6.2.1
Groupes de production d’eau glac´ee
La caract´erisation des performances des groupes de production d’eau glac´ee est d´ecrite par la norme [NF 14511], relative aux climatiseurs, pompes `a chaleur et groupes de pro- duction d’eau glac´ee avec compresseur entraˆın´e par un moteur ´electrique. La performance de ces machines frigorifiques est d´etermin´ee par l’efficacit´e frigorifique, not´ee EER (en [kW/kW ]) et d´efinie comme le rapport de la puissance frigorifique totale Pf (en [kW ])
fournie avec la puissance ´electrique absorb´ee Pa (en [kW ]) par l’ensemble de la machine :
EER = Pf
Pa
(6.1)
Si la puissance ´electrique est d´etermin´ee par une simple mesure (cf. paragraphe 6.3), la puissance frigorifique sera d´etermin´ee `a l’aide du d´ebit massique de l’eau cˆot´e ´evapo- rateur ˙me evap (en [kg/s]) et de la diff´erence de temp´erature entre l’entr´ee et la sortie de
l’´evaporateur.
Cette norme d´ecrit ´egalement les grandeurs `a mesurer ou `a imposer `a une machine frigorifique sur le p´erim`etre d’´evaluation que nous avons d´efinit au paragraphe pr´ec´edent (figures 6.9 et 6.10 ) dans le cadre d’une ´evaluation des performances nominales des machines frigorifiques :
– la puissance ´electrique absorb´ee par le groupe frigorifique, Pa [kW ]
– la temp´erature de l’eau glac´ee en entr´ee de l’´evaporateur, Te ee [◦C]
– la temp´erature de l’eau glac´ee en sortie de l’´evaporateur, Te se [◦C]
– le d´ebit massique d’eau cˆot´e ´evaporateur, ˙me evap [kg/s]
puis, s’il s’agit d’un condenseur `a eau, de :
– la temp´erature de l’eau en entr´ee du condenseur, Te ec [◦C]
– la temp´erature de l’eau en sortie du condenseur, Te sc [◦C]
– le d´ebit massique d’eau cˆot´e condenseur, ˙me cond [kg/s]
ou, s’il s’agit d’un condenseur `a air, de :
– le d´ebit massique d’air cˆot´e condenseur, ˙ma cond [kg/s]
– la temp´erature de l’air en entr´ee du condenseur, Ta ec [◦C]
– la temp´erature de l’air en sortie du condenseur, Ta sc [◦C]
Nous pr´ecisons que la puissance ´electrique absorb´ee par un groupe de production d’eau glac´ee est compos´ee des puissances ´electriques absorb´ees par (cf. [NF 14511]) :
– le ou les compresseur(s) du groupe ;
– les dispositifs de commande et de s´ecurit´e de l’appareil ;
– les auxiliaires (pompes et ventilateurs) assurant la circulation des fluides calopor- teurs au condenseur et `a l’´evaporateur (s’ils font partie int´egrante du groupe).
a P se e T ee e T sc a T ec a T evap e m? cond a m?
Groupe de production d’eau glacée à condensation à air
Fig. 6.9 – Grandeurs pour l’´evaluation des performances des groupes de production d’eau glac´ee `a condensation `a air [NF 14511].
a P se e T ee e T sc e T ec e T evap e m? cond e m?
Groupe de production d’eau glacée à condensation à eau
Fig. 6.10 – Grandeurs pour l’´evaluation des performances des groupes de production d’eau glac´ee `a condensation `a eau [NF 14511].
Remarques :
– la puissance calorifique produite par un groupe de production d’eau glac´ee n’est mesur´ee pour la certification des performances ´energ´etiques du groupe que dans le cas o`u il s’agit d’une puissance utile (r´ecup´eration de chaleur).
– nous ne prenons ici en consid´eration que les variables identifi´ees pour la certification des performances ´energ´etiques des machines frigorifiques. Cette norme d´ecrit ´ega- lement des m´ethodes de mesure d’autres caract´eristiques de la machine comme les pertes de charges aux ´echangeurs ou sa puissance acoustique, qui n’ont pas de lien
direct avec les caract´eristiques ´energ´etiques que nous souhaitons d´eterminer dans ce document.
Par ailleurs, l’exp´erience montre que, sur site, les groupes de production d’eau glac´ee fonctionnent `a d´ebit d’eau constant cˆot´e condenseur et ´evaporateur. D’apr`es [NF 14511], sont consid´er´ees constantes des valeurs qui ne varient pas de plus de 5 % autour d’une valeur moyenne. Tous les groupes que nous avons mesur´es (cf. chapitre 7) fonctionnaient `a d´ebit d’eau constant cˆot´e condenseur et seuls deux d’entre eux fonctionnaient avec un d´ebit d’eau variable cˆot´e ´evaporateur. Cependant, la variation de ces d´ebits n’exc´edait pas 10 % par rapport au d´ebit moyen.
Dans le cadre d’essais normalis´es pour la certification des performances des groupes frigorifiques, les mesures sont r´ealis´ees en imposant les d´ebits d’eau. Cela permet principa- lement de donner aux bureaux d’´etudes les informations n´ecessaires au dimensionnement des installations et de pr´eciser les conditions de fonctionnement nominales dans lesquelles les performances sont mesur´ees. Nous verrons dans le chapitre 7 que la mesure d’un point de fonctionnement sur site suffit `a prendre en compte la diff´erence ´eventuelle entre les d´e- bits utilis´es pour la certification des performances nominales du groupe et les d´ebits r´eels sur site. Une fois ce point de fonctionnement connu, comme les d´ebits restent constants durant la phase d’exploitation, ils ne repr´esentent plus des variables `a prendre `a consid´e- ration pour ajuster les consommations d’´energie d’une p´eriode d’´evaluation `a une autre. Nous avons donc d´ecid´e d’exclure la mesure du d´ebit d’eau ou d’air, au condenseur de notre protocole de mesure. Cˆot´e ´evaporateur, la mesure du d´ebit d’eau reste indispensable `a la d´etermination de la puissance frigorifique produite.
Enfin, les variables restantes ne sont pas ind´ependantes entre elles. Le bilan thermique classique sur l’´evaporateur nous donne la relation entre la puissance frigorifique, la diff´e- rence de temp´erature de l’eau en entr´ee et en sortie et le d´ebit d’eau dans l’´evaporateur :
Pf = ˙me evap.Cpe. (Te ee−Te se) (6.2)
De la mˆeme mani`ere, un bilan thermique cˆot´e condenseur nous donne une relation sym´etrique sur la puissance calorifique ´evacu´ee Pc :
Pc = ˙me cond.Cpe. (Te sc−Te ec) (6.3)
ou, s’il s’agit d’un condenseur `a air :
Pc = ˙ma cond.Cpa. (Ta sc−Ta ec) (6.4)
De plus, le bilan thermodynamique du cycle frigorifique donne :
Pc = Pac+ Pf (6.5)
o`u Pac est la puissance absorb´ee par le compresseur.
soit (dans le cas d’un condenseur `a eau) :
Pac+ ˙me evap.Cpe. (Te ee−Te se) = ˙ma cond.Cpa. (Ta sc−Ta ec) (6.6)
Lors de la r´ealisation de mesures sur un groupe production d’eau glac´ee, il est assez difficile d’acc´eder `a la mesure directe de la puissance ´electrique absorb´ee que le seul com- presseur que ce soit dans le cadre de la certification des performances ou davantage encore,
dans le cadre de mesures sur site. La machine ne dispose que d’une seule alimentation pour l’ensemble de ses fonctions, et parvenir `a isoler l’alimentation du compresseur sup- pose des op´erations qui compromettent la validit´e de la certification des performances (la machine frigorifique est mesur´ee comme constituant un seul ´equipement). Nous formulons donc l’hypoth`ese que la puissance ´electrique absorb´ee par le compresseur est une fraction constante de la puissance ´electrique absorb´ee par le groupe frigorifique. De plus, les do- cuments constructeurs nous indiquent que la puissance des auxiliaires n’est qu’une faible fraction de la puissance totale, ce qui minimise l’erreur introduite par notre hypoth`ese.
Sous ces hypoth`eses, l’´equation 6.6 nous donne donc un lien de d´ependance entre les variables ce qui nous permet de supprimer une variable. Notre choix est guid´e par des consid´erations pratiques : par exemple, la mesure de la temp´erature de sortie d’un condenseur `a air ´etant complexe, nous d´ecidons d’´ecarter cette variable.
Au final, en consid´erant les liens de d´ependance entre les grandeurs variables et les grandeurs invariantes sur les machines en fonctionnement sur site, nous ´evaluons la perfor- mance ´energ´etique d’un groupe de production d’eau glac´ee par la mesure de cinq variables list´ees dans le tableau 6.4.
Grandeurs `a mesurer Symbole Unit´e
Puissance ´electrique absorb´ee par le groupe
frigorifique Pac kW
Temp´erature de l’eau en entr´ee de
l’´evaporateur Te ee
◦C
Temp´erature de l’eau en sortie de
l’´evaporateur Te se
◦C
D´ebit massique d’eau dans l’´evaporateur m˙e evap kg/s
Temp´erature de l’eau (resp. de l’air) en
entr´ee du condenseur Te ec (resp. Ta ec) ◦C
Tab.6.4 – Grandeurs `a mesurer pour la caract´erisation des performances d’un groupe de production d’eau glac´ee.
6.2.2
Effets interactifs
Identification des effets interactifs
Dans le cadre du protocole d’´evaluation que nous mettons en place, les effets interac- tifs concernent les effets de la modification d’un groupe de production d’eau glac´ee sur la boucle de refroidissement (cf. tableau 5.2.2).
Cette boucle de refroidissement est ´equip´ee de tours de refroidissement et d’a´eror´efrig´e- rants dont le fonctionnement est ´egalement r´egi par un plan de fonctionnement qui d´ecrit l’ordre et les conditions de leur mise en marche. On peut ´egalement parler de cascade de tours de refroidissement et d’a´eror´efrig´erants. Si la cascade des groupes frigorifiques est ´etablie de mani`ere `a fournir l’eau glac´ee `a la temp´erature souhait´ee pour une puis-
sance frigorifique demand´ee, la cascade des ´equipements de la boucle de refroidissement est ´etablie de mani`ere `a assurer le refroidissement de l’eau `a une temp´erature donn´ee. Les ventilateurs des tours de refroidissement sont donc mis en marche les uns apr`es les autres, tour apr`es tour, jusqu’`a atteindre cette temp´erature de consigne (cf. [ConsoClim, 2002]). Dans le cas, o`u cette temp´erature de consigne n’est pas atteinte, la temp´erature de re- tour sur la boucle de refroidissement se stabilise n´eanmoins `a une temp´erature sup´erieure, fonction de la capacit´e de refroidissement de l’ensemble des tours.
Enfin, nous pouvons noter que les tours de refroidissement humides ouvertes repr´e- sentent pr`es de 80% du parc de refroidisseurs d’eau install´es en Europe ([Rivi`ere, 2004]). Nous nous sommes donc naturellement concentr´es sur la d´etermination des performances de cette cat´egorie de tour de refroidissement. Cependant, la m´ethode que nous utilisons pour d´eterminer les relations explicatives est tout `a fait reproductibles aux autre types de refroidisseurs d’eau.
Grandeurs caract´eristiques des performances des tours de refroidissement ou- vertes
Les essais normalis´es `a mettre en œuvre pour caract´eriser les performances thermiques des tours de refroidissement humide ouvertes sont d´ecrites dans [NF 14705]. Ces essais sont destin´es `a mesurer la capacit´e de refroidissement maximale des tours, qui est atteinte lorsque tous les ventilateurs fonctionnent `a plein r´egime, c’est-`a-dire lorsque le d´ebit d’air qui traverse la tour est maximal.
Ce document ´etablit les grandeurs physiques qui doivent ˆetre d´etermin´ees dans ce but : – la puissance ´electrique absorb´ee, Pat en [kW ] ;
– la temp´erature de l’eau en entr´ee de la tour, Te et en [◦C] ;
– la temp´erature humide de l’air, Tha, [◦C] ;
– la temp´erature de l’eau en sortie de la tour, Ts st en [◦C] ;
– le d´ebit d’eau dans la tour, ˙me et, [kg/s].
Nous pr´ecisons ´egalement que la puissance ´electrique absorb´ee par la tour correspond `a la somme des puissances ´electriques absorb´ees par les ventilateurs.
6.2.3
Besoins d’´energie frigorifique
Afin d’ajuster les consommations d’´energie des groupes de production d’eau glac´ee avant et apr`es am´elioration, nous devons d´eterminer la demande ´energ´etique sur chacune des p´eriodes d’´evaluation. De mˆeme, la d´etermination de la temp´erature humide de l’air (ou de la temp´erature s`eche) est indispensable `a l’ajustement des consommations des tours de refroidissement.
Dans un premier temps, nous avons choisi une d´emarche de mesure syst´ematique. La d´etermination de la demande ´energ´etique et la temp´erature de l’air peut simplement ˆetre r´ealis´ee par la mesure sur chacune des p´eriodes d’´evaluation avant et apr`es am´elioration des variables caract´eristiques de cette demande et de la temp´erature d’air sur toute la p´eriode de r´ef´erence et de suivi.
Comme nous l’avons vu pr´ec´edemment, il s’agit donc de mesurer sur les deux p´eriodes d’´evaluation :
– la puissance frigorifique appel´ee par le r´eseau de distribution ;
– la temp´erature en sortie de l’´evaporateur des groupes de production d’eau glac´ee ; – la temp´erature s`eche de l’air si les groupes de production d’eau glac´ee sont `a conden-
sation `a air ;
– la temp´erature humide de l’air si la boucle de refroidissement est ´equip´ee de tours humides.
Cette mesure peut ˆetre r´ealis´ee avec le mˆeme type de mat´eriel que nous d´ecrivons dans le paragraphe suivant 6.3. Cependant, les installations de production d’eau glac´ee sous contrat d’exploitation sont souvent prises en charge dans le cadre d’un contrat de type « March´e Comptage » (cf. chapitre 1.3). Ces installations sont donc ´equip´ees du mat´eriel permettant de mesurer la consommation d’´energie frigorifique consomm´ee par le bˆatiment sur une p´eriode dite « de rel`eve ». Il est possible de modifier le param´etrage de ces compteurs pour r´ealiser des mesures sur des p´eriodes plus courtes que les p´eriodes de rel`eve contractuelles, et de t´el´erelever les index de consommation heure par heure. En revanche, sans t´el´erel`evement ou sans syst`eme d’enregistrement automatique des index de consommation adapt´e au compteur, il est indispensable de disposer un autre appareil de mesure et d’enregistrement des donn´ees.
Dans ces cas-l`a, il est envisageable d’utiliser les compteurs d’´energie frigorifiques exis- tants au lieu de devoir en disposer de nouveaux. Cela suppose toutefois que les parties du contrat d’exploitation parviennent `a s’accorder sur le d´etournement de cet appareil de mesure pour les besoins du protocole de mesure. En effet, cet appareil de mesure est, `a l’origine, le d´eterminant objectif de la r´emun´eration du contrat d’exploitation et fait, `a ce titre, l’objet de toutes les attentions des parties li´ees par contrat. Il n’est donc pas ´evident que le reparam´etrage de cet appareil soit accept´e facilement.