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DRV Modèle simple de système de climatisation à débit de réfrigérant variable e

DRV Modèle simple de système de climatisation à débit de réfrigérant variable en vue d’un calcul prévisionnel de consommation version 1.1 septembre 2004 Ecole des Mines de PARIS, Centre d’Energétique D. MARCHIO, S. FILFLI 60 Bd St Michel 75272 PARIS Cedex 06 FRANCE 33 01 40 51 91 80 Fax 33 01 46 34 24 91 E-mail: mailto:dominique.marchio@ensmp.fr mailto:sila.filfli@ensmp.fr Consoclim Cahier des Algorithmes DRV-v1.1 page 1 1. Introduction 1.1. Définition d’un système DRV Un système de conditionnement d’air DRV (débit de réfrigérant variable, cf. figure 1.1) utilise une unité intérieure (évaporateur en climatisation, condenseur en chauffage) pour chaque local. Ces unités sont directement alimentées par le fluide frigorigène. La charge est détectée par ces unités, où des détendeurs électroniques injectent la quantité adéquate de réfrigérant pour satisfaire les besoins. Ceci permet d’éviter les coups moteurs (enclenchement et déclenchement du compresseur) donc à diminuer les consommations électriques. Les unités intérieures sont raccordées au groupe extérieur par une conduite frigorifique principale composée de deux ou trois tubes. Les canalisations frigorifiques peuvent avoir plusieurs dizaines de mètres de longueur, et des dénivellations importantes jusqu'à 15 hauteurs d'étage. En principe, on peut connecter chaque unité extérieure à plusieurs unités intérieures jusqu'à 16 ou 32 selon certains constructeurs. Le conditionnement d’air utilisant un système DRV est de plus en plus retenu pour l’économie d’énergie qu’offre ce système. Les canalisations d'air et d'eau de la climatisation centrale traditionnelle peuvent être évitées, les tuyauteries de frigorigène sont de faible diamètre et l'apport d’air se limitera à celui d’air neuf. En plus, ces systèmes permettent un contrôle individuel de chaque local en donnant des températures précises. Ils sont réversibles du mode froid au mode chaud avec une vanne à quatre voies qui inverse le sens du cycle frigorifique. Le chauffage de certaines zones et la climatisation d’autres peut être réalisé à l’aide de ce système. Dans ce cas, on peut dire que la chaleur ou le froid sont transférés dans le bâtiment plutôt qu’évacués. Echangeur de chaleur Compresseur Vanne électronique Unité intérieure Unité extérieure Ventilateur Vanne à 2 voies Figure 1.1 - Système DRV 3 tubes, schéma principal. Les inconvénients d'un système DRV sont principalement la complexité du contrôle, la perte de charge qui résulte de la longueur de la tuyauterie et enfin la possibilité de perte de chaleur si les tuyaux ne sont pas bien isolés. Consoclim Cahier des Algorithmes DRV-v1.1 page 2 1.2. Composantes d’un système DRV 1.1.1. Unité intérieure Chaque unité intérieure est composée d'un échangeur de chaleur, d’un détendeur électronique et d’un ventilateur. De plus, il existe des vannes à deux ou trois voies qui servent au passage d’un mode à l’autre ainsi que au contrôle du cycle. 1.1.2. Unité extérieure L'unité extérieure est composée d'un compresseur de type scroll (le plus efficace à vitesse variable) [HON02] muni d'un variateur de fréquence, d’une vanne à quatre voies, d’un échangeur de chaleur et d’un ventilateur. 1.1.3. Compresseur à vitesse variable Ce système utilise des compresseurs qui ont la capacité de moduler leur vitesse (variateur de fréquence, 15Hz à 115 Hz), c'est à dire leur capacité et donc le débit de réfrigérant, et ceci pour permettre d'adapter instantanément la puissance en fonction des besoins thermiques. Lorsque la vitesse de rotation d’un compresseur traditionnel augmente, le débit augmente ainsi que la puissance frigorifique ; par suite la puissance consommée devient plus grande. Ce n’est pas le cas des compresseurs à vitesse variable grâce aux changements technologiques dans leur construction et spécialement dans leur circuit de lubrification. Plus précisément, les compresseurs à vitesse fixe sont construits pour fonctionner avec un débit de lubrification défini uniquement pour le point nominal. Dans le cas des compresseurs à vitesse variable et en particulier du type scroll, la pompe à huile est dépendante de la vitesse de rotation et les étanchéités statiques et dynamiques sont plus efficaces. [BEN 99] 1.3. Le contrôle du système Le contrôle d'un système à vitesse variable consiste à trouver un optimum de fonctionnement, l'objectif est d'obtenir un COP maximum tout en gardant les conditions de confort. La vanne qui joue le rôle de détendeur doit adapter son ouverture à la variation du débit de réfrigérant due à la variation de vitesse. Le débit d’air intérieur peut varier pour optimiser le système. Des combinaisons infinies existent entre la vitesse du compresseur, la surchauffe, le débit d’air intérieur et les normes de confort mais seulement une donne un COP maximum pour des conditions climatiques données[MAC 88]. En pratique, le débit d’air intérieur est fixe dans le système DRV. Souvent, il existe deux vitesses du ventilateur intérieur au choix de l’utilisateur. En considérant un système DRV climatisant un local, lorsque la charge (température du local) augmente, la température à la sortie de l’évaporateur augmente. Le détendeur électronique augmente son ouverture et la pression dans l’évaporateur augmente aussi. Le contrôle du système permet alors au compresseur d’augmenter sa vitesse de rotation et donc le débit, ce qui entraîne un abaissement de la pression d’évaporation et l’équilibre du cycle. Ainsi, on a toujours une pression d’évaporation maintenue à une consigne et le fonctionnement du système est stable. De même, pour l’unité extérieure la pression doit être maintenue stable dans l’échangeur extérieur quelles que soient les conditions de température extérieure. Pour cela, il existe dans le système des ventilateurs qui peuvent varier leurs vitesses selon différentes conditions. A noter que les consignes de pression peuvent être ajustées selon une marge prédéfinie par le constructeur. Consoclim Cahier des Algorithmes DRV-v1.1 page 3 0°C 2°C 4°C 6°C 8°C 10°C 0Hz 150 Hz Tec Inverter Figure 1.2 - Exemple de contrôle de la fréquence du compresseur. Dans cet exemple (cf. figure 1.2, Daikin), la température d’évaporation de consigne est de 7.5°C. Si la charge moyenne des locaux est très importante, la température d’évaporation est supérieure à la température de consigne. Par exemple 10°C, la fréquence du compresseur augmente jusqu’à qu’elle atteigne la valeur de consigne. Puis, des unités intérieures s’arrêtent, la charge thermique du système diminue et donc la pression d’évaporation diminue. A une température d’environ 5°C, la fréquence diminue afin d’atteindre à nouveau sa valeur cible. 1.4. Modes de fonctionnement Les modes principaux de fonctionnement sont [TAN91] : 1-" refroidissement seul" : Toutes les unités intérieures sont en opération « froid » (cf. figure 1.3). 2-" chauffage seul" : Toutes les unités intérieures sont en opération « chaud » (cf. figure 1.4). 3-"refroidissement principal" : Le refroidissement est le mode principal dans le fonctionnement simultané des opérations froid et chaud (cf. figure 1.5). 4-"chauffage principal" : Le chauffage est le mode principal dans le fonctionnement simultané des opérations froid et chaud (cf. figure 1.6). 5-Le mode où le nombre d’unités intérieures fonctionnant en froid est égal à celui des unités fonctionnant en chaud (cf. figure 1.7). u n ité in t.1 u n ité ex térieu re v an n e à 4 v o ies v an n e électro n iq u e L iq u id e G az B P G az H P L ég en d e u n ité in t.2 u n ité in t.3 u n ité in t.4 éch an g eu r d e ch aleu r v en tilateu r b o ite d e sélectio n L iq u id e+ G az B P Figure 1.3 - Système DRV 3 tubes, demande de froid uniquement. Consoclim Cahier des Algorithmes DRV-v1.1 page 4 L iq u id e + G a z B P b o ite d e sé le c tio n v e n tila te u r é c h a n g e u r d e c h a le u r u n ité in t.4 u n ité in t.3 u n ité in t.2 L é g e n d e G a z H P G a z B P L iq u id e v a n n e é le c tro n iq u e v a n n e à 4 v o ie s u n ité e x té rie u re u n ité in t.1 Figure 1.4 - Système DRV 3 tubes, demande de chaud uniquement. L iq u id e+ G az B P b o ite d e sélectio n v en tila te u r é ch an g e u r d e ch aleu r u n ité in t.4 u n ité in t.3 u n ité in t.2 L ég en d e G az H P G az B P L iq u id e v an n e élec tro n iq u e v a n n e à 4 v o ie s u n ité ex térie u re u n ité in t.1 Figure 1.5 - Système DRV 3 tubes, demande de froid > demande de chaud. u n ité in t.1 u n ité e x té rie u re v a n n e à 4 v o ie uploads/Management/ drv-v1-1.pdf