Un groupe froid (production et distribution), ou GF, constitue souvent un système relativement complexe dont l'optimisation dépend de plusieurs paramètres.

De façon générale, des économies sont associées à l'âge des équipements (classe du moteur, type de compresseur), au mode de réglage du/des compresseurs, au type de fluide frigorigène, etc.

Les exigences côté consommateurs sont également importantes puisque la consommation sera d'autant plus faible que la température de départ du fluide froid sera élevée et que le différentiel de température entre l'aller et le retour sera suffisamment élevé.

De plus, la possibilité ou pas de valoriser la chaleur produite côté condenseur modifiera les performances du groupe froid et le choix de la meilleure solution (free cooling versus HP flottante).

Le profil du besoin de froid annuel impactera également les performances et les optimisations.

Ces éléments sont pris en compte dans les démarches et analyses proposées ci-dessous.

La stratégie et les étapes de l'analyse sont les suivantes:

• Par des mesurages ciblés, on établit d'abord le besoin de froid et la performance des équipements actuels.
• On estime ensuite les performances théoriques optimales de la machine existante (selon données du fabricant), la différence avec les performances réelles et les économies possibles en conservant les compresseurs actuels = potentiel d'économie 1
• Parallèlement, le profil de besoin est transmis à des fournisseurs afin de disposer des meilleures options de renouvellement du GF, on calcule alors l'économie avec cette nouvelle solution = potentiel d'économie 2
• Si la différence entre les potentiels d'économies dépasse 20% le remplacement du groupe est à envisager Les grandeurs mesurées sont reportées dans un fichier Excel de travail qui, au travers des différents onglets, permet de réaliser les calculs et analyses.

Les grandeurs mesurées sont reportées dans le fichier Excel de travail téléchargé à la section précédente qui, au travers des différents onglets, permet de réaliser les calculs et analyses.

La première étape consiste à disposer des données actuelles réelles. Cela passe par le mesurage des températures aller et retour du fluide froid à l'évaporateur, le débit et la puissance électrique. Ces grandeurs seront relevées sur une base horaire durant une semaine représentative en été. On établit alors le besoin de froid et on dispose de la performance actuelle en été. Par des mesures supplémentaires à d'autres saisons ou via d'autres informations, on précise le profil annuel de besoin et les performances sur l'année.

Des valeurs mesurées, on déterminera ensuite la puissance frigorifique via la formule suivante:

P_frigo = ρ × Q_v × C_p × ΔT [kW]

avec : ρ masse volumique en [kg/m³], Qv débit volumique en [m³/s], Cp capacité thermique massique [kJ/kg.K], ΔT différence de température [K]

Le fichier Excel de travail téléchargé permet de:

• Déterminer les caractéristiques du fluide (voir Détail No1)
• Déterminer par la mesure le profil hebdomadaire de besoin en été ainsi que les valeurs moyennes (voir Détail No2)

On dispose ainsi du profil des besoins réels en été.

On établit ensuite les performances annuelles sur la base:

• soit des mesurages pour l'été répétés à toutes les saisons
• soit via une estimation des différents besoins saisonniers exprimés en % du besoin estival

On exprimera les performances des machines de froid au travers les grandeurs suivantes:

• L'EER (Energy Efficiency Ratio) est une valeur représentative de la performance d'un groupe froid pour une température extérieure donnée. Par exemple, un EER égal à 3 signifie que pour 1 kW électrique fourni à la machine, elle pourra produire 3 kW de froid.

  La formule de calcul de l'EER est la suivante (la puissance électrique active est relevée en même temps que les autres grandeurs):

  EER = (ρ × Q_v × C_p × ΔT) [kW] / P_elec [kW]
  avec : ρ masse volumique en [kg/m³], Qv débit volumique en [m³/s], Cp capacité thermique massique [kJ/kg.K], ΔT différence de température [K]

• Le SEPR (Seasonal Energy Performance Ratio) est une moyenne des EER sur l'année.

  A simplified method for calculating this value is to use four EERs, each corresponding to an outdoor temperature representative of the chiller's operation in different seasons (to be defined according to the location of the site and the chiller's operating mode). The SEPR can be calculated using the following formula:

  SEPR = a × EER(été) + b × EER(automne) + c × EER(hiver) + d × EER(printemps)

  Une méthode simplifiée pour calculer cette valeur, est d'utiliser 4 EER correspondant chacun à une température extérieure représentative du fonctionnement du groupe froid aux diverses saisons (à définir suivant la localisation du site et le mode d'exploitation du groupe). Le calcul du SEPR peut se faire via la formule suivante

Utilisez l'onglet Détail No3 du fichier Excel pour pour déterminer l'EER estival du GF actuel, sur la base des relevés et le SEPR du GF sur la base de mesurages réalisés à chaque saison ou sur la base des mesurages estivaux et d'une estimation des besoins aux autres saisons (exprimé en % du besoin estival).

Remplacement ou pas du GF:

1. Etat de fonctionnement

Des grandeurs mesurées, on a pu déterminer les EER et le SEPR pour les conditions de fonctionnement réelles.

Des caractéristiques issues du fournisseur de l'équipement actuel on peut déterminer les EER et le SEPR théoriques pour les températures de références.

On peut alors rapporter les performances mesurées aux températures de références et les comparer avec les valeurs théoriques. On détermine ainsi la baisse de performance de la machine (fuites à la compression, encrassement des échangeurs, baisse de performances de la vanne de détente, etc.).

2. Fluide frigorigène actuel

Exigences sur le fluide frigorigène

Dans l'évaluation de la pertinence de remplacer un GF existant, le respect des exigences légales sur les fluides frigorigènes peut contribuer à la prise de décision. On peut résumer les conditions ainsi:

Fluides frigorigènes stables dans l'air	Exemples	Mise sur le marché	Remplissage	Modification 2030
CFC fluorochlorocarbures totalement halogénés	R-11; R-12; R-13; R-13-B1; R-502	Interdit (ODP > 0,0005)	Interdit (ODP > 0,0005)	Non prévu
HCFC fluorochlorocarbures partiellement halogénés	R-22; R-401A (MP39); R-402B (HP81); R-402A (HP80) R-408A (FX-10); R-409A (FX-56)	Interdit (ODP > 0,0005)	Interdit (ODP > 0,0005)	Non prévu
HCFO fluorochloro-oléfines partiellement halogénées	R-1233zd(E) R-1233zd(Z) R-1224yd(Z)	interdite sauf si ODP ≤ 0,0005 et aucun substitut connu + mesures spécifiques contre émissions	interdite sauf si ODP ≤ 0,0005 et installation mise sur le marché en vertu de l'exception selon 2.2 alinéa 6	Non prévu

		Mise sur le marché d'installations fixes (refroidissement de bâtiments)		Remplissage d'installations existantes fixes
Fluides frigorigènes stables dans l'air	Exemples	Règlementation valable dès 2025	Modifications probables dès 2027	Remplissage par fluide neuf	Remplissage par fluide régénéré	Modifications prévues dès 2030	Modifications probables dès 2032
HFC / PFC Fluorocarbures partiellement ou totalement halogénés	R-455A	PRG ≤ 2100: Interdit si Q > 400 kW Restrictions si Q ≤ 400 kW	PRG < 750: Q ≤ 12 kW ou > 200 KW: interdit autres cas: voir synthèse	Authorisé	Authorisé	Aucune modification prévue	PRG < 750: Authorisé
	R-513A
	R-515B
	R-134a		PRG > 750: Interdit				PRG ≥ 750: Remplissage par fluide neuf non autorisé
	R-407C
	R-407F
	R-410A
	R-448A
	R-449A
	R-452A	PRG > 2100: Interdit
	R-404A	PRG ≥ 2500: Interdit	Interdit	Non autorisé	Authorisé	remplissage non autorisé, quelque soit la provenance	remplissage non autorisé, quelque soit la provenance

On consultera par exemple l' annexe 2.10 de l'ORRChim pour disposer du détail des exigences légales. Un résumé graphique des exigences selon l'application (bâtiments, process, etc.) est également disponible.

Une liste des principaux fluides frigorigènes , mentionnant leurs PRG respectifs et certaines dispositions de l'ORRChim peut également être consultée.

Pour plus d'informations et les dernières mises à jour, il est possible de consulter la page de l'OFEV concernant les fluides frigorigènes .

Liens complémentaires

• Annexe 2.10 de l'ORRChim
• Les fluides frigorigènes des pompes à chaleur
• Page de l'OFEV concernant les fluides frigorigènes
• Liste des principaux fluides frigorigènes de l'OFEV
• Synthèse graphique des règlementations relatives à la mise sur le marché d'installations stationnaires contenant des fluides frigorigènes

Lorsque le respect des exigences légales sur le fluide frigorigène n'exige pas le remplacement du groupe froid actuel, il possible d'analyser différentes mesures d'optimisation.

L'onglet Détails No4 du fichier Excel de travail présente les possibilités d'optimisation suivantes:

• Régulation des compresseurs
• Détendeur électronique
• Augmentation de la T de départ
• Contrôler la différence de T entre l'aller et le retour
• Recours à la HP flottante

Avec les investissements et des gains associés à ces mesures sur le GF actuel, on dispose d'une première option: Optimisation du GF actuel

On comparera cette option aux résultats de l'option 2 : remplacement du GF qui est présentée ci-après.

Pour l'option 2 « Optimisation via le remplacement du GF actuel », la meilleure solution consiste à transmettre le profil de besoin à différents fournisseurs. Cela signifie le profil estival relevé dans Détail No2 et les données annuelles issues de Détail No3.

Pour le choix du fluide frigorifique du nouveau groupe froid, on peut mettre en exergue quelques règles empiriques:

• Pour des machines de tailles modeste à moyenne < 300 kWfr, on choisira typiquement les fluides suivants:
  • propane si le GF est en extérieur
  • CO2, si l'on privilégie une récupération de chaleur
• pour des machine de grande taille:
  • NH3 fait sens

On discutera évidemment avec le fournisseur pour déterminer la meilleure solution.

Lorsque l'on disposera des données des fournisseurs, on disposera aussi des performances annuelles nouvelles et on pourra alors calculer les économies associées à cette option 2, tant par rapport aux performances actuelles que par rapport aux optimisations du GF actuel (économies option 1).

Décision

Usuellement, si la différence dans les économies entre les options 1 et 2 dépasse 20%, le remplacement du groupe est à envisager.

Certaines particularités ou opportunités peuvent influencer la forme et les performances du nouveau GF. Il s'agit notamment de:

• Possibilité de valoriser la chaleur rejetée par le GF
• Recours potentiel au free-cooling
• Optimisations de la distribution et des auxiliaires

Valorisation de la chaleur versus free cooling

Les deux mesures permettent des économies. La meilleure option dépend de la situation et des besoins de chaud et de froid.

Le free cooling consiste à utiliser l'air extérieur, en période froide, pour refroidir directement le réseau d'eau glacée, à l'aide d'un aérorefroidisseur. De cette manière, le compresseur du groupe froid n'a pas besoin de fonctionner.

Les étapes de l'étude sont les suivantes:

• Définir la température nécessaire du réseau de froid et voir si cette température peut être atteinte avec T° extérieure : T°besoin ≥ T°ext FC + 3°C de pincement
• Définir le nombre d'heures de fonctionnement du free cooling sur une année

A partir de ces données, le potentiel d'économie d'énergie sur le GF peut être estimé.

La récupération de chaleur consiste à récupérer l'énergie dissipée au niveau du condenseur du groupe froid, et à valoriser cette chaleur pour le chauffage ou l'ECS. Evidemment, lorsque l'on travaille en free cooling, en saison froide, le fait que le compresseur ne tourne pas, va limiter les possibilités de récupérer de la chaleur.

Les questions à se poser sont les suivantes:

• A-t-on besoin de chaleur ?
• Quel niveau de température s'impose ?
• Quand et en quelle saison faut-il de la chaleur ?
• De quelle quantité de chaleur a-t-on besoin ?

A partir de ces données, le potentiel d'économie d'énergie thermique peut être estimé.

Estimation des gains associés au free cooling

Dans Détail No 6, il est possible d'intégrer les données du site et les heures de free-cooling mensuels. La fiche détermine alors les économies d'électricité associées. Evidemment plus la température de départ de l'eau glacée est élevée, plus l'effet du free cooling est important.

Estimation des économies d'énergie thermique associées à la récupération de chaleur

Dans Détail No 5, il est possible d'intégrer les besoins mensuels de froid en % du besoin estival et parallèlement d'introduire les besoins de chaleurs mensuels. Dans Détail No 7, le taux de simultanéité des besoins de chaleur versus la chaleur récupérable est introduit et l'énergie récupérable calculée.

Comparaison des effets des deux mesures

En introduisant les coûts de l'électricité et ceux du gaz (ou du mazout), le Detail No 8 compare les économies d'énergie, financières et d'émissions de CO2. Il est alors possible de choisir la meilleure option.

Des économies importantes peuvent être obtenues sur la distribution ou les consommateurs.

Nous avons vu l'importance de la T de départ et du différentiel de T entre l'aller et le retour précédemment.

Isolation des conduites

On notera qu'il est important que les réseaux froids soient bien isolés pour limiter les pertes thermiques et également éviter la condensation qui provoque l'oxydation des tuyauteries et des appareillages.

De ce fait, une attention particulière devra être portée à l'état du calorifuge. Un remplacement des parties détériorées doit être effectué.

Pompes primaires et secondaires

• Vérifier le bon dimensionnement des pompes ainsi que ses paramètres de fonctionnement. A noter que si une régulation de la pompe est prévue sur le primaire, il sera impératif de réguler le circuit secondaire. Les réglages doivent être définis en corrélation avec les points de consigne.
• Vérifier que le débit secondaire soit inférieur au débit primaire. Si cela n'est pas le cas, il existe probablement un phénomène de mélange entre l'aller et le retour, qui a pour conséquence une augmentation de la température de départ. Le débit du réseau secondaire doit être diminué.
• Si le besoin en froid est variable, la mise en place de variateurs de vitesse sur les pompes est préconisée. De cette manière, les pompes sont modulées en fonction du besoin, ce qui diminue le débit du fluide et par conséquent la puissance électrique absorbée par les pompes.
• Analyser les vannes au niveau des émetteurs de froid. Dans le cas de variation de vitesse, les vannes 3 voies devront être remplacées par des vannes 2 voies qui permettent d'adapter le débit en fonction de la demande.

_KA-01a Monitoring MON v1.0

_KA-03a Monitoring MON v1.0

_KA-03b Monitoring MON v1.0

_KA-03c Monitoring MON v1.0

_KA-04a Monitoring MON v1.0

_KA-04b Monitoring MON v1.0

_KA-04c Monitoring MON v1.0

_KA-05a Monitoring MON v1.0

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