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GENIE CLIMATIQUE ET ENERGETIQUE SYNTHESE DU PROJET DE FIN D’ETUDES OPTIMISATION

GENIE CLIMATIQUE ET ENERGETIQUE SYNTHESE DU PROJET DE FIN D’ETUDES OPTIMISATION DES MODES OPERATOIRES DES MACHINES FRIGORIFIQUES Projet de Fin d’Études réalisé chez CEDRE par William FOTI Tuteur entreprise : Hervé BROUCHERY Tuteur institutionnel : Alain TRIBOIX SEPTEMBRE 2012 FICHE D’OBJECTIFS Optimisation des modes opératoires des machines frigorifiques Entreprise : CEDRE à Sophia-Antipolis (06) Tuteur : Hervé BROUCHERY, Ingénieur Dates : du 30 janvier au 27 juillet 2012 Sujet : Optimisation des modes opératoires des machines frigorifiques Ce PFE a pour objectif de développer un module « machine frigorifique » sous le logiciel EnergyPlus qui permettra à l’entreprise CEDRE de pouvoir modéliser et ensuite simuler les performances de n’importe quel groupe froid du marché. L’autre axe de ce PFE est d’élaborer diverses stratégies visant à réduire les consommations énergétiques des machines frigorifiques et de les valider quand cela est possible par les logiciels de simulation thermique dynamique EnergyPlus et DesignBuilder. Partie 1 : Contexte du projet de fin d’étude : applications du froid, impacts environnementaux, économies d’énergie, etc. Partie 2 : Théorie sur les machines frigorifiques à compression mécanique. Partie 3 : Modélisation et étude des besoins du bâtiment témoin sous les logiciels de simulation dynamique / Création d’un outil EnergyPlus permettant de simuler les performances d’un groupe de production d’eau glacée. Partie 4 : Liste non exhaustive d’optimisations énergétiques sur les groupes froids et validation de certaines stratégies via des simulations thermiques dynamiques. Partie 5 : Conclusion. Remerciements Je remercie l’entreprise CEDRE et Thierry LAMOUCHE, pour l’environnement de travail qui m’a été offert et sans qui, ce projet de fin d’études n’aurait pas été possible. Je remercie également Hervé BROUCHERY et Alain TRIBOIX pour tous leurs conseils et leurs suivis. Un grand merci également à toute l’équipe pédagogique de l’INSA pour la qualité de l’enseignement. ABREVIATIONS ET SYMBOLES ABREVIATION SIGNIFICATION ASHRAE American society of heating, refrigerating and air conditioning engineers BP Basse pression CAPFT Courbe de la puissance frigorifique en fonction de la température CFC Chlorofluorocarbure COP Coefficient de performance CTA Centrale de traitement d’air CVC Chauffage, ventilation, climatisation EC Electronic commutation : Commutation électronique EER Energy efficiency ratio : Coefficient d’efficacité frigorifique EIR Electric input ratio : inverse du COP EIRFPLR Courbe de l’EIR en fonction du ratio de charge partielle EIRFT Courbe de l’EIR en fonction de la température EMS Energy management system (Langage de programmation d’EnergyPlus) FLJ Facteur de lumière du jour HCFC Hydrochlorofluorocarbure HFC Hydrofluorocarbure HP Haute pression PFE Projet de fin d’étude RT Réglementation thermique VEV Variation électronique de vitesse GRANDEUR SYMBOLE UNITE Éclairement lumineux lx Lux Énergie kWh ; MWh Kilowatt heure ; Mégawatt heure Humidité spécifique kg eau / kg air sec Kilogramme d’eau par kilogramme d’air sec Puissance kW Kilowatt Puissance surfacique W/m² Watt par mètre carré Surface m² Mètre carré Température °C ; K Degré Celsius ; Degré Kelvin 1 Étudiant : William FOTI OPTIMISATIONS DES MODES OPERATOIRES DES MACHINES FRIGORIFIQUES Tuteur : Alain TRIBOIX SEPTEMBRE 2012 RESUME Les efforts de réduction de consommations énergétiques dans le secteur du bâtiment ont d’abord porté sur la réduction des besoins en chauffage. La stratégie employée (isolation renforcée) a favorisé le phénomène de surchauffe estivale. En conséquence dans certains bâtiments, la mise en œuvre de machines frigorifiques devient indispensable pour assurer le confort thermique des occupants. C'est en particulier le cas de machines frigorifiques produisant de l'eau glacée (entre 5 et 10°C) et alimentant, via une batterie terminale, une centrale de traitement d'air. Afin de limiter la demande en énergie pour la climatisation, il apparait nécessaire d'optimiser les modes opératoires des machines frigorifiques en fonction des besoins des bâtiments ainsi que de la météo du site. Plusieurs facteurs intervenant dans l'efficacité des machines frigorifiques sont de nature dynamique, comme par exemple la température de la source chaude, la température de condensation ou la charge partielle. La prise en compte de ces facteurs doit aboutir à l'optimisation de la sélection, du dimensionnement et de la mise en œuvre de machines frigorifiques pour un site donné. Ce PFE s'inscrit dans la volonté de la société CEDRE de développer son expertise dans la simulation de systèmes énergétiques réels couplés à un bâtiment, notamment en ce qui concerne les machines frigorifiques. Mon travail sera dans un premier temps de prendre en main le logiciel EnergyPlus puis de développer un module "machine frigorifique" à partir d'objets prédéfinis par le logiciel. Le travail consistera ensuite à élaborer plusieurs stratégies de mise en œuvre de machines frigorifiques qui seront ensuite, lorsque cela est possible, testées et validées par simulations dynamiques sous EnergyPlus. Mots-clés : groupe froid, économie d’énergie simulation dynamique, performance Energy savings in the building sector had first dealt with heating consumptions. Therefore, strengthened insulation was often used as a strategy to reduce energy demand. As a result it increased the phenomenon of summer overheating sometimes to the point that some buildings may require refrigeration systems to guarantee the thermal comfort of the occupants. In that case, refrigeration systems producing iced water (between 5 and 10°C) are often implemented to power a terminal coil in an air handling unit. In order to limit the energy demand for the air conditioning, it is necessary to optimize the operating process of the refrigeration systems according to the building needs as well as the local climate. Several factors influencing the efficiency of refrigeration systems are dynamic factors, for example the temperature of the hot source, the temperature of condensation or the partial load. Taking into account all of these parameters will allow the selection, the sizing and the implementation of an optimized refrigeration systems for a given site. This professional training comes within the will of CEDRE to develop its expertise in the modeling of real energy systems coupled with a building, such as refrigeration systems. My work will first require me to familiarize myself with the EnergyPlus software and then to develop a module "refrigeration system" from objects predefined by the software. Secondly, the work will consist in elaborating several strategies of refrigeration systems implementations. These strategies will then be tested and validated by dynamic simulations under EnergyPlus software. Keywords : chiller, energy savings, dynamic simulation, efficiency 2 Étudiant : William FOTI OPTIMISATIONS DES MODES OPERATOIRES DES MACHINES FRIGORIFIQUES Tuteur : Alain TRIBOIX SEPTEMBRE 2012 SOMMAIRE RESUME ...............................................................................................................................1 SOMMAIRE ...........................................................................................................................2 1. INTRODUCTION : CONTEXTE ........................................................................................3 2. MACHINE FRIGORIFIQUE A COMPRESSION MECANIQUE .........................................5 2.1. INTRODUCTION .......................................................................................................................................5 2.2. VUE EXTERNE DE LA MACHINE FRIGORIFIQUE ..................................................................................6 2.3. VUE INTERNE DE LA MACHINE FRIGORIFIQUE ...................................................................................7 2.4. COMPOSANTS FRIGORIFIQUES ............................................................................................................9 2.5. REGULATIONS INTERNES A LA MACHINE FRIGORIFIQUE .............................................................. 11 3. MODELISATION SOUS ENERGYPLUS ET DESIGNBUILDER .................................... 13 3.1. INTRODUCTION .................................................................................................................................... 13 3.2. OUTILS DE SIMULATION DYNAMIQUE................................................................................................ 13 3.3. METHODOLOGIE ................................................................................................................................... 15 3.4. BATIMENT ETUDIE ................................................................................................................................ 16 3.5. DONNEES ET SCENARIOS DE SIMULATION ...................................................................................... 17 3.6. CHARGES DU BÂTIMENT ..................................................................................................................... 18 3.7. SELECTION DU GROUPE FROID ......................................................................................................... 18 3.8. MODELISATION DU GROUPE DE PRODUCTION D'EAU GLACEE .................................................... 19 3.9. DESCRIPTION DE L'INSTALLATION CVC ............................................................................................ 23 3.10. SIMULATION DE REFERENCE ........................................................................................................... 24 4. OPTIMISATIONS ENERGETIQUES ............................................................................... 27 4.1. INTRODUCTION .................................................................................................................................... 27 4.2. RECOMMANDATIONS POUR AMELIORER L’EFFICACITE ENERGETIQUE ..................................... 28 4.3. OPTIMISATIONS VERIFIEES PAR SIMULATIONS .............................................................................. 39 CONCLUSION .................................................................................................................... 48 BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................ 49 RAPPORT ..................................................................................................................................................... 49 SITES INTERNET .......................................................................................................................................... 49 SOMMAIRE DES ANNEXES .............................................................................................. 50 3 Étudiant : William FOTI OPTIMISATIONS DES MODES OPERATOIRES DES MACHINES FRIGORIFIQUES Tuteur : Alain TRIBOIX SEPTEMBRE 2012 1. INTRODUCTION : CONTEXTE Le froid possède un nombre d’applications considérable et contribue ainsi de manière essentielle au développement social et économique. Il joue un rôle fondamental dans l’alimentation des populations en permettant la conservation des denrées alimentaires aux différentes étapes de la chaîne du froid : transport, entreposage, distribution, présentation à la vente, et entreposage à domicile. Son rôle est essentiel dans des domaines tels que la santé (conservation des vaccins, mais aussi cryothérapie et cryochirurgie) et la biodiversité (cryobiologie). Grâce au conditionnement d’air, le froid permet la création d’environnements propices au travail dans des zones géographiques aux climats chauds et humides. Il permet également de maintenir des conditions nécessaires au bon fonctionnement d’installations essentielles, telles que les blocs opératoires et les salles d’hôpitaux. La qualité des produits issus des industries liées à la technologie de l’information ou la biotechnologie est de plus en plus conditionnée par la qualité de l’environnement intérieur. Les technologies du froid sont utilisées dans de multiples procédés industriels (chimie, agroalimentaire…) et dans les domaines de l’énergie (production et distribution de gaz industriels grâce aux techniques de la cryogénie, supraconductivité…) et du chauffage (pompes à chaleur). Sur le plan de l'environnement, grâce à la coopération des pays développés et des pays en développement, dans le cadre du Protocole de Montréal, le secteur du froid a réussi au cours des vingt dernières années à pratiquement éliminer les CFC et à commencer à réduire l'utilisation des HCFC. Le secteur du froid a donc pleinement contribué à la stabilisation, puis à la réduction de la concentration en chlore dans la stratosphère observée depuis l'année 2000, permettant de prévoir une reconstitution de la couche d'ozone à l'horizon 2050. Il convient d’analyser avec soin l’origine de uploads/Industriel/ syntheses-pfe.pdf