Choix des tuyauteries des installations frigorifiques

Les conduites d'aspiration

Outre la nécessité de concevoir les conduites d'aspiration de manière correcte par rapport au retour d'huile vers le compresseur, il est nécessaire, dans un souci énergétique :

• de limiter les pertes de charge entre l'évaporateur et le compresseur;
• d'isoler suffisamment.

Limitation des pertes de charge

La figure ci-dessous montre clairement l'influence des pertes de charge sur le fonctionnement du compresseur. En effet, des pertes de charge importantes dans la conduite d'aspiration augmentent le travail de compression du compresseur (le taux de compression HP/BP augmente).

Variation des pertes de charge dans la conduite d'aspiration.

La longueur, les déviations et les changements de niveaux des canalisations influencent les pertes de charge et les retours d'huile au compresseur. Dans cette optique, une judicieuse implantation des moto-compresseurs et condenseurs, par rapport aux chambres froides, doit être étudiée avec soin comme par exemple :

• la proximité du compresseur par rapport à l'évaporateur;
  
  
• si le compresseur ne peut être près des meubles ou des chambres frigorifiques, il est nécessaire de prévoir un tracé des conduites le plus rectiligne possible.

Isolation des conduites

Le manque d'isolation, tout comme les pertes de charge augmente le travail de compresseur pour amener le fluide frigorigène à la pression de condensation.

Cet aspect est d'autant plus important que les conduites sont longues, car plus elles le sont, plus les apports par la canalisation d'aspiration seront importants, et cela nuit au rendement et à la puissance de l'installation.

Influence de l'isolation de la conduite d'aspiration.

Les conduites liquides

Isolation des conduites

Le but premier de l'isolation des conduites et des accessoires de la ligne liquide est d'éviter le "flash gaz" (le liquide sortant du condenseur se vaporise à nouveau au contact de parois chaudes) au niveau du détendeur, dans le cas où le sous-refroidissement à la sortie du condenseur ne serait pas suffisant (sous dimensionnement du condenseur par exemple).

Energétiquement parlant, un sous-refroidissement du fluide frigorigène est bénéfique pour le cycle. Donc, dans le cas où la ligne liquide traverse une zone chaude, on a intérêt à isoler les conduites pour éviter le "flash gaz" et y gagner énergétiquement.

La figure ci-dessous montre clairement l'influence de l'isolation de la ligne liquide sur l'échange frigorifique dans l'évaporateur.

Influence de l'isolation de la conduite liquide.

Cet aspect est de nouveau d'autant plus important que les conduites sont longues, car plus elles le sont, plus les apports par la canalisation liquide seront importants.

Récupération de chaleur sur condenseur de la machine frigorifique

Principe de fonctionnement Application au chauffage du magasin ou des annexes par l'air Application au chauffage du magasin ou des annexes par l'eau Application au chauffage préchauffage de l'eau chaude sanitaire

En bref !

Principe de fonctionnement Une machine frigorifique transfère de la chaleur extraite du bâtiment vers l'extérieur. Il semble dès lors logique de tenter de récupérer la chaleur sur le condenseur de la machine frigorifique. Par la même occasion, on améliore le rendement du groupe de froid en abaissant la température de condensation. Ce n'est valable que si la récupération se fait : Soit à haute température mais uniquement dans la phase de désurchauffe du cycle frigorifique suivi d'une condensation classique à basse température (air externe en période froide par exemple). A ce stade, les températures peuvent être intéressantes (> 70 °C voire plus) mais la quantité d'énergie échangée reste faible;à moyenne température au niveau de la phase de condensation suivi d'une condensation classique à basse température (Chauffage au sol pour des températures de l'ordre de 35-40 °C). Soit à basse température au niveau de la phase de condensation (préchauffage de l'eau chaude sanitaire à des températures de condensation de l'ordre de 20 °C.

Application au chauffage du magasin ou des annexes par l'air Dans le cas de l'utilisation de la chaleur de condensation pour chauffer directement le magasin (cas des meubles frigorifiques avec groupe condenseur incorporé), en période froide, cette technique peut être intéressante. En période chaude, il vaut mieux prévoir une évacuation de cette chaleur dehors (sinon la performance énergétique de la machine froid se dégrade).

Application au chauffage du magasin ou des annexes par l'eau La récupération de la chaleur de condensation pour chauffer de l'eau destinée à alimenter un système de chauffage au sol doit être envisagée avec précaution. En effet, pour fonctionner correctement, le chauffage au sol nécessite une température d'eau de l'ordre de 35 - 40 °C. Si l'on y prend pas garde, les températures de condensation pourraient atteindre les 50-55 °C réduisant la performance du compresseur. Enfin, en terme de confort, la solution du chauffage au sol dans les allées froides pourrait être intéressante sans trop modifier le régime de fonctionnement des meubles frigorifiques (chauffage radiant augmentant les apports externes des meubles).

Application au préchauffage de l'eau chaude sanitaire L'idée est ici de profiter d'un besoin de chauffage d'un fluide à basse température (la température de l'eau de ville varie entre 5° en hiver et 15 °C en été). Mais le système ne fonctionnera bien que lorsque la puissance de récupération nécessaire est supérieure à la puissance fournie par le condenseur. Autrement dit, il faut que les besoins d'eau sanitaire soient très importants par rapport à la puissance de la machine frigorifique; ce n'est pas nécessairement le cas des magasins.

Principe de fonctionnement

Une machine frigorifique transfère de la chaleur extraite d'une chambre froide, d'un meuble frigorifique ouvert, ... vers l'extérieur. Il semble dès lors logique de tenter de récupérer la chaleur sur le condenseur de la machine frigorifique.

Fonctionnement du condenseur

En principe, trois opérations successives se passent dans le condenseur de la machine frigorifique :

Evolution des températures du fluide frigorigène et du fluide de refroidissement.

1. Dans une machine frigorifique, les gaz qui sont expulsés par le compresseur en fin de compression sont à très haute température (de 70 à 80°C). On dit qu'ils sont surchauffés. Comme la condensation se fait à une température largement inférieure (aux alentours de 40°C, par exemple), une quantité de chaleur va devoir être évacuée des gaz surchauffés pour les amener à leur température de condensation qui correspond à la pression de refoulement (dite pression de condensation). C'est la désurchauffe.
   
   
2. Puis lors de la condensation elle-même, une importante quantité de chaleur va aussi devoir être évacuée pour liquéfier (si possible complètement) le fluide frigorigène gazeux.
   
   
3. Enfin, si les conditions des échanges thermiques dans le condenseur le permettent (température du fluide refroidisseur suffisamment basse, débit du médium de refroidissement suffisamment important), le liquide condensé va subir le sous-refroidissement, ce qui améliore le rendement de l'évaporateur.

Récupération de l'énergie

Dans certains cas, on pourrait envisager de récupérer cette énergie pour chauffer de l'eau ou de l'air, au lieu de la gaspiller en pure perte :

• si on a des besoins en eau chaude sanitaire de température pas trop élevée (45° à 50°C);
• si on a des besoins de chauffage pour des allées froides, des locaux contigus, ...
• si on veut éviter ou diminuer la puissance de climatisation du local des machines, ou faire des économies d'énergie sur ce poste;
• si on veut participer à la lutte contre le réchauffement global de l'atmosphère.

La récupération de l'énergie du côté des condenseurs suppose évidemment des investissements supplémentaires par rapport à des machines classiques plus simples :

• des échangeurs de condenseurs adaptés;
• des réservoirs-tampons pour l'eau chaude sanitaire ou de chauffage;
• une disposition plus compliquée des tuyauteries;
• une bonne évaluation des pertes de charge dans les tuyauteries;
• une régulation complète permettant le contrôle correct de toute l'installation, y compris des récupérateurs.

Etant donné les spécificités inhérentes à chaque projet, le rapport entre l'investissement et les économies d'énergie doit faire l'objet de calculs adaptés, à demander aux auteurs de projet. Il faut en effet considérer ensemble la machine frigorifique et les appareils de production d'eau chaude sanitaire ou de chauffage.

Le bilan doit prendre en compte :

• l'apport d'énergie "gratuite" par la machine frigorifique,
• le fait que l'on doit quand même disposer, en plus des récupérateurs, d'une puissance installée suffisante pour pallier les périodes où la machine frigorifique ne fonctionne pas,
• la pénalisation énergétique apportée toute l'année par l'échangeur supplémentaire,
• le cas où le condenseur de la machine frigorifique doit assurer à lui seul, l'évacuation de toute la chaleur (lorsqu'il n'y a pas de besoin d'énergie dans les récupérateurs, ou quand ces derniers sont arrivés à leur consigne maximale de température).

Exemple d'application très intéressante Le plus logique est de récupérer la chaleur sur le condenseur à air pour chauffer directement l'air d'un local. Ainsi, un supermarché Delhaize à Bruxelles évacue la chaleur du condenseur du groupe frigorifique (armoires de congélation) en créant un rideau d'air chaud à l'entrée du magasin. En été, la chaleur est déviée en toiture par un clapet.

Application au chauffage du magasin ou des annexes par l'air

Le moins qu'on puisse dire, c'est que les idées de manquent pas quant à la récupération de la chaleur des condenseurs afin de chauffer l'ambiance des magasins directement ou des annexes indirectement.

La question traditionnelle qui revient dans les discussions est la suivant : "j'ai déjà payé mon électricité pour garder à basse température mes aliments, que puis-je faire de la chaleur des condenseurs ? C'est quand même idiot de la rejeter à l'extérieur en période froide alors que je dois en plus chauffer mon magasin !".

On se propose d'analyser, de manière théorique, différents cas souvent rencontrés dans les magasins d'alimentation, à savoir :

• Des meubles frigorifiques fermés avec le rejet de la chaleur de condensation dans l'ambiance du magasin et un appoint venant d'une chaudière traditionnelle.
  
  
• Des meubles frigorifiques fermés avec le rejet de la chaleur de condensation à l'extérieur du magasin et le chauffage du magasin venant d'une chaudière traditionnelle.
  
  
• Des meubles frigorifiques ouverts avec le rejet de la chaleur de condensation dans l'ambiance du magasin et un appoint venant d'une chaudière traditionnelle.
  
  
• Des meubles frigorifiques ouverts avec le rejet de la chaleur de condensation à l'extérieur du magasin et le chauffage du magasin venant d'une chaudière traditionnelle.

Ici, on analyse les consommations énergétiques finales et primaires ainsi que le bilan CO₂ des différentes configurations en tenant compte des valeurs de rendement et d'efficacité énergétiques des équipements :

• La chaudière présente un rendement saisonnier sur PCI (Pouvoir Calorifique Inférieur) de 0.90 (valeur de la CWaPE ou Commission Wallonne Pour l'Energie).
  
  
• Le rendement global des centrales belges est de 55 % (selon la CWaPe). Dans cet exercices, on se place dans une situation défavorable, à savoir que le rendement moyen belge des centrales (en tenant compte du rendement des centrales nucléaires) est plutôt de 38 %.
  
  
• 1 kWh de gaz consommé représente 251 g de CO_2.
  
  
• Le prix actuel du gaz est estimé à 0.05 €/kWh PCI.
  
  
• Le prix de l'électricité est évalué à 0.11 €/kWh.

Sur base du principe :

"La véritable économie d'énergie est celle que l'on ne consomme pas !"

On ne recommandera jamais assez de fermer les meubles frigorifiques tout en rappelant qu'un meuble de 1 mètre de largeur (1 mètre linénaire) peut être comparé à un radiateur qui échangerait par convection et rayonnement de l'ordre de 800 W et représente les 2/3 de la demande de froid au niveau de l'évaporateur.

Il est sûrement l'heure de rappeler aussi que l'on a atteint le paradoxe de la chaîne alimentaire froide. En effet, on en arrive, depuis un certain temps, à réchauffer les "allées froides" des magasins et ce afin d'assurer le confort des clients.

"C'est une aberration énergétique criante !"

Pour bien illustrer ce petit "coup de gueule", l'étude simplifiée qui suit montre les effets conjugués du succès des meubles frigorifiques d'ouverture de plus en plus imposante avec les effets négatifs qui vont de paire, à savoir :

• le risque accru pour la conservation de la chaîne du froid;
• l'inconfort évident des "allées froides".

Incorfort dans les allées froides.

Les principales valeurs de déperdition thermique du magasin en régime établi sont les suivantes :

• Les déperditions au travers des parois et des entrées du magasin sont de 12 kW.
  
  
• La puissance frigorifique nécessaire pour maintenir à température les denrées en froid positif est de 2 x 8 mètres linéaires (superette par exemple) de meubles linéaires ouverts représentant de l'ordre de 2 x 10 kW de froid à 4°C (température d'évaporation fixée à - 10°C).

Configuration 1 : meubles fermés, condenseurs dans une enceinte isolée

La configuration étudiée est la suivante :

• Si les meubles frigorifiques de 2 x 10 kW sont équipés de portes vitrées au niveau des ouvertures, ils ne nécessitent plus que 2 x 3 kW de froid à l'évaporateur. En effet, sur base de l'étude du bilan thermique des meubles ouverts, les pertes par l'ouverture représentent de l'ordre de 66 % de la puissance disponible à l'évaporateur. En fermant ces ouvertures, la puissance nécessaire à l'évaporateur est de l'ordre de 2 x 3 kW. Pour le besoin du calcul énergétique, les compresseurs de 2 x 10 kW sont remplacés par des compresseurs 2 x 3 kW.
  
  
• Les groupes de froid sont incorporés dans les meubles et la chaleur évacuée par les condenseurs est réintroduite dans le magasin pour assurer le confort des clients (dans les allées froides par exemple). Il est clair que ce type de configuration, comme on le verra par la suite, est la moins mauvaise des solutions par rapport aux consommations énergétiques primaires (consommations à la centrale pour l'électricité et consommations de gaz pour la chaudière).
  
  
• La température de condensation des groupes condenseurs en interne est de l'ordre de 50°C afin de pouvoir chauffer l'air aux environs des 40°C pour une température d'air d'entrée au condenseur de 32°C. Le coefficient de performance du groupe condenseur est de 1.66 d'après un constructeur de machine frigorifique (COP's équivalents donnés par "Bitzer software" de BITZER et "select 6" de COPELAND).
  
  
• La chaudière ne donne pas d'appoint de chaleur car, pour les besoins de l'exercice, on s'arrange pour avoir de faibles déperditions au travers des parois de l'enveloppe par une bonne isolation, un contrôle de la ventilation hygiénique, ...

Schéma

Performance des équipements

Le bilan thermique montre que le rejet de 9,6 kW dans l'ambiance du magasin permet à la chaudière de ne pas être allumée et compenser, non seulement les 6 kW pris par les meubles frigorifiques, mais aussi les 3.6 kW de déperdition au travers des parois. On pourrait dire que c'est du chauffage électrique et, par conséquent, à énergie primaire importante (rendement moyen des centrales électrique de 38 %), la seule différence étant que si on compare ce mode de chauffage par rapport à une pompe à chaleur :

• la source froide (la source d'où provient l'énergie) est chaude puisque dans l'ambiance;
  
  
• à la consommation près du compresseur, l'énergie, "tournant" sur elle même, est utilisée pour refroidir les meubles frigorifiques et, après utilisation, est restituée à l'ambiance;
  
  
• la chaleur de compression excédentaire sert en fait à compenser les déperditions au travers des parois de l'enveloppe.

Bilan énergétique et CO2

Poste		Calcul	Unités
Energie finale (au niveau du magasin)
	Energie chaudière	0	kWh/h
	Energie compresseurs	1.8 x 2 = 5.6	kWh/h
	Energie condenseur	4.8 x 2 = 9.6	kWh/h
	Coût	5.6 x 0.11= 1	€/h
Energie primaire (à la centrale électrique)
	Energie primaire	5.6 / 0.38= 14.7	kWh/h
	CO2	23.1 x 0.251 = 3.7	kg/h de CO2

Configuration 2 : meubles fermés, condenseurs dans l'enceinte

La configuration étudiée est la suivante :

• Si les meubles frigorifiques de 2 x 10 kW sont équipés de portes vitrées au niveau des ouvertures, ils ne nécessitent plus que 2 x 3 kW de froid à l'évaporateur. En effet, sur base de l'étude du bilan thermique des meubles ouverts, les pertes par l'ouverture représentent de l'ordre de 66 % de la puissance disponible à l'évaporateur. En fermant ces ouvertures, la puissance nécessaire à l'évaporateur est de l'ordre de 2 x 3 kW. Pour le besoin du calcul énergétique, les compresseurs de 2 x 10 kW sont remplacés par des compresseurs 2 x 3 kW.
  
  
• Les groupes de froid sont incorporés dans les meubles et la chaleur évacuée par les condenseurs est réintroduite dans le magasin pour assurer le confort des clients (dans les allées froides par exemple). Il est clair que ce type de configuration, comme on le verra par la suite, est la moins mauvaise des solutions par rapport aux consommations énergétiques primaires (consommations à la centrale pour l'électricité et consommations de gaz pour la chaudière).
  
  
• La température de condensation des groupes condenseurs en interne est de l'ordre de 50°C afin de pouvoir chauffer l'air aux environs des 40°C pour une température d'air d'entrée au condenseur de 32°C. Le coefficient de performance du groupe condenseur est de 1.66 d'après un constructeur de machine frigorifique (COP's équivalents donnés par "Bitzer software" de BITZER et "select 6" de COPELAND);
  
  
• Un appoint de chaleur est nécessaire vu que l'enveloppe est moins performante que lors du cas précédent; c'est la chaudière qui le donne.

Schéma

Performance des équipements

Le bilan thermique montre que malgré le rejet de 9,2 kW dans l'ambiance du magasin, la chaudière doit apporter 8,8 kW pour maintenir un certain confort dans le magasin et compenser les déperditions de 12 kW au travers des parois et la perte de chaleur vers les meubles frigorifiques fermés (soit 6 kW).

Bilan énergétique et CO₂

Poste		Calcul	Unités
Energie finale (au niveau du magasin)
	Energie chaudière	8.4/0.9 = 9.3	kWh/h
	Energie compresseurs	1.8 x 2 = 5.6	kWh/h
	Energie condenseur	4.8 x 2 = 9.6	kWh/h
	Coût	8.4 x 0.05 + 5.6 x 0.11= 1	€/h
Energie primaire (à la centrale électrique)
	Energie primaire	8.4 + 5.6 / 0.38= 23.1	kWh/h
	CO2	23.1 x 0.251 = 5.8	kg/h de CO2

Configuration 3 : meubles fermés, condenseurs à l'extérieur

La configuration étudiée est la suivante :

• On garde les mêmes meubles frigorifiques avec des portes fermées.
  
  
• Les groupes de froid (groupes condenseurs) sont placés à l'extérieur.
  
  
• La température de condensation des groupes condenseurs en externe est de l'ordre de 22 °C pour un air externe moyenne sur l'année de 6 °C. Le coefficient de performance du groupe condenseur en externe est de 4.2 d'après le même constructeur de compresseur.
  
  
• Un appoint de chaleur est nécessaire. C'est toujours la chaudière qui le donne.

Schéma

Performance des équipements

Le bilan thermique montre que, vu la bonne performance des compresseurs pour une température de condensation basse (COP de l'ordre de 4.2), les rejets de chaleur à l'extérieur sont limités. La chaudière doit apporter 16 kW pour maintenir un certain confort dans le magasin et compenser les déperditions de 12 kW au travers des parois et la perte de chaleur vers les meubles frigorifiques fermés (soit 6 kW).

Bilan énergétique et CO₂

Poste		Calcul	Unités
Energie finale (au niveau du magasin)
	Energie chaudière	18/0.9 = 20	kWh/h
	Energie compresseurs	0.7 x 2 = 1.4	kWh/h
	Energie condenseur	3.7 x 2 = 7.4	kWh/h
	Coût	20 x 0.05 + 1.4 x 0.11= 1.2	€/h
Energie primaire (à la centrale électrique)
	Energie primaire	20 + 1.4 / 0.38= 23.7	kWh/h
	CO2	23.7 x 0.251 = 5.9	kg/h de CO2

Configuration 4 : meubles ouverts, condenseurs dans l'enceinte

La configuration étudiée est la suivante :

• Le commerçant décide d'investir dans des meubles frigorifiques ouverts pour les mêmes produits et la même capacité en volume. Il est nécessaire de remplacer aussi les compresseurs dans le sens où les apports externes par induction de l'air au travers de l'ouverture des meubles peuvent atteindre 60 % des apports totaux. Ce qui signifie que la puissance nécessaire à l'évaporateur sera de l'ordre de 2 x 10 kW au lieu de 2 x 3 kW.
  
  
• Les groupes de froid (groupes condenseurs) sont dans l'enceinte du magasin afin que l'on puisse récupérer la chaleur au niveau des condenseurs.
  
  
• La température de condensation des groupes condenseurs en interne est de l'ordre de 50°C afin de pouvoir chauffer l'air aux environs des 40°C pour une température d'air d'entrée au condenseur de 32°C. Le coefficient de performance du groupe condenseur est de 1.66 d'après un constructeur de machine frigorifique.

Schéma

Performance des équipements

Le bilan thermique montre que les compresseurs, vu leur performance médiocre (COP de 1.7), doivent évacuer plus de chaleur au niveau des condenseurs. Il en résulte que la chaudière, dans ce cas, n'a pas besoin de venir en appoint. La question clef est de savoir s'il faut récupérer la chaleur au prix de la dégradation de la performance énergétique des compresseurs ou l'inverse.

Bilan énergétique et CO2

Poste		Calcul	Unités
Energie finale (au niveau du magasin)
	Energie chaudière	0	kWh/h
	Energie compresseurs	6 x 2 = 12	kWh/h
	Energie condenseur	16 x 2 = 32	kWh/h
	Coût	0 x 0.05 + 12 x 0.11= 1.32	€/h
Energie primaire (à la centrale électrique)
	Energie primaire	0 + 12 / 0.38= 31.6	kWh/h
	CO2	31.6 x 0.251 = 7.9	kg/h de CO2

Configuration 5 : meubles ouverts, condenseurs à l'extérieur

La configuration étudiée est la suivante :

• On garde les mêmes meubles frigorifiques ouverts (2 x 10 kW).
  
  
• Les groupes de froid (groupes condenseurs) sont placés à l'extérieur.
  
  
• La température de condensation des groupes condenseurs en externe est de l'ordre de 22°C pour un air externe moyenne sur l'année de 6°C. Le coefficient de performance du groupe condenseur en externe est de 4.2 d'après le même constructeur de compresseur.
  
  
• Un appoint de chaleur est nécessaire. C'est toujours la chaudière qui le donne.

Schéma

Performance des équipements

Le bilan thermique montre que, vu la bonne performance des compresseurs pour une température de condensation basse (COP de l'ordre de 4.2), les rejets de chaleur à l'extérieur sont limités. La chaudière doit apporter 32 kW pour maintenir un certain confort dans le magasin et compenser les déperditions de 12 kW au travers des parois et la perte de chaleur vers les meubles frigorifiques ouverts (soit 20 kW).

Bilan énergétique et CO₂

Poste		Calcul	Unités
Energie finale (au niveau du magasin)
	Energie chaudière	32/0.9 = 35.6	kWh/h
	Energie compresseurs	2.4 x 2 = 4.8	kWh/h
	Energie condenseur	12.4 x 2 = 24.8	kWh/h
	Coût	35.6 x 0.05 + 4.8 x 0.11= 2.3	€/h
Energie primaire (à la centrale électrique)
	Energie primaire	35.6+ 4.8 / 0.38= 48.2	kWh/h
	CO2	48.2 x 0.251 = 12.1	kg/h de CO2

Conclusions

Tableau comparatif

Configuration	Energie finale consommée chaudière [kWh/h]	Energie finale électrique consommée [kWh/h]	Energie primaire consommée [kWh/h]	Coût de l'énergie [€/h]	kg/h de CO2	Rejet de CO2
Configuration 1	0	5.6	14.7	0.6	3.7	0
Configuration 2	9.3	5.6	23.1	1	5.8	+57%
Configuration 3	20	1.4	23.7	1.2	5.9	+59%
Configuration 4	0	12	31.6	1.32	7.9	+ 113 %
Configuration 5	35.6	4.8	48.2	2.3	12.1	+ 227 %

Choix des meubles frigorifiques fermés

La toute première conclusion à tirer est qu'il faut choisir des meubles frigorifiques fermés quel que soit le type de denrée exposé. A ce sujet, au risque de passer pour des doux rêveurs, c'est possible de choisir des meubles tant en "froid positif" qu'en "froid négatif"avec des portes sans trop de risque pour que le chiffre d'affaire tombe en chute libre.

Récupération faible par rapport aux besoins de chaleur

C'est le cas des configurations 1 et 2.

Le tableau comparatif précédent permet de tirer des conclusions :

• En période froide, l'impact de la récupération de chaleur au niveau des condenseurs sur le bilan énergétique est mitigé par rapport à la solution où les groupes de condensation (compresseur et condenseur) sont placés à l'extérieur permettant, par l'air de refroidissement externe, d'optimiser le cycle frigorifique (COP de 4.2).
  
  
• Le principe d'abaisser la température de condensation reste de toute façon immuable.

Récupération importante par rapport aux besoins de chaleur

C'est la cas des configurations 3 et 4.

Le tableau comparatif précédent permet de tirer des conclusions :

• En période froide, même si la performance énergétique des compresseurs est dégradée (COP de 1.66), par le fait que la température de condensation (le condenseur se trouve à l'intérieur) est élevée, il est intéressant de récupérer l'énergie de condensation. L'optimum se situe naturellement lorsque la chaleur rejetée par les condenseurs équivaut aux déperditions des parois de l'enveloppe du commerce.
  
  
• En plus de récupérer la chaleur, on aura donc intérêt à limiter au maximum les déperditions de l'enveloppe qu'elles soient sous forme :
• d'une meilleure isolation;
• d'un meilleur contrôle des infiltrations au niveau des portes d'entrée et des réserves;
• d'une gestion efficace de la ventilation de l'air hygiénique.

Exemple

Delhaize, par exemple, a mis au point un système similaire à celui représenté sur les figures ci-dessous permettant de récupérer la chaleur en période froide mais dégradant la performance de la machine frigorifique.

Là où le bas blesse, lorsque les condenseurs sont incorporés aux meubles frigorifiques ou dans l'enceinte même du magasin, c'est que lorsque les déperditions au travers des parois s'inversent (période chaude, apport solaire important, ...), il est nécessaire d'évacuer la chaleur des condenseurs à l'extérieur. Dans le cadre d'une installation de récupération de chaleur sur un condenseur à air, il n'est pas aisé de le réaliser.

Schéma de principe en période froide (récupération); source : Delhaize.

Schéma de principe en période chaude (pas de récupération); source : Delhaize.

Remarques

La plupart des cas présentés ci-dessus, sont issus de cas réellement observés. Malheureusement, aucun monitoring des consommations n'est disponible à l'heure actuelle. A va de soi que le placement d'une batterie de chauffe au dessus de la tête des clients dans l'allée froide n'est pas un bon principe mais est juste utilisé comme moyen de provocation, d'interprétation ou de réaction des lecteurs. Ce principe donne les avantages et inconvénients suivants :

(+) simple; modulable; ... (-) nécessite des vitesses d'air plus importantes afin d'amener l'air chaud à environ 1.5 m du sol pour assurer un certain confort thermique des clients; augmente l'induction de l'air chaud au niveau du rideau d'air car le mouvement de l'air dans cette zone est amplifié; ...

Application au chauffage du magasin ou des annexes par l'eau

Beaucoup de techniciens dans l'âme se retrouveront dans les configurations qui suivent sachant que tout un chacun recherche à récupérer un maximum d'énergie sur les consommations des groupes frigorifiques. De manière générale, il n'y a pas de solution miracle mais des solutions innovantes efficaces dans certaines conditions.

Récupération de la chaleur de refroidissement des gaz chauds du fluide frigorigène (CO2 pour chauffage au sol).

Configuration 1 : chauffage par air pulsé au pied des meubles

Cette configuration existe dans certains magasins Delhaize et est en cours de monitoring.

Elle se compose essentiellement :

• D'un ballon de 1 000 litres constituant un condenseur à eau dont le secondaire est branché sur le collecteur principal de la chaufferie. Le primaire est en série avec le condenseur à air classique situé sur le toit du magasin.
  
  
• Le condenseur à eau, via le collecteur de chauffage, alimente une batterie chaude de la centrale de traitement d'air.
  
  
• La pulsion de l'air chaud s'effectue au niveau du pied du meuble frigorifique, assurant un certain confort au niveau de l'allée froide.
  
  
• La reprise d'air de la centrale de traitement d'air se situe en hauteur.
  
  
• La température d'air de pulsion au pied du meuble frigorifique peut être modulée en fonction de la température de reprise et de la température de l'air neuf nécessaire à la ventilation hygiénique.

En période froide :

• Le condenseur à eau réchauffe l'eau du ballon.
  
  
• Le condenseur à air assure la condensation résiduelle et même un certain sous-refroidissement (ce qui permet d'améliorer la performance de la machine frigorifique).
  
  
• La batterie chaude de la CTA (Centrale de Traitement d'Air) réchauffe l'air neuf mélangé à l'air de reprise pour la pulser au pied des meubles frigorifiques. Attention que le fait de pulser cet air à proximité des rideaux d'air des meubles pourrait augmenter les apports par induction du meuble.

En période chaude :

• En principe, on ne devrait plus réchauffer l'air de pulsion au pied des meubles. En pratique, il se fait que l'ouverture des meubles étant de plus en plus importante, le refroidissement de l'air ambiant est véritablement présent et inconfortable pour les clients; d'où la tendance actuelle à réchauffer l'air même en été.

"Voilà un bon exemple de destruction d'énergie à grande échelle!"

• Le condenseur à air assure l'évacuation de la chaleur de condensation.

Schéma

Régime en période froide.

Régime en période chaude.

Configuration 2 : Chauffage par le sol dans les allées froides

Cette configuration est à creuser. Toutes les réalisations ou idées à ce sujet sont les bienvenues.

Elle se composerait essentiellement :

• D'un ballon constituant un condenseur à eau dont le secondaire est branché sur le collecteur principal de la chaufferie. Le primaire est en série avec le condenseur à air classique situé sur le toit du magasin.
  
  
• Le condenseur à eau, via le collecteur de chauffage, alimente un réseau de chauffage au sol au niveau de l'allée froide.
  
  
• D'une chaudière d'appoint raccordée sur le collecteur principal.

En période froide :

• Le condenseur à eau réchauffe l'eau du ballon.
  
  
• Le condenseur à air assure la condensation résiduelle et même un certain sous-refroidissement (ce qui permet d'améliorer la performance de la machine frigorifique).
  
  
• Le réseau de chauffage au sol assure un chauffage rayonnant dans l'allée froide. Cette configuration peut être intéressante dans le sens où la chaleur rayonnant devrait influencer moins les meubles frigorifiques qui sont principalement sensibles aux apports par induction d'air (mélange convectif entre l'air de l'ambiance et celui du rideau d'air du meuble).

En période chaude :

• Le condenseur à air assurerait l'évacuation de la chaleur de condensation.

Schéma

Régime en période froide.

Régime en période froide.

Intérêt ou pas du chauffage au sol

Parmi les avantages et les inconvénients du chauffage par le sol en association avec les meubles frigorifiques positifs ouverts en position verticale, on pointera principalement :

(+) Le chauffage au sol apporte principalement de la chaleur par rayonnement. Or en froid positif, les principaux apports qui influencent prioritairement le bilan thermique et énergétique du meuble sont les apports par induction(mélange de l'air ambiant avec celui du rideau d'air froid). De plus, l'échange entre deux parois étant maximal lorsque celles-ci sont parallèles, les apports de chaleur dus au chauffage au sol seraient plus faibles. Le confort devrait être optimal. Les températures de condensation, pour ce type de chauffage, pourraient être basses. ... (-) La mise en oeuvre d'un chauffage au sol est coûteuse. Comme les magasins demandent une certaine flexibilité dans l'agencement des meubles frigorifiques, le chauffage au sol est un frein par rapport à cette flexibilité. Cependant, à la conception, il est possible par une bonne programmation de déterminer les emplacements dans les zones de vente où les meubles n'ont pratiquement aucune chance de bouger. De plus, il faut aussi tenir compte que les évacuations des condensats de dégivrage des meubles ainsi que les conduites liquides et gaz du circuit frigorifique sont souvent, eux aussi, figés voire encastrés dans le sol.

Application au préchauffage de l'eau chaude sanitaire

L'idée est ici de profiter d'un besoin de chauffage d'un fluide à basse température (la température de l'eau de ville varie entre 5° en hiver et 15°C en été. Mais le système ne fonctionnera bien que lorsque la puissance de récupération nécessaire est supérieure à la puissance fournie par le condenseur. Autrement dit, il faut que les besoins d'eau sanitaire soient très importants par rapport à la puissance de la machine frigorifique.

Ainsi, dans les commerces où le froid alimentaire est nécessaire, les besoins d'eau chaude sanitaire peuvent être importants et une récupération de chaleur au condenseur se justifie tout à fait. Mais un ballon de préchauffage est propice au développement de la légionelle.

Il faut donc s'assurer que l'eau séjournera durant un temps suffisamment long dans le dernier ballon : 60°C durant 30 minutes ou 70°C durant 4 minutes, par exemple (en cas de débit de pointe, de l'eau "contaminée" risque de traverser seulement le 2ème ballon).

Configuration 1 : Un échangeur thermique parcouru par le fluide frigorigène est inséré au bas d'un ballon d'eau chaude

Dans le système ci-contre, un simple échangeur thermique (placé en série et en amont du condenseur normal) est inséré au bas d'un ballon d'eau chaude. Par effet de cheminée, la chaleur sera donnée à la zone la plus froide du ballon puis communiquée à l'ensemble du réservoir. On parle de condenseur-désurchauffeur parce que la désurchauffe des gaz provenant du compresseur auront lieu dans cet échangeur.

La réglementation impose le principe selon lequel il ne doit pas y avoir de contact possible entre le fluide frigorigène et l'eau potable. En cas de perforation de l'enveloppe du fluide, la détérioration éventuelle doit se manifester à l'extérieur du dispositif.

Dans l'échangeur ci-dessus, une double paroi de sécurité est prévue selon DIN 1988.

Configuration 2 : Un ballon intermédiaire à double échange est intégré comme interface

On peut également prévoir un système à double échange :

Deux échangeurs sont intégrés dans un même ballon (1). Le premier échangeur est celui du condenseur de la machine frigorifique, le deuxième est le serpentin de préchauffage de l'eau chaude sanitaire.

Dans ce ballon intermédiaire, il n'y a aucun risque de dépôt calcaire puisque l'eau n'est jamais renouvelée.

En cas de fuite de fluide frigorigène, la pression dans le ballon augmente et une alarme est déclenchée.

Un deuxième condenseur en série est nécessaire pour le cas où le besoin de chauffage de l'eau sanitaire serait insuffisant.

Configuration 3 : en présence d'une boucle de distribution

Le régulateur de température de départ de la boucle utilise l'appoint lorsque le niveau de température du ballon est insuffisant.

Un tel schéma (contrairement au précédent) risque cependant d'être propice au développement de légionelles, puisque le ballon de récupération peut être à une température inférieure à 60°C durant un temps assez long. Il n'est pas à recommander si des douches sont présentes dans l'installation.

Le choix d'un fluide frigorigène

Il existe différents types de fluides frigorigènes sur le marché. En voici les critères de choix :

L'impact environnemental L'impact énergétique (ou qualité thermodynamique) La sécurité d'usage Les contraintes techniques Le coût Les choix actuels des constructeurs Les tendances futures Le CO2 comme fluide réfrigérant ou caloporteur

En bref !

L’impact environnemental En froid alimentaire, l'utilisation courante des fluides frigorigènes CFC (R11, R12 et R502) a été proscrite, car ils avaient le pouvoir de détruire la couche d'ozone et de renforcer l'effet de serre. Seul le R22 (HCFC) est encore toléré en Wallonie (jusqu'en 2007) mais est interdit dans les nouvelles installations en région bruxelloise. Depuis 1990 est apparue une nouvelle famille : les HFC, fluides purement fluorés, dont le R-134a et R-404A sont les plus connus. Malgré tout, ce genre de fluides frigorigènes n'est pas idéal par rapport à l'ammoniac ou le propane/butane sur le plan de l'environnement. Néanmoins, on se rend compte qu'en froid alimentaire, ces deux derniers sont dangereux (toxicité, inflammabilité).

L’impact énergétique (ou qualité thermodynamique) Par ses propriétés thermodynamiques, le fluide frigorigène influence la consommation énergétique de la machine frigorifique. On constate que l'ammoniac, le R-404A et le R-134a présentent une performance énergétique meilleure. Vu sa toxicité l'ammoniac est à éviter en bâtiment. Reste à l'heure actuelle le R-134a mais il demande des investissements plus conséquents (compresseur et tuyauterie plus imposants).

La sécurité d’usage L'impact sur l'environnement est une chose, mais il est nécessaire de tenir compte aussi de l'influence des fluides frigorigènes sur la santé des occupants (toxicité, risque d'inflammation, action biologique, ...). La norme NBN EN 378-1 donne une idée précise de l'évaluation des risques liés à l'utilisation de ces fluides.

Les contraintes techniques Une des contraintes fort importantes est le couple formé par le fluide frigorigène et l'huile de lubrification. L'élimination des fluides frigorigènes chlorés, bonne chose pour l'ozone stratosphérique, en est une mauvaise pour la lubrification, le chlore étant bénéfique à la présence du film d'huile. L'emploi d'additifs divers dans les huiles a dû y suppléer…

Le coût Le coût du fluide frigorigène rapporté à celui de l'installation se situe entre 1 et 3 %, ce qui reste faible. Attention que les coûts indirects liés au choix du fluide (dispositifs de sécurité, équipements électriques antidéflagrants, conception étanche du local technique,...) sont sans doute plus déterminants.

Les choix actuels des constructeurs Dans le secteur tertiaire, le R-22 est encore largement utilisé. Pour les systèmes de petite puissance jusqu'à 100 kW, les centrales en froid alimentaire fonctionnent avec des compresseurs alternatifs à pistons et des compresseurs Scroll seuls ou en groupes en cascade. Jusqu'à présent, ces systèmes fonctionnaient essentiellement avec du R-22. Dans cette série d'applications, le R-22 est remplacé par un grand nombre de fluides : l'ammoniac, le R134-a, R-407C, le R-410A ou le R-404A. Pour les groupes dont la puissance varie entre 100 kW et 1 MW, il s'agit de compresseurs à vis qui fonctionnent essentiellement avec du R-22. Les mêmes choix que précédemment s'appliquent. Pour les groupes refroidisseurs d'eau de grande puissance fonctionnant avec des compresseurs centrifuges, les développements en Europe se sont fait essentiellement avec du R-134a. Cette solution sera vraisemblablement pérennisée à l'avenir."

Les tendances futures Elles peuvent se résumer comme suit : Utilisation malgré tout des produits toxiques et inflammables (ammoniac, butane/proprane) mais éloignés dans des locaux techniques appropriés avec transfert de la charge caloporteuse vers l'utilisation par un circuit secondaire (eau glycolée, CO2 par exemple). Développement de circuit frigorifique au CO2. Confinement et réduction de la charge du fluide réfrigérant plus important (jusqu'à 80 %).

Le CO2 comme fluide réfrigérant ou caloporteur Le CO2 (R 744) revient à la charge ses derniers temps comme fluide frigorigène. Autrefois remplacé par les CFC, HCFC, HFC, il doit son retour : À son faible impact sur l'environnement (ODP = 0, GWP = 1) par rapport aux autres fluides frigorigènes utilisés actuellement (jusqu'à 3 800 fois moins d'impact sur l'environnement que les HFC). À l'avancée des technologies dans le domaine de la réfrigération et de la climatisation. En effet, le problème du confinement des gaz sous haute pression semble partiellement résolu grâce, et c'est paradoxal, à la maîtrise de la climatisation dans les véhicules.

L'impact environnemental

Destruction de la couche d'ozone

Depuis 1985, on a pris conscience du rôle de destruction de l'ozone stratosphérique par les molécules chlorées. Le potentiel de destruction de l'ozone stratosphérique est mesuré par sa valeur ODP (ozone depletion potential), conventionnellement rapporté au R-11.

Les fluides frigorigènes qui couvraient alors 90 % du marché étaient le R-11, le R12, le R-22 et le R-502. Les 10 % restants correspondaient à l'utilisation de l'ammoniac, principalement dans les industries agroalimentaires (source : ADEME France).

Suite au Protocole de Montréal, trois d'entre eux sont interdits depuis 1995 : le R-11, le R12 et le R-502. Ce sont les CFC.

Les HCFC, dont tout particulièrement le R-22 utilisé en froid commercial, sont provisoirement tolérés en Région Wallonne mais leur interdiction se rapproche (probablement 2007). Ils sont interdits en Région Bruxelloise pour toute nouvelle installation, sauf si pour une application bien précise il n'y a pas d'autres possibilités (interdiction réalisée par l'IBGE via le Permis d'Environnement, donc applicable aux installations de plus de 10 kW électrique ou de 2kg de réfrigérant).

Depuis 1990 est apparue une nouvelle famille : les HFC, fluides purement fluorés, dont le R-134a est le plus connu.

Pour plus de détails sur la réglementation en matière de fluide frigorigène : cliquez ici !

Renforcement de l'effet de serre

Au sommet de Kyoto, c'est la contribution à l'effet de serre des fluides qui est cette fois mise en cause ! Si le Protocole de Kyoto n'impose pas l'arrêt de ces nouvelles HFC, toute substance chimique présentant un GWP élevé (Global Warming Potential ou potentiel de réchauffement global) est considérée comme nocive pour l'environnement. Une des options est de ne pas l'utiliser.

Les réglementations à venir créent donc des incertitudes à moyen terme quant à l'utilisation des fluides frigorigènes actuels si leur GWP est élevé.

Le choix parmi les fluides frigorigènes

Reprenons les différents fluides en fonction de leur impact environnemental dans le tableau ci-dessous. Ce tableau met bien en évidence le fait que les HFC sont en sursis. Et pourtant, il semble peu probable qu'à l'échelle mondiale, les HFC puissent disparaître rapidement, suite aux contraintes de sécurité associées au propane et au butane (inflammabilité) et à l'ammoniac (toxicité).

Et parce qu'aucune molécule chimique simple présentant l'ensemble des caractéristiques souhaitables n'est actuellement disponible.

	ODP (/R-11)	GWP (kg éq. de CO2)		ODP (/R-11)	GWP (kg éq. de CO2)
CFC (interdits)			Mélanges de HCFC
R-11	1	4 000	R-404A	0	3 260
R-12	0,8	8 500	R-407C	0	1 530
R-502	0,2	5 490	R-410A	0	1 730
HCFC (toléré)			Mélanges à base R-22
R-22	0,04	1 700	R-408A	0,7	2 650
HFC (corps purs)
R-134a	0	1 300	Propane / Butane	0	20
R-125	0	2 800	Ammoniac	0	<1>
R-143a	0	3 800	CO2	0	1

Remarque : certains imaginent qu'à défaut de trouver le gaz parfait, on pourrait produire le froid dans des machines frigorifiques très compactes (donc contenant peu de fluide), puis transférer le froid par des caloporteurs (eau glycolée, CO₂,.). Dans ce cas, le problème du fluide ou de sa sécurité est moins crucial.

L'impact énergétique (ou qualité thermodynamique)

Par ses propriétés thermodynamiques, le fluide frigorigène influence la consommation énergétique de la machine frigorifique. Pour illustrer ce point, nous reprenons ci-dessous les résultats d'une étude comparative entre 5 fluides différents, utilisés dans une même machine, avec les mêmes conditions de fonctionnement.

Source : ADEME, "le froid efficace dans l'industrie". Dans chaque cas, l'objectif est de produire une puissance frigorifique de 100 kW. NH3 R-134a R22 propane R-404A Puissance effective sur l'arbre [kW] 30,7 30,9 32,1 33,1 35,1 Coefficient de performance frigorifique 3,26 3,24 3,12 3,03 2,85 Débit volumique balayé dans le compresseur [m³/h] 239 392 224 250 217 Débit volumique de liquide frigorigène [m³/h] 0,53 1,91 1,75 2,42 2,70 Température de refoulement de la compression réelle adiabatique [°C] 156 60 87 63 59 Hypothèses de l'étude Cycle à compression monoétagée; Température d'évaporation : - 15°C; Surchauffe à la sortie de l'évaporateur : 5 K; Surchauffe à l'entrée du compresseur : 10 K; Température de condensation : 30 °C; Sous-refroidissement en sortie de condenseur : 5 K Taux d'espace mort du compresseur : 3 %. Analyse Les températures de refoulement de la compression indiquée sont légèrement plus élevées qu'en réalité parce que le compresseur est placé dans une situation de non-échange avec l'extérieur (adiabatique). Par exemple, le compresseur réel à l'ammoniac qui échangerait 1/10 de sa puissance sur l'arbre aurait une température au refoulement d'environ 142°C. On constate que le groupe au R-404A consomme 14 % de plus que le groupe à l'ammoniac. La machine équipée de propane n'est pas très performante non plus. Le R-134a est très performant sur le plan énergétique. Par contre, le débit volumique balayé par le compresseur est nettement plus élevé, ce qui va augmenter la taille du compresseur et des conduites d'aspiration (coût d'investissement plus élevé). L'ammoniac présente un très faible débit volumique de liquide frigorigène et donc un faible diamètre de la conduite de liquide. Reprenons les chiffres du COP frigorifique en partant d'une référence 100 pour le R-22 : NH3 R-134a R22 propane R-404A Coefficient de performance frigorifique 3,26 3,24 3,12 3,03 2,85 Si le R-22 est pris en référence 100 : 105 104 100 97 91 Des résultats similaires ressortent d'une autre étude relatée par l'ASHRAE, avec comme différence notable un coefficient 99 pour le R-404A. Il faut dire que ce genre d'étude est fonction des options choisies : prendre la même machine frigorifique et changer juste le fluide, ou optimiser tous les composants en fonction des caractéristiques de chaque fluide pour produire la même puissance ? Cette deuxième étude fournit les coefficients pour d'autres fluides : R-410A : 99 R-407C : 95 A noter que les débits demandés par le R-407C sont, à 1 % près, identiques à celui du R-22 : il a justement été conçu comme fluide de remplacement. Il est malheureusement zéotrope et présente donc un glissement de température lors du changement d'état (un "glide") de 7,2 °C, ce qui lui fait perdre 5 % de rendement énergétique. Conclusion L'ammoniac et le R-134a présentent une performance énergétique meilleure, mais cet avantage n'est pas suffisant que pour conclure sur ce seul critère.

La sécurité d'usage

De nombreuses études poussées sont en cours sur les aspects :

• toxicité (par inhalation);
• action biologique (cancers, malformations des nouveaux-nés);
• action sur les denrées entreposées en chambre froide;
• inflammabilité.

Certains critères sont facilement quantifiables

• par la concentration limite d'exposition (exprimée en ppm);
• par la limite inférieure d'inflammabilité (concentration, en volume, dans l'air sous la pression atmosphérique).

Ce qui a permis de définir un code sécurité (Standard 34 Safety Group) :

	NH3	R-134a	R22	propane	butane	R-407C	R-404A	R-410A
Conc. limite d'exposition (ppm)	25	1 000	1 000	2 500	800	1 000	1 000	1 000
limite inf. d'inflammabilité (%)	14,8	-	-	2,3	1,9	-	-	-
Code sécurité	B2	A1	A1	A3	A3	A1	A1	A1

La toxicité de l'ammoniac et l'inflammabilité des hydrocarbures entraînent des mesures de sécurité toutes particulières pour leur usage.

La norme NBN EN 378-1 traitant des Systèmes de réfrigération et pompes à chaleur - Exigences de sécurité et d'environnement - Partie 1: Exigences de base, définitions, classification et critères de choix est une norme utilisée plutôt pour la conception, la fabrication, l'installation, le fonctionnement et la maintenance des installations frigorifiques. Cependant, elle nous donne aussi une idée précise dans l'évaluation des risques liés à l'utilisation de ces fluides.

Les contraintes techniques

Elles sont nombreuses (niveaux de pression requis, comportement du fluide en présence d'eau, viscosité et donc tendance à fuir de l'enceinte, commodité de détection d'une fuite) et vont influencer l'efficacité et la fiabilité de l'installation.

Une des contraintes fort importantes est le couple formé par le fluide frigorigène et l'huile de lubrification.

De l'huile est nécessaire au bon fonctionnement du compresseur. Un séparateur d'huile est prévu à la sortie du compresseur, mais son efficacité n'est jamais totale. Et la petite quantité d'huile entraînée par le fluide risque de se déposer au fond de l'évaporateur (basse température et faible vitesse). L'échange thermique est diminué et, à terme, l'huile risque de manquer au compresseur. Si autrefois la miscibilité entre le fluide CFC et les huiles minérales était très bonne (le fluide "entraînait" avec lui une certaine dose d'huile assurant une lubrification permanente), il faut aujourd'hui adopter des huiles polyolesters, plus coûteuses, très sensibles à la présence d'eau, et dont on doit vérifier la compatibilité avec les différents matériaux en contact (métaux, joints élastomères, vernis moteur,.).

L'élimination des fluides frigorigènes chlorés, bonne chose pour l'ozone stratosphérique, en est une mauvaise pour la lubrification, le chlore étant bénéfique à la présence du film d'huile. L'emploi d'additifs divers dans les huiles a dû y suppléer.

Le coût

Le prix au Kg du frigorigène est très différent selon qu'il s'agit d'un fluide simple, comme l'ammoniac, ou d'un fluide plus récent et plus complexe comme un mélange de HFC.

Par exemple, le kg de réfrigérant R22 est en dessous des 2,5 €. Par contre, le 404A est à plus de 12,5 €/kg chez le frigoriste. Il est donc vendu plus de 25 € du kg au client. Mais le coût du fluide frigorigène rapporté à celui de l'installation se situe entre 1 et 3 %, ce qui reste faible. Et les coûts indirects liés au choix du fluide (dispositifs de sécurité, équipements électriques anti-déflagrant, conception étanche du local technique,...) seront sans doute plus déterminants.

Les choix actuels des constructeurs

Nous reprenons ci-dessous des extraits de l'exposé de Mr. Clodic aux journées techniques de l'ADEME, Paris le 23/09/99 (Mr Clodic est professeur à l'Ecole des Mines de Paris et sa compétence est reconnue dans ce domaine).

Même s'il s'agit de l'évolution en France et que la présentation déborde des équipements liés à l'HVAC, elle apparaît significative de l'évolution du secteur.

Le froid commercial

"Le froid commercial recouvre une grande variété d'équipements. Les petits équipements avec compresseurs intégrés (les petits présentoirs, les machines à glace, les refroidisseurs de bières, les distributeurs de boissons) ont des composants proches de ceux utilisés en froid domestique. Le fluide principalement utilisé est le R-134a mais dans certains pays, en particulier la Grande-Bretagne, apparaissent des équipements fonctionnant avec des fluides inflammables.

Pour les installations de petite et moyenne puissances, se situant entre 1 et 10 kW frigorifique, le froid est produit par des unités de condensation. Ce sont des plates-formes comprenant un ou plusieurs compresseurs associés à un condenseur à air et produisant du froid pour un ou plusieurs équipements frigorifiques (petites chambres froides, présentoirs de vente). Ces unités typiques du froid dans les commerces alimentaires (boucheries, charcuteries, boulangeries, pâtisseries), utilisent à l'heure actuelle soit le R-134a, soit le R-404A.

Dans les supermarchés, le R-502 a été dans un premier temps remplacé par des mélanges de transition à base de R-22 comme le R-402A ou le R-408A, et dans les installations neuves il est remplacé par le R-404A. Le R-22 est encore présent dans les installations en froid positif et il sera remplacé, souvent pour des raisons d'homogénéité d'utilisation de fluides, par du R-404A. Dans certains cas, le R-134a peut être aussi utilisé."

Selon Mme Buddaert de l'UBF (Union Belge du Froid), il semblerait que la tendance actuelle aille vers l'utilisation du R134a (qui remplace le R12) pour les chambres positives ( de à ~ 4°C ) et vers le R404a ou le R507 (qui remplacent le R502) pour les chambres négatives (- 10°C-> ~ - 25°C).

Les transports frigorifiques

"Les fluides principalement utilisés étaient le R-12, le R-22 et le R-502. A l'heure actuelle, le R-404A est présent dans la plupart des systèmes, à l'exception des conteneurs frigorifiques qui fonctionnent essentiellement avec du R-134a. Des systèmes fonctionnant avec du R-410A sont aussi proposés.

La Marine marchande a choisi, pour des raisons évidentes de maintenance dans les différents ports du monde, le R-410A".

Les procédés agro-alimentaires et les autres procédés industriels

"Les deux fluides principalement utilisés sont l'ammoniac et le R-22. Dans un pays comme la France, ces deux fluides se partageaient presque à part égale le nombre d'installations avec un complément d'utilisation pour le R-502. Compte tenu de la durée de vie très longue de ces installations et que l'interdiction d'utilisation du R22 ne commençait qu'à partir de l'an 2000, la situation n'a pas profondément évolué. Une double évolution est prévisible, d'une part un accroissement de l'utilisation de l'ammoniac lorsque les surcoûts seront considérés comme acceptables, d'autre part un passage au R-404A pour les installations qui fonctionnaient usuellement avec du R-22.

Selon la sensibilité environnementale, les choix des différents pays européens seront différenciés."

A titre d'exemple, en climatisation, le constructeur Carrier a choisi des réfrigérants différents selon trois niveaux de puissance distincts : Le R410a pour les petites unités, jusqu'à +- 15 kW Le R407c pour les machines jusqu'à 300 kW Le R134a pour les machines au-dessus de 300 kW.

Les tendances futures

Reprenons ci-dessous des extraits de l'exposé de Mr. Clodic, professeur à l'Ecole des Mines de Paris, aux journées techniques de l'ADEME, Paris le 23/09/99 :

"Autant la réglementation associée au Protocole de Montréal s'est traduite par un calendrier rapide d'arrêt de production des CFC et des HCFC, autant il semble peu probable qu'à l'échelle mondiale les HFC puissent disparaître rapidement.

Ceci est dû à la fois aux contraintes de sécurité associées à l'utilisation des hydrocarbures ou de l'ammoniac, et au fait qu'aucune molécule chimique simple présentant l'ensemble des caractéristiques souhaitables n'est actuellement disponible".

Elargissement de l'utilisation des fluides toxiques et inflammables

Rationnellement, les fluides inflammables peuvent être utilisés dans deux types d'application :

1. Dans les applications industrielles où l'utilisation de tels fluides est acceptable du point de vue de la sécurité et n'implique pas de surcoût important. C'est essentiellement le cas dans les raffineries d'hydrocarbures mais aussi dans certaines installations de génie chimique.
   
   
2. Dans les utilisations où les charges de fluide frigorigène sont très faibles. Selon les pays, cette notion de charge très faible sera certainement fort variable. Dans tous les cas, le surcoût pour une utilisation sûre des fluides frigorigènes inflammables doit rester limité tant que la concurrence ouverte avec les HFC existe.

En dehors de ces deux cas, une option pour les fluides dangereux est le développement de systèmes indirects où le système frigorifique est confiné dans une salle des machines et la fraîcheur est transférée au milieu à refroidir par un circuit à caloporteur (eau glacée, .) . L'acceptabilité sociale de telles salles des machines varie d'un pays à l'autre et reste largement à vérifier.

L'ammoniac, fluide toxique, est accepté dans les systèmes industriels, car le personnel est prévenu et entraîné pour éviter les effets de panique. Par contre, dans les utilisations commerciales, il ne semble pas plausible de considérer l'évacuation des clients comme une norme de comportement.

Développement de nouvelles molécules et de nouveaux mélanges

Le fluide frigorigène idéal n'existe pas, puisqu'il réside une contradiction profonde entre l'utilisation de molécules à très faible durée atmosphérique et le fait que ces molécules ne soient ni toxiques, ni inflammables. En effet, plus une molécule contient d'hydrogène, plus elle a de facilité à se décomposer vite dans l'atmosphère (ceci est en particulier dû à l'affinité du radical hydroxyle (-OH) et l'hydrogène), et plus le nombre d'atomes d'hydrogène dans une molécule est grand, plus elle est inflammable.

Il existe un nouveau créneau en génie chimique pour le développement de mélanges ou de corps purs qui ne soient ni toxiques, ni inflammables et dont le GWP soit faible. Le R-32 fait déjà l'objet de recherches attentives puisqu'il est le seul HFC dont le GWP est significativement inférieur à 1 000. Il est modérément inflammable et plusieurs sociétés japonaises étudient son utilisation aussi bien en corps pur qu'en mélange.

Des familles de fluides comme les fluoréthers sont à l'étude, mais peu de candidats semblent émerger.

Réduction drastique de la charge et confinement du fluide frigorigène

Les progrès les plus spectaculaires et les plus immédiats peuvent être accomplis par la réduction drastique des charges de HFC et dans l'obtention d'un très haut niveau de confinement afin de limiter leur impact sur l'effet de serre additionnel. Selon les applications, il est possible de limiter la charge jusqu'à plus de 80 %.

De nouvelles voies s'ouvrent pour le développement des systèmes de condensation à eau qui permettent à la fois une réduction de la charge de fluide frigorigène et un très faible accroissement de la consommation d'énergie, voire même une amélioration de l'efficacité énergétique comme dans l'utilisation des condenseurs adiabatiques.

Enfin, il est possible, par la décentralisation relative des systèmes de production de froid, de limiter la charge et d'améliorer l'efficacité énergétique. L'évolution des quantités annuelles de HFC constituera la vérification que la réduction des charges, le confinement et la récupération constituent une politique d'utilisation acceptable des fluides à GWP élevé." (fin de citation).

Le CO2 comme fluide réfrigérant ou caloporteur

Le grand retour ?

Le CO₂ (R 744) revient à la charge ses derniers temps comme fluide frigorigène. Autrefois remplacé par les CFC, HCFC, HFC, il doit son retour :

• À son faible impact sur l'environnement (ODP = 0, GWP = 1) par rapport aux autres fluides frigorigènes utilisés actuellement (jusqu'à 3 800 fois moins d'impact sur l'environnement que les HFC).
  
  
• À l'avancée des technologies dans le domaine de la réfrigération et de la climatisation. En effet, le problème du confinement des gaz sous haute pression semble partiellement résolu grâce, et c'est paradoxal, à la maîtrise de la climatisation dans les véhicules avec la nécessité de trouver :
• un fluide réfrigérant propre;
• un faible volume massique permettant des installations compactes (faible poids des équipements et volume réduit de fluide frigorigène);
• ...

Les avantages et inconvénients de l'utilisation du CO₂ comme fluide frigorigène sont les suivants :

(+) pas d'action sur l'ozone (ODP = 0); peu d'impact direct sur l'effet de serre (GWP = 1) sachant par exemple que le R404A a un GWP de 3 800; fluide naturel et largement disponible; ininflammable (utilisation comme gaz dans les extincteurs); non corrosif, compatible avec tous les matériaux; non toxique; alimentaire (notamment nos voisins hollandais l'utilise dans la conservation des repas dans les hôpitaux); production frigorifique volumétrique élevée, permettant à l'heure actuelle des compresseurs de faible cylindrée et des circuits à faible quantité de fluide; miscible à l'huile des compresseurs; peu descendre jusqu'à -54°C; taux de compression faible par rapport aux autres réfrigérants (COP intéressant); ... (-) avec l'eau il forme des acides, avec l'ammoniac du carbonate d'ammonium (corrosif); les pressions de service sont très importantes (80, 100 bar voire plus); les équipements des circuits et de sécurité, dus à la pression, doivent être performants (coûts importants); la mise en oeuvre de tels circuits n'est pas encore bien maîtrisée; à la mise en route, la déshydratation des circuits doit être encore plus poussée. en cas d'arrêt prolongé, des dégazages à l'atmosphère doivent être opérés, nécessitant une recharge ultérieure; ...

Utilisation du CO₂ comme fluide frigorigène

Cas pratique

Actuellement, un supermarché GB à Aywaille teste un système de réfrigération-chauffage combiné où :

• les sources froides sont :
  • les meubles frigorifiques;
  • échangeur air/CO₂ ("évaporateur de toiture);
  • échangeur eau nappe souterraine/CO₂;
    
    
• les sources chaudes sont :
  • échangeur CO₂/air ("gaz cooler"de toiture);
  • les circuits à basse température tels que le chauffage au sol, la centrale de traitement d'air et les rideaux d'air;
  • les circuits à haute température pour l'eau chaude sanitaire.

L'intérêt de ce système est de combiner des besoins :

• de froid au niveau des meubles frigorifiques. En effet, le nombre impressionnant de meubles frigorifiques ouverts et fermés pour ce type de supermarché nécessite une puissance frigorifique de 300 kW (positif) et 40 kW (négatif);
  
  
• de chaud classiques d'une puissance de l'ordre de 540 kW.

avec une seule machine, à savoir une pompe à chaleur.

Les résultats du monitoring ne sont pas encore connus mais devraient permettre d'y voir plus clair sur une technologie qui a le vent en poupe.

comparaison CO₂ - R134a

A titre d'exemple, on compare les performances théoriques de deux fluides réfrigérants comme le CO₂ et le R134A.

Les hypothèses de travail sont les suivantes :

• la phase de refroidissement du CO₂ est dans la zone "transcritique" (refroidissement au dessus du point critique (31°C, 73,6 bar);
• la température d'évaporation est de -10°C dans les deux cas (application classique de froid positif);
• la température de condensation pour le R134a est de 30°C (la température ou pression de condensation est flottante en fonction du climat externe;
• la température de fin de refroidissement pour le "gaz cooler" est de 30°C aussi.

Dans le diagramme (log p, h), on superpose les deux cycles frigorifiques :

• Les avantages et inconvénients du cycle CO2 au niveau thermodynamique sont :

(+) L'efficacité énergétique en production de froid est relativement bonne si on maîtrise la phase de refroidissement (au "gaz cooler") au niveau de la température. Pour une température de condensation flottante atteignant les 30°C, l'EFF du compresseur est de l'ordre de h1/h2 = 3,8; Les températures à l'entrée du "gaz cooler" ou d'un échangeur quelconque, peuvent atteindre des valeurs de l'ordre de 80°C, ce qui est intéressant pour des applications classiques de chauffage par pompe à chaleur; L'efficacité énergétique en production de chaleur peut être très bonne dans la mesure où l'installation puisse tenir des pressions importantes (de l'ordre de 90 bar), ce qui représente quand même une prouesse technologique, mais accessible actuellement. Le COP pourrait atteindre des valeurs de h3/h2= 5; ... (-) Que ce soit en chaud comme en froid, les valeurs de EFF et COP restent en dessous des valeurs obtenues pour le R134A dans les mêmes conditions, soit une EFF h4/h5 de 5 et un COP h6/h5 de 6.

• Les avantages et inconvénients du cycle R134A au niveau thermodynamique sont :

(+) pour une installation bien régulée (détendeur électronique, variateur de vitesse des compresseurs, ..., les performances des compresseurs tant en chaud qu'en froid sont meilleures que celles pour le cycle CO2 (COP = 6, EFF = 5). (-) Les températures de condensation sont plus faibles que celle du cycle CO2. Ce qui signifie que ce type de fluide ne peut être utilité pour des applications de chauffage haute température combiné au froid alimentaire.

Intérêt du CO2 ?

L'intérêt de l'utilisation du CO₂ comme fluide réfrigérant, est avant tout lié à un choix par rapport à l'environnement. En effet, on pointera principalement :

• le faible impact sur la couche d'ozone et l'effet de serre de part sa composition:
• la plus faible quantité de fluide utilisé de part son volume massique faible (en cas de fuite, la quantité rejetée est faible);
• la disponibilité de ce fluide dans la nature (piège à CO₂ réalisable);
• ...

De plus, dans le cas où l'on considère qu'il faut combiner le besoin de chaleur à haute température (80-90°C)avec celui de froid et ce afin d'éviter de choisir une chaudière et un groupe de réfrigération pour la partie froid alimentaire, une installation de pompe à chaleur au CO₂ peut être intéressante.

Toutefois en conception, pour autant que :

• l'enveloppe du magasin soit bien isolée;
• la ventilation hygiénique soit régulée en fonction de l'occupation;
• les entrées soit bien étudiées afin de réduire les pertes énergétiques aux accès (courant d'air par exemple);
• la quantité de meubles ouverts soit limitée;
• ...

il n'y a pas de raison valable d'investir dans une installation coûteuse telle que celle au CO₂ car la nécessité d'atteindre des températures d'eau chaude de 80-90°C n'est plus nécessaire. Autant alors investir dans une pompe à chaleur classique dont le condenseur fonctionne à des températures avoisinant les 45°C.

Conclusion

L'utilisation du CO₂ comme fluide frigorigène est probablement une piste à suivre de très près.

Il est important, en conception, avant de choisir le réfrigérant qui va naturellement conditionner tout le choix des équipements, de déterminer si le projet s'inscrit dans une démarche énergétique et durable globale. Auquel cas, il faut limiter au maximum :

• Les déperditions de l'enveloppe par l'isolation thermique des parois, la limitation des pertes par ventilation et infiltration, ...
  
  
• Les apports internes positifs ou négatifs tels que l'éclairage intensif des rayons, les meubles frigorifiques ouverts, ..., par le choix de luminaires performants, de meubles fermés, apport de lumière naturelle contrôlé ("shede" par exemple), ...
  
  
• Les apports externes tels que les apports solaires par l'orientation du bâtiment, les ombrages, ...
  
• ...

En fonction de l'objectif fixé au niveau de l'esquisse du bâtiment, lors du projet on pourra déterminer l'intérêt ou pas d'investir dans un fluide réfrigérant tel que le CO₂.