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Froid commercial Table des matières 1. Introduction............................

Froid commercial Table des matières 1. Introduction........................................................................................................5 1.1 Aspects énergétiques.................................................................................................5 2. Description d’une installation de froid commercial.......................................6 2.1 Principe - Points du cycle sur diagramme..................................................................6 2.2 Machine frigorifique....................................................................................................7 2.2.1 Evaporateur.........................................................................................................8 2.2.2 Compresseur.....................................................................................................10 2.2.3 Condenseur.......................................................................................................10 2.2.4 Détendeur..........................................................................................................11 2.2.5 Efficacité énergétique ou COP..........................................................................12 2.3 Chambre froide........................................................................................................12 2.4 Exploitation d’une installation de froid commercial...................................................13 2.4.1 Températures des chambres froides.................................................................13 2.4.2 Cycle de dégivrage............................................................................................14 3. Etat des connaissances..................................................................................19 3.1 Impact sur l’environnement......................................................................................19 3.1.1 Les différentes catégories de fluides frigorifiques..............................................21 3.1.2 Aspects légaux pour la Suisse..........................................................................25 3.2 Substitution des fluides frigorifiques.........................................................................25 3.3 Solutions disponibles...............................................................................................27 3.3.1 Evaporation.......................................................................................................28 3.3.2 Condensation....................................................................................................28 3.4 Nouvelles technologies............................................................................................28 4. Facteurs influençant le COP...........................................................................30 4.1 Température de condensation..................................................................................30 4.2 Température d’évaporation.......................................................................................31 4.3 Taux de charge.........................................................................................................32 5. Mesures d’optimisation...................................................................................34 5.1 Comptage d’énergie.................................................................................................34 5.2 Température de condensation..................................................................................34 5.2.1 Refroidissement à eau perdue..........................................................................35 5.2.2 Refroidissement à air........................................................................................36 5.3 Température d’évaporation.......................................................................................37 5.4 Différentiel de régulation de la température d’évaporation.......................................37 5.5 Gestion des auxiliaires.............................................................................................38 5.6 Variation de vitesse du compresseur........................................................................38 Froid commercial 5.7 Gestion des cycles de dégivrage..............................................................................39 5.7.1 Dégivrage par résistance électrique..................................................................39 5.7.2 Autres systèmes de dégivrage..........................................................................40 5.8 Gestion des chambres froides..................................................................................41 5.8.1 Stockage des aliments et produits.....................................................................41 5.8.2 Disposition des chambres selon les températures.............................................42 5.8.3 Adaptation des températures............................................................................42 5.9 Gestion de l’éclairage des chambres froides............................................................44 5.10 Gestion des éventuels câbles chauffants..............................................................45 5.11 Sensibilisation des utilisateurs..............................................................................45 5.12 Synthèse des mesures simples applicables aux installations de petite taille.........45 6. Solutions lors d’assainissement....................................................................47 6.1 Choix de l’architecture..............................................................................................47 6.2 Choix du fluide frigorigène........................................................................................48 6.3 Refroidissement du condenseur...............................................................................48 6.4 Température d’évaporation.......................................................................................48 6.5 Choix du système de dégivrage...............................................................................49 6.6 Tableau comparatif pour demande d’offres..............................................................49 7. Production d’ECS.............................................................................................51 7.1 Influence de la récupération de chaleur...................................................................51 7.2 Faisabilité d’une installation solaire..........................................................................52 8. Cas pratique......................................................................................................53 8.1 Hôpital Daler à Fribourg...........................................................................................53 A. Annexes.............................................................................................................57 A.1 5 points pour économiser l’énergie sur vos meubles et installations frigorifiques.....57 A.2 Recommandation d’équipements économiseurs d’énergie......................................57 A.3 Généalogie et familles de fluides frigorigènes..........................................................57 A.4 Recommandations de l’Association Suisse du Froid (ASF)......................................57 A.5 Ordonnance sur les substances – Nouvelle réglementation.....................................57 A.6 Formulaire pour demande d’autorisation pour installation avec plus de 3 kg de HCF (Projet)...............................................................................................................................57 A.7 Circuits frigorifiques simples types...........................................................................57 A.8 Catalogue des systèmes selon les applications.......................................................57 A.9 Documents du livret d’entretien................................................................................57 A.10 Exemples d’assainissements d’installations de froid commercial..........................57 4 Froid commercial 1. Introduction Le froid commercial recouvre une grande variété d’équipements :  présentoirs  distributeurs de boissons  machines à glace  chambres froides et de congélation  etc. De façon générale, on parle de froid commercial pour la plupart des applications alimentaires (stockage, exposition et distribution). 1.1 Aspects énergétiques Les installations de froid commercial représentent d’importants consommateurs d’énergie, surtout électrique mais aussi d’eau dans certains cas (refroidissement à eau perdue des condenseurs). Par exemple et pour fixer les ordres de grandeur : pour un hôpital de 75 lits (frais énergétiques annuels de 180’000.- CHF environ), la consommation d’électricité représente environ 2’400.- CHF et celle d’eau (refroidissement à eau perdue pour la moitié des installations) environ 4’200.- CHF ; soit un total de 6’600.- CHF ou encore quelques 3.5% des frais énergétiques de l’hôpital. Il est intéressant d’avoir une idée des coûts en électricité d’une installation de froid commercial. Le graphique qui suit présente une estimation des frais électriques pour le compresseur d’une machine frigorifique, en fonction de la puissance du compresseur ainsi que du tarif d’électricité. Estimation des frais d'électricité Compresseur machine froid commercial (taux de charge 70%) - 500 1'000 1'500 2'000 2'500 3'000 3'500 4'000 4'500 5'000 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 puissance compresseur [kW] frais annuels [CHF] 10 cts/kWh 15 cts/kWh 20 cts/kWh 25 cts/kWh Figure 1. Frais annuels d’électricité pour une installation de froid commercial selon la puissance du compresseur. Froid commercial 2. Description d’une installation de froid commercial Pour plus de détails sur les installations de froid en général, vous pouvez consulter la documentation du séminaire energo “La production de froid”. Nous rappelons ici uniquement les points les plus importants pour apporter une compréhension suffisante des systèmes de froid commercial. 2.1 Principe - Points du cycle sur diagramme La machine frigorifique est basée sur la propriété des fluides frigorigènes de s’évaporer et de se condenser à des températures différentes en fonction de la pression. A titre d’exemple, nous allons considérer le diagramme du R134a, avec les différents états d’un cycle frigorifique standard. 10 bar / 65°C gaz condensation 10 bar / 30°C liquide détente 1 bar / -25°C liquide évaporation 1 bar / -10°C gaz compression Figure 2. Diagramme log(P)-h pour le R134a. 6 Froid commercial 10 bar / 65°C gaz condensation 10 bar / 30°C liquide détente 1 bar / -25°C liquide évaporation 1 bar / -10°C gaz compression Figure 3. Diagramme T-s pour le R134a. A la pression atmosphérique : Le R134a est liquide à - 30°C et se met à “bouillir” aux alentours de -25°C. Si du fluide R134a à -30°C circule dans un serpentin et que l’air à 20°C passe autour de ce tuyau, l’air se refroidira : il cédera sa chaleur au fluide qui lui s’évaporera. C’est le rôle de l’évaporateur de la machine frigorifique. A la pression de 10 bar : Cette fois, le R134a ne va “bouillir” qu’à 40°C. Autrement dit, si de la vapeur de fluide à 10 bar et à 65°C circule dans un serpentin et que de l’air à 20°C passe autour de ce tuyau, le fluide se refroidira et à partir de 40°C, il se liquéfiera, il se condensera. En se condensant, il va libérer énormément de chaleur. C’est le rôle du condenseur de la machine frigorifique.  Si l’on souhaite donc que le fluide puisse “prendre” de la chaleur : il doit être à basse pression et à basse température sous forme liquide, pour lui permettre de s’évaporer.  Si l’on souhaite qu’il puisse céder sa chaleur : il doit être à haute température et à haute pression, sous forme vapeur, pour lui permettre de se condenser. 2.2 Machine frigorifique Toutes les installations de froid (commercial ou autre) sont composées des mêmes éléments principaux :  l’évaporateur  le compresseur  le condenseur  le détendeur Il y a en plus un circuit reliant tous ces éléments. Froid commercial Figure 4. Principe d’une machine frigorifique à compression. L’ensemble du cycle peut être représenté dans le diagramme enthalpie-pression. Sous la courbe en cloche (courbe de saturation) se situent les états de mélange liquide-vapeur; à gauche de la cloche, le fluide est à l’état liquide (il se “sous-refroidit”), à droite, le fluide est à l’état vapeur (il “surchauffe”). Figure 5. Représentation du cycle frigorifique sur le diagramme log(P)-h. Nous donnons maintenant une description succincte du fonctionnement de ces éléments. 2.2.1 Evaporateur L’évaporateur est un échangeur de chaleur à travers lequel circule le fluide frigorifique, qui extrait de la chaleur du milieu à refroidir en s’évaporant. Un évaporateur peut fonctionner selon deux principes :  en mode sec  en mode noyé Un évaporateur en mode sec voit sa quantité de réfrigérant adaptée de manière à ce que la totalité du fluide soit vaporisée et surchauffée à sa sortie (les coups de liquide, qui peuvent 8 Froid commercial endommager le compresseur, sont ainsi évités). La quantité de réfrigérant nécessaire est moins importante qu’avec les évaporateurs noyés. L’inconvénient de ce type de système est que seulement une partie de la surface d’échange de l’appareil n’est utilisée pour l’évaporation, réduisant ainsi son efficacité thermique. L’évaporateur en mode noyé est en permanence rempli de réfrigérant à l’état liquide, offrant une surface maximale pour l’échange de chaleur. Un système de séparation des phases liquide/gaz est nécessaire pour éviter toute intrusion de liquide dans le compresseur. De plus, la séparation fluide/huile et l’utilisation de réfrigérants zéotropes (par exemple R407C) peuvent poser problèmes. Les installations de froid commercial utilisent majoritairement des évaporateurs en mode sec. L’évaporateur d’une machine de froid commercial est, le plus souvent, placé dans l’ambiance à refroidir (chambres froides, vitrine, etc.). On parle alors de circuit à détente directe, au contraire d’une installation avec un réseau d’eau glacée. Le fluide frigorigène liquide entre en ébullition et s’évapore en absorbant la chaleur du fluide extérieur. Dans un deuxième temps, le gaz formé est encore légèrement réchauffé par le fluide extérieur, c’est ce qu’on appelle la phase de surchauffe (entre 7 et 1). Figure 6. Fonctionnement de l’évaporateur. Figure 7. Evaporateur à détente directe placé dans une chambre froide. Froid commercial 2.2.2 Compresseur Il en existe de plusieurs types :  à pistons  à vis  turbo  scroll Nous n’allons pas entrer dans les détails de ces différents types dans le cadre de ce séminaire. Pour la plupart des installations de froid commercial (puissance frigorifique jusqu’à 10 kW), on utilise des compresseurs à pistons ou des compresseurs scroll pour certaines applications. Les compresseurs de type Scroll ont des performances légèrement inférieures à celles des compresseurs à pistons (COP), par contre ils se prêtent mieux à un réglage avec variateur de fréquence et tolèrent mieux la présence de liquide dans le gaz. Au niveau des compresseurs à pistons, les constructeurs ont développé des modèles optimisés à culasses coniques, ce qui améliore sensiblement leur COP. Le compresseur va uploads/s3/ froid-commercial-131023 1 .pdf