Etude des performances énergétiques des appareils en mode actif Evaluation normative des performances des climatiseurs européens

Les procédures normatives d’évaluation des performances des climatiseurs individuels européens de type air/air sont décrites dans la norme internationale ISO 5151 (ISO, 2005) et la norme européenne EN 14511 (CEN, 2004).

Dans ces normes, l’indice de performance d’un appareil en mode refroidissement est un coefficient, l’EER (Energy Efficiency Ratio), défini comme le rapport entre la puissance frigorifique extraite de la pièce (P_f) et la puissance électrique consommée par l’appareil (P_e) (équation (4.1)).

EER= P_f P_e

(4.1) De même, il existe un coefficient semblable pour le mode chauffage, le COP (Coefficient of Performance), défini comme le rapport entre la puissance calorifique délivrée dans la pièce (Pc) et la puissance électrique consommée par l’appareil (Pe) (équation (4.2)).

COP= P_c P_e

(4.2) La puissance électrique moyenne absorbée par l'appareil pendant l'intervalle de temps défini par la norme comprend, la puissance absorbée pour le fonctionnement du compresseur, la puissance absorbée par tous les dispositifs de commande et de sécurité de l'appareil, et la quote-part de puissance des dispositifs (par exemple : ventilateurs, pompes) assurant la circulation des fluides caloporteurs à l'intérieur de l'appareil.

La norme EN 14511 stipule que les puissances calorifiques et frigorifiques peuvent être calculées par la méthode enthalpique⁹⁰ ou par l’utilisation de chambres calorimétriques⁹¹.

90 La puissance totale de refroidissement (ou de chauffage) de l’appareil est déterminée à partir des mesures de la température et de l’humidité à l’entrée et à la sortie de l’unité, et de la mesure du débit d’air traité.

91 Les deux pièces de la cellule-test simulent les environnements intérieurs et extérieurs. La température et l’humidité y sont maintenues constantes par des systèmes calibrés sur lesquels des mesures sont effectuées. La puissance frigorifique (ou calorifique) n’est donc pas mesurée directement : la charge sensible est égale à la capacité de chauffage (ou de refroidissement) du système de compensation, la charge latente est obtenue par mesure de la quantité d’eau condensée.

Les puissances calorifiques et frigorifiques, ainsi que la puissance électrique absorbée, sont mesurées à pleine charge, dans les conditions d’essai standardisées indiquées dans le Tableau 4.1. Les performances ainsi évaluées sont qualifiées de performances nominales.

Tableau 4.1. Conditions d’essais selon la norme EN 14511 (CEN, 2004) pour les climatiseurs air/air.

Échangeur thermique extérieur Échangeur thermique intérieur Température

sèche à l’entrée [°C]

Température humide à l'entrée [°C]

Température sèche à l’entrée [°C]

Température humide à l'entrée [°C]

Mode chauffage 7 6 20 15 max

Mode refroidissement 35 24⁹² 27 19

Evolution des performances en mode refroidissement en fonction des températures intérieures et extérieures

Le coefficient de performance d’une machine frigorifique ditherme réelle (EER_réel) est inférieur à celui d’une machine frigorifique thermodynamiquement idéale (EER_idéal). Comme indiqué par l’équation (4.3), l’efficacité énergétique de l’appareil idéal décroît lorsque la température de la source froide (le local à refroidir) diminue et que celle de la source chaude augmente (l’environnement extérieur). Il en est de même pour les systèmes réels. D’autre part, on constate de façon empirique que plus la température extérieure est élevée, plus la quantité de chaleur pouvant être extraite du local par la machine frigorifique est réduite.

EER_idéal= T_f

T_c−T_f ^(4.3)

Avec : Tf : température de la source froide [K]

Tc : température de la source chaude [K]

L’évolution de l’efficacité et de la puissance à pleine charge en fonction des températures intérieures et extérieures dépend de nombreux paramètres de conception tels que, le type de fluide frigorigène, l’efficacité des échangeurs, ou la courbe de performance du compresseur (le changement des températures entraîne un changement du taux de compression du compresseur). A titre d’exemple, Henderson (2001) a étudié l’évolution des performances à pleine charge de climatiseurs air/air et a déterminé des lois simplifiées en fonction des types de compresseur et de détendeurs. La Figure 4.2 présente ces lois pour deux climatiseurs ayant un même détendeur thermostatique mais deux compresseurs différents (à piston et à spiral) ; l’EER et la puissance frigorifique y sont normalisées aux conditions de test de la norme EN 14511 (Tableau 4.1). Selon cette étude, l’EER et la puissance frigorifique à pleine charge décroissent linéairement lorsque la température extérieure augmente, la pente dépendant des caractéristiques de l’appareil. L’EER est ainsi de 30 à 40 % plus élevé à 20 °C de température extérieure qu’à 35 °C. De même, la puissance frigorifique à pleine charge est de 10 à 20 % plus élevé à 20 °C de température extérieure qu’à 35 °C.

92 Il n’est pas nécessaire de maintenir la condition de température humide pour les appareils qui n’évaporent pas les condensats.

0,8

Puissance frigorifique Compresseur à piston

Compresseur à spirale

b)

Figure 4.2. Exemples d’évolution de l’EER (a) et de la puissance frigorifique (b) en fonction de la température extérieure (température intérieure : 27 °C) et du type de compresseur (Henderson, 2001) Evolution des performances en mode chauffage en fonction de la température extérieure et de l’humidité

De façon générale, en mode chauffage, le COP et la puissance calorifique s’accroissent lorsque la température de la source froide, l’air extérieur, augmente. A l’impact des températures de sources s’ajoute le phénomène de givrage. Selon les caractéristiques de l’appareil et l’humidité contenue dans l’air, le givre peut s’accumuler sur l’échangeur extérieur lorsque la température extérieure devient inférieure à un seuil de température de l’ordre de 3 °C à 7 °C. Un dégivrage est dès lors nécessaire. Il consiste à inverser le trajet du liquide frigorigène dans le circuit de sorte que le gaz chaud fasse fondre la glace au niveau des ailettes de l'évaporateur. Ceci s’accompagne d’une dégradation du COP et de la puissance calorifique pouvant être fournie par l’appareil car l’inversion du cycle implique que la chaleur nécessaire au dégivrage soit prélevée dans le local. Plus l’humidité de l’air est élevée, plus le phénomène de givrage est important et plus les performances s’en trouvent impactées.

A titre d’exemple, la Figure 4.3 présente l’évolution du COP et de la puissance calorifique de 2 pompes à chaleur air/air de petite puissance pour 4 températures extérieures. Ces données proviennent de tests réalisés sur 26 appareils par l’institut national suédois d’essais et de recherche (SP, 2009).

Entre 7 °C et 2 °C, le COP chute de 2 % et 3,8 % par degré Celsius, la puissance frigorifique de 3 % et 6,4 %. La diminution des performances est ensuite plus faible entre 2 °C et -15 °C : 1 % et 0,6 % par degré Celsius pour le COP, 1,3 % et 0,7 % par degré Celsius pour la puissance frigorifique. La chute importante des performances entre 7 °C et 2 °C est due au phénomène de dégivrage.

0,6

Figure 4.3. Exemples d’évolution de COP (a) et de la puissance calorifique (b) en fonction de la température extérieure pour 4 pompes à chaleur air/air (SP, 2009)

Evolution des performances en fonction de la charge thermique à extraire ou à apporter

Afin d’assurer des conditions intérieures confortables aux périodes les plus chaudes, les climatiseurs sont dimensionnés pour pouvoir assurer l’extraction de charges thermiques importantes survenant quelques heures dans l’année. Aussi, pendant l’essentiel du temps de fonctionnement, l’appareil doit extraire des charges thermiques plus faibles et inférieures à sa puissance frigorifique maximale, il fonctionne alors à charge partielle.

Le taux de charge est défini comme le ratio entre la puissance à extraire (ou à apporter) par l’appareil et la puissance frigorifique (ou calorifique) maximale de l’appareil à ce même instant, pour le même jeu de températures de sources. L’évolution des performances en fonction du taux de charge dépend principalement du type de contrôle du compresseur. Les climatiseurs individuels air/air ne comprennent qu’un unique compresseur pouvant fonctionner en Tout Ou Rien (TOR) ou à vitesse variable⁹³.

Impact du taux de charge sur les performances dans le cas d’un fonctionnement du compresseur en mode Tout Ou Rien (TOR)

En mode TOR, le compresseur ne peut fonctionner qu’à une seule vitesse. Lorsque la température du local à refroidir est inférieure ou égale à la limite basse de la zone de consigne, le compresseur s’arrête. Lorsque cette température est supérieure ou égale à la limite haute de la zone de consigne, le compresseur se met en fonctionnement.

Toutes choses égales par ailleurs, ce type de contrôle provoque une détérioration de l’efficacité à charge partielle par rapport au fonctionnement à pleine charge. En effet, au démarrage du compresseur, une partie de la puissance frigorifique est utilisée pour rétablir les conditions de paroi à l’évaporateur et au condenseur, ainsi que l’état thermodynamique du frigorigène réduisant alors la puissance frigorifique disponible. A l’arrêt du compresseur, cette énergie fournie au fluide frigorigène est toujours disponible mais est généralement perdue. D’autre part, les consommations de veilles pendant la période d’arrêt du compresseur ne sont généralement pas négligeables et font tendre l’EER vers zéro lorsque la charge tend vers zéro.

L’évolution de l’EER à charge partielle en fonction du taux de charge peut être modélisée linéairement, comme par exemple dans l’équation (4.4), où Parken et al. (1977) introduisent pour la première fois le coefficient de dégradation à charge partielle (C_d).

EER

EER_Nom 1 C_d 1 TC ^(4.4)

Avec : EER : EER à charge partielle, EER_Nom : EER à pleine charge C_d : coefficient de dégradation à charge partielle

TC : taux de charge

Certains modèles incluent de façon plus précise les pertes dues aux consommations de veille en ajoutant à l’équation précédente une dégradation hyperbolique de l’EER quand le taux de charge s’approche de zéro. Henderson et al. (2000) ont par exemple établi l’équation (4.5) décrivant l’évolution de l’EER en fonction du taux de charge. Cette évolution est tracée Figure 4.4 pour des coefficients C_d et C_c respectivement égaux à 0,2 et 0,025 (ces valeurs sont représentatives des appareils actuels équipés de compresseurs fonctionnant en TOR).

EER EER_Nom

1 C_d 1 TC TC C_C TC 1 C_C

(4.5) Avec : EER : EER à charge partielle, EER_Nom : EER nominal (à pleine charge)

C_d : coefficient de dégradation à charge partielle

C_c : coefficient de dégradation liée aux consommations de veilles (arrêt du compresseur) TC : taux de charge

93 “Inverter driven compressors”.

0

Figure 4.4. Evolution de l’EER en fonction du taux de charge pour un appareil dont le compresseur fonctionne en mode Tout Ou Rien (d’après Henderson et al. (2000))

Impact du taux de charge sur les performances dans le cas d’un compresseur fonctionnant à vitesse variable

Lorsque le compresseur est entraîné par un moteur électrique à vitesse variable, celui-ci fonctionne en permanence en adaptant sa vitesse, et donc le débit de réfrigérant, aux besoins du bâtiment. Ce mode de contrôle permet un usage optimisé des composants (compresseur, échangeurs) et une réduction des consommations d’électricité.

Selon les caractéristiques du compresseur, l’efficacité à charge partielle peut être plus ou moins améliorée par rapport à l’efficacité à pleine charge. Ainsi, des données fournies par des fabricants japonais (JRAIA, 2007) sur le comportement de 4 climatiseurs montrent une amélioration de l’EER, pour un taux de charge de 50 %, comprise entre 32 % et 40 % par rapport à la pleine charge (Tableau 4.2). Cependant, en dessous d’un certain taux de charge, le compresseur ne peut plus s’adapter aux besoins et doit alors fonctionner en Tout Ou Rien.

Tableau 4.2. EER à 50 % et 100 % de charge pour 4 appareils munis de compresseurs à vitesse variable (JRAIA, 2007)

EER50% EER100% Gain d’efficacité à 50 % par rapport à la pleine charge

Climatiseur A 5,1 3,67 + 39 %

Climatiseur B 5,33 3,8 + 40 %

Climatiseur C 4,45 3,37 + 32 %

Climatiseur D 4,43 3,29 + 35 %

Dans le cas d’un compresseur à vitesse variable, une modélisation simplifiée de l’évolution de l’EER en fonction du taux de charge peut consister en une diminution linéaire de l’EER sur la plage de puissance pouvant être couverte par le système à vitesse variable et une courbe de cyclage pour les faibles puissances.

La Figure 4.5 représente cette modélisation simplifiée pour un compresseur qui fonctionnerait à vitesse variable sur une plage de puissance de 40 à 100 % de charge, et aurait un gain

Figure 4.5. Modèle simplifié d’évolution de l’EER en fonction du taux de charge pour un appareil dont le

compresseur fonctionne à vitesse variable.