale de chauffage et de refroidissement (Qheat [kW] et Qheat [kW]), il est nécessaire de connaître le débit massique du réfrigérant (mref) :

Qheat = mref (h2 – h3), Qcool = mref (h4 – h1)

Il existe plusieurs stratégies pour calculer le débit massique du réfrigérant :

  • Mesure par débitmètre invasif ou non invasif.
  • Effectuer un bilan énergétique du compresseur et supposer des pertes de chaleur pour pouvoir dégager le débit massique ; ou utiliser des débitmètres et des sondes de température pour calculer le refroidissement externe du compresseur et ainsi clôturer le bilan énergétique.
  • Modéliser le débit de réfrigérant en fonction de la courbe pression-volume du compresseur, fournie par le fabricant.
  • Utiliser le logiciel du fabricant pour modéliser le compresseur afin de calculer les pertes de chaleur et ainsi clôturer le bilan énergétique.

Une fois les valeurs ci-dessus soient connues, il est possible de calculer l’efficacité d’une pompe à chaleur (COP) ou d’une machine frigorifique (EER) :

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Les avantages de cette méthode sont les suivants :

  • Il permet d’analyser les performances dans les installations sans circuit externe, telles que les chambres froides, les tunnels gelés, etc.
  • Il permet une meilleure analyse du rendement du compresseur, comme le rendement isentropique.

Et les principaux inconvénients sont :

  • Parfois, il est difficile de calculer le débit du réfrigérant et il faut utiliser des instruments supplémentaires pour le calculer.
  • Il est possible d’appliquer cette méthode à un moment donné de manière simple. Mais pour pouvoir surveiller les performances de manière dynamique, il est nécessaire de modéliser les propriétés thermodynamiques du réfrigérant et d’utiliser des méthodes mathématiques plus complexes.

Actuellement, certains systèmes sont capables de modéliser thermodynamiquement les propriétés du réfrigérant, comme la méthode PilotE2 HVACR d’Articae Smart Technologies. Grâce à cette technologie, il est possible de surveiller les performances des installations de réfrigération.

Méthode indirecte

Cette méthode consiste à prendre des données et des mesures sur les fluides externes. C’est la méthode la plus utilisée et la plus facile à appliquer. Cependant, elle n’est pas plus précise que la méthode directe et présente, parfois, des difficultés dans la collecte des données.

Avec cette méthode, nous allons calculer la différence d’enthalpies entre l’entrée et la sortie du fluide externe de l’évaporateur, dans le cas d’une machine frigorifique ; ou du condenseur, dans le cas d’une pompe à chaleur. En appliquant le bilan énergétique, on obtient :

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Où:

Qcond , Qevap sont la chaleur de chauffage dans le condenseur et la chaleur de refroidissement dans l’évaporateur, respectivement.

He cond , Hs cond , He evap , Hs evap sont les enthalpies d’entrée et de sortie du condenseur, et d’entrée et de sortie de l’évaporateur, respectivement.

Te cond , Ts cond , Te evap , Ts evap sont les températures d’entrée et de sortie du condenseur, et les températures d’entrée et de sortie de l’évaporateur, respectivement.

mf. ext. cond., mf. ext. evap. sont les débits de fluide externes du condenseur et de l’évaporateur, respectivement.

Cef. ext. cond., Cef. ext. evap. sont la chaleur spécifique du fluide externe du condenseur et de l’évaporateur, respectivement.

Pour mesurer les performances d’un circuit simple de réfrigération ou de pompe à chaleur, il est nécessaire d’installer 1 débitmètre et 2 sondes de température pour chaque circuit externe dans le condenseur ou l’évaporateur, et un analyseur de réseau pour chaque compresseur.

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Figure 3 : Schéma d’un système de réfrigération et de l’instrumentation nécessaire au calcul de la performance indirecte.

Les principaux avantages de cette méthode sont les suivants :

  • Facilité d’installation des équipements pour la collecte des données. Ils ne peuvent être obtenus qu’avec des débitmètres de liquide, des sondes de température, des sondes de pression et un analyseur de réseau ou un compteur électrique.
  • Dans le cas de l’utilisation de débitmètres à ultrasons, il est possible d’utiliser cette méthode de manière non invasive pour l’installation.
  • Il s’agit d’une méthode simple, et elle est la plus utilisée pour mesurer les performances.

Cependant, elle présente les inconvénients suivants :

  • Dans les systèmes dont le fluide externe est l’air, les mesures sont très compliquées ou irréalisables. Dans le cas des climatiseurs, il est possible de mesurer le débit d’air à l’aide d’un anémomètre en essayant d’obtenir un débit aussi stable et uniforme que possible dans toute la sortie d’air. Dans le cas de la réfrigération industrielle et commerciale, cela n’est pas possible et il est nécessaire de recourir à la méthode directe.
  • Dans de nombreux cas, pour mesurer la performance globale de l’installation, un seul circuit primaire peut comporter plusieurs échangeurs avec un fluide externe (désurchauffeurs, sous-refroidisseurs, etc.) et il est alors nécessaire d’utiliser un débitmètre et deux sondes de température supplémentaires pour chaque circuit secondaire.

A suivre…