Choix de réfrigérants pour la réfrigération commerciale Trouver le bon équilibre

Choix de réfrigérants pour la réfrigération commerciale Trouver le bon équilibre
Choix de réfrigérants pour
la réfrigération commerciale
Trouver le bon équilibre
Les faits et chiffres publiés dans cette étude théorique sont basés sur des hypothèses classique de la profession et les coéfficients de performance sont
extraits de documents publics. Emerson Climate Technologies ne peut être tenu responsable de problèmes survenant lors de l'application de données
contenues dans cette étude.
2
SOMMAIRE
5. Configurations des cas
1. Préambule
1.1.
Introduction
4
5.1.
Introduction
17
1.2.
Glossaire
5
5.2.
Cas
17
1.3.
Résumé
5
6. Comparaison des cas et résultats"
2. Choix de réfrigérants pour la réfrigération commerciale -
6.1.
Trouver le bon équilibre
2.1.
Introduction
7
2.2.
Portée de l'étude
7
6.2.
3. Types de systèmes
Consommation énergétique
18
- Europe du Nord
18
- Europe du Sud
18
Impact sur l'environnement / Empreinte carbone 20
- Europe du Nord
20
- Europe du Sud
20
22
3.1.
Détente directe centralisée
8
6.3.
Coûts d'investissement
3.2.
Détente directe répartie
9
6.3.1.
Structure des coûts d'investissement et
3.3.
Système en cascade
10
pondérations des systèmes
3.4.
Système secondaire
11
composants du système
22
3.5.
Système au R744 transcritique booster
12
Comparaison des coûts d'investissement
26
6.3.2.
7. Constatations et discussions
4. Définition du système
4.1.
Conditions saisonnières de fonctionnement
13
7.1.
Constatations
27
4.2.
Charges
13
7.2.
Addition des trois critères
29
4.3.
Charges parasites
13
4.4.
Rendement et coefficient de performance (COP) 13
4.5.
Climat
14
4.6.
Supermarché modèle
14
4.7.
Facteur carbone
14
4.8.
Durée de vie
14
4.9.
Récupération en fin de vie
14
4.10.
Charge en réfrigérant par kW de charge
14
4.11.
Taux de fuite en réfrigérant
14
4.12.
Charges, conditions de fonctionnement
et charges auxiliaires pour les calculs
15
4.13.
Valeurs de GWP
15
4.14.
Limites d'applicabilité
16
8. Conclusion générale
31
3
1
Préambule
1.1. Introduction
Emerson Climate Technologies favorise des solutions permettant de préserver les aliments tout en
protégeant l'environnement. La réduction de l'empreinte carbone et de l'impact sur le changement
climatique grâce à une utilisation responsable de l'énergie est un objectif environnemental capital.
Cette étude est destinée à aider nos clients à atteindre ces objectifs, en les guidant dans le processus
décisionnel complexe de définition de systèmes de réfrigération, pour de nouveaux bâtiments ou de
grands projets de rénovation. Cette étude est axée sur le réfrigérant mais prend également en compte
l'architecture et la technologie du système de réfrigération qui ont un impact sur la consommation énergétique, l'environnement et les coûts d'investissement. Les supermarchés ont été choisis pour cette
étude car ils offrent le meilleur potentiel pour intégrer les derniers principes de conception en réfrigération
afin d'améliorer les performances environnementales.
Quatorze combinaisons de technologies de systèmes et de réfrigérants sont étudiées ici, et appelées
« cas ». Cette étude définit le réfrigérant, la technologie de compresseur et le type de système pour
chaque cas, ainsi que les alternatives et les conditions de fonctionnement associées.
Nous avons pris comme référence un supermarché ayant une surface de vente de 1000-1200 m2, soit
le format typique en Europe. Ce supermarché, le « Cas 1 », est la base à laquelle sont comparées différentes
combinaisons de réfrigérants et de technologies.
Cette étude comprend cinq combinaisons réfrigérant/technologie pour les systèmes de réfrigération
de supermarché : détente directe centralisée (DX), détente directe répartie, système en cascade, système
secondaire et système booster au R744 trans-critique
4
1.2. Glossaire
Impact sur l'environnement
BT
Basse température
• En Europe, le R404A est le réfrigérant le plus utilisé en
CO2
Dioxyde de carbone
réfrigération. Cependant, il est possible de réduire
COP
Coefficient de performance
considérablement les émissions en améliorant les systèmes et
DX
Détente directe centralisée
en adoptant un réfrigérant ayant un coefficient de réchauffement
EVI
Injection de vapeur
global ( GWP) plus faible.
GWP
Coefficient de réchauffement global
HFC
Hydrofluorocarbone
HFO
Hydrofluoro-oléfine
• Les systèmes à détente directe répartie peuvent réduire les
émissions directes grâce à une charge moindre et à des taux de
fuites plus faibles, avec des groupes fabriqués en usine.
• Les compresseurs Scroll à connexions brasées contribuent à ces
MT
Moyenne température
ODP
Coefficient de destruction de la couche d'ozone
Recip.
Compresseurs semi-hermetique à pistons
• Les systèmes répartis à détente directe au R407A/F ou R404A
TEWI
Coefficient de réchauffement global total
représentent une très bonne alternative, surtout en Europe du
réductions.
Sud.
1.3. Préambule Résumé
Cette étude analyse les différentes combinaisons de technologies
et de réfrigérants sous trois angles principaux qui orientent les
décisions d'aujourd'hui : consommation énergétique, impact sur
l'environnement et coût d'investissement.
Les conclusions principales de l'étude sont les suivantes :
• Les systèmes secondaires offrent les TEWI les plus faibles, car la
charge en réfrigérant est moindre.
• Les valeurs de TEWI peuvent être améliorées en remplaçant le
R404A par le R134a pour le refroidissement à moyenne
température. Le R134a n'est pas approprié à la basse
température.
• Le booster R744 est une configuration excellente pour réduire
Consommation énergétique
• Les technologies les plus récentes comme les compresseurs
Copeland Scroll™ ZF avec injection de vapeur (EVI) et ZB,
offrent le meilleur rendement avec un gain allant jusqu'à 12 %
par rapport aux compresseurs à pistons semi-hermétiques.
• La consommation énergétique est généralement supérieure
pour les systèmes autres qu'à détente directe, à cause de la
barrière de transfert de chaleur additionnelle entre les circuits
basse température (BT) et moyenne température (MT).
• Un compresseur Scroll utilisant le réfrigérant R407A/F (Le R407A
et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants
ont été regroupés pour simplifier l'étude.) est une
excellente solution en terme de rendement énergétique.
• La meilleure option de remplacement du R404A en détente
directe est le R407A/F, plus favorable que le R134a.
La cascade R744/R407A/F est une bonne alternative.
• Le R744 a des propriétés de transfert de chaleur particulièrement
bonnes ce qui autorise des différences de température plus
faibles au sein des 'échangeurs de chaleur, améliorant ainsi le
le TEWI en Europe du Nord. Les systèmes secondaires utilisant
du R744 et du R410A peuvent même offrir des valeurs de TEWI
légèrement inférieures.
• La cascade utilisant du R407A/F à moyenne température réduit
la consommation énergétique, mais comme il n'y a pas d'économies d'émissions directes pour la basse température, le TEWI
est environ 4 % supérieur à celui de l'alternative au R134a. Cependant, le coût d'investissement est considérablement inférieur.
• Un système secondaire élimine pratiquement l'effet des
émissions directes. Un refroidisseur au R410A peut être utilisé
à moyenne température et à basse température en cascade, et
le taux de fuite d'un groupe fabriqué en usine est considérablement réduit.
• En utilisant du R290 ou du HFO pour le refroidisseur, même cette
petite émission directe peut être éliminée, mais avec un surcoût
associé à des précautions de sécurité supplémentaires.
• Le HFO (Hydrofluoro-oléfine) est un remplaçant potentiel du
R134a dans les systèmes secondaires à moyenne température
car il offre un rendement similaire.
rendement du système.
• En mode transcritique, les coefficients de performance (COP )
sont inférieurs à ceux des systèmes à compression de vapeur
classiques. Les climats les plus chauds (Europe du Sud) pénalisent
le R744.
Coûts d'investissement
• Les systèmes répartis génèrent le plus faible coût
d'investissement, mais ils ne peuvent être appliqués qu'à des
édifices appropriés (installations du type roof top).
5
• Le passage de la détente directe à d'autres systèmes entraîne
des coûts d'investissement supplémentaires.
• Les systèmes booster au R744 offrant l'élimination des HFC et
des réfrigérants inflammables nécessitent l'investissement le
plus élevé.
• Le passage du R404A au R134a pour la moyenne température
améliore le TEWI mais génère un impact sur le coût
d'investissement.
• Une alternative excellente au R134a dans les systèmes moyenne
température est le R407A/F, en terme de coûts d'investissement
et de consommation énergétique.
• L'utilisation du R290 ou du HFO dans un refroidisseur afin de
réduire considérablement les émissions directes entraîne un
surcoût associé à des précautions de sécurité supplémentaires.
• Comme la quantité de R744 nécessaire pour atteindre la même
puissance frigorifique est bien inférieure à celle des HFC, de
nombreux composants comme les compresseurs et tuyaux
peuvent être plus petits que dans les installations classiques.
• Les circuits de réfrigération au CO2 transcritique fonctionnent
à des pressions bien supérieures à celles des systèmes classiques
au R404A . Ceci nécessite des composants et des techniques
d'assemblage peu répandus actuellement dans le secteur de la
réfrigération pour les supermarchés.
• Le fonctionnement en mode trans-critique, qui requiert une
conception différente de celle des systèmes classiques aux HFC,
est inconnu de la plupart des techniciens de maintenance en
réfrigération, causant donc un problème de sécurité.
• Le R744 n'est pas largement utilisé dans les systèmes de
réfrigération. Cela limite le choix des composants, qui en outre
sont généralement plus coûteux. Les pressions élevées
nécessitent également des matériaux et des conceptions plus
pointues et plus coûteuses.
• Le passage à un système booster au R744 nécessiterait
actuellement un changement complet de l'architecture du
magasin. Par conséquent, dans de nombreux cas, cette solution
risque de rester limitée à quelques nouvelles constructions, alors
que la plupart des projets de rénovation resteraient basés sur les
HFC. Durant la phase d'évaluation, les différentes alternatives
devront également être évaluées pour répondre à diverses
contraintes telles que l'investissement, le fonctionnement et la
maintenance du système.
6
2
Choix de réfrigérants pour la réfrigération commerciale - Trouver le bon équilibre
2.1. Introduction
Toute alternative de combinaison réfrigérant et de technologie
Le débat sur ce qui constitue le « bon choix » de réfrigérant pour
doit :
les applications de réfrigération commerciale s'est intensifié ces
1. offrir des propriétés de sécurité éprouvées et conformes aux
dernières années, spécialement parce que des études sur les fuites
ont révélé les véritables effets des émissions de HFC dans les
systèmes centralisés. Des réductions considérables des émissions
sont certainement possibles, mais elles impliquent des coûts.
dernières règlementations ;
2. respecter l'environnement avec un coefficient de destruction
de l'ozone (ODP) égal à zéro et un GWP faible ;
3. offrir une disponibilité à long terme à un coût raisonnable ; et
4. offrir des rendements égaux ou supérieurs aux meilleures
À l'heure actuelle en Europe, le R404A est le fluide le plus
technologies actuelles basées sur le R404A pour générer une
couramment utilisé en réfrigération Bien qu'il soit non toxique et
faible consommation énergétique.
ait un coefficient de destruction de l'ozone (ODP) égal à zéro, il
possède un coefficient de réchauffement global (GWP) élevé.
Par souci de simplicité, nous avons pris comme référence un
Il est possible de réduire considérablement les émissions néfastes
supermarché ayant 'une surface de vente entre 1 000 et 1 200 m2,
pour l'environnement en utilisant des systèmes alternatifs et en
représentatif du format de magasin typique en Europe. Les armoires
passant à des réfrigérants ayant un GWP plus faible.
réfrigérées et à surgelés dans ce magasin utilisent toutes le R404A
pour leur refroidissement. Un local technique renfermant la centrale
Par exemple, des alternatives aux systèmes de détente directe
de réfrigération fonctionne avec des vitrines dotées d'évaporateurs
(DX) avec un local technique centralisé ont été utilisées avec succès.
à détente directe (DX).
Les réfrigérants naturels comme le R744 offrent l'avantage
La puissance frigorifique requise pour maintenir les vitrines en
d'émissions proches de zéro, bien qu'ils puissent présenter des
température est appelée « charge ». Les autres charges, comme celles
inconvénients en terme de consommation énergétique, d'émissions
des zones de préparation d'aliments, des chambres froides ou des
indirectes et de coût d'investissement.
comptoirs-vitrines, sont ignorées. Bien que nous sommes conscients
que de nombreux utilisateurs envisagent l'intégration de la
Nous avons réellement besoin d'une analyse précise de différents
climatisation, du chauffage et de la récupération de chaleur, ces
systèmes de réfrigération et des réfrigérants qu'ils utilisent, ainsi
« solutions totales » ne sont pas traitées dans cette étude.
que des problèmes liés à l'abandon du R404A, au GWP trop élevé.
C'est l'objectif de cette étude.
De telles solutions peuvent certes avoir un impact sur le rejet de
chaleur et l'architecture d'un système, mais nous pensons que les
2.2. Portée de l'étude
En tant qu'acteurs responsables, Emerson Climate Technologies
et ses clients, ont pour objectif capital la réduction de l'empreinte
carbone et de l'impact sur le changement climatique grâce à une
utilisation responsable de l'énergie.
systèmes de refroidissement de vitrines jouent toujours un rôle
majeur, et ce sont ces systèmes qui sont l'objet de cette étude.
Quatorze combinaisons réfrigérant/technologie sont analysées en
profondeur afin de fournir des informations comparables.
Elles sont désignées comme cas 1 à 14.
Le supermarché « cas 1 » est la base de comparaison des combinaisons
Cette étude est destinée à aider nos clients à atteindre ces objectifs.
Elle est axée sur le réfrigérant, ainsi que sur l'architecture et la
technologie du système de réfrigération, qui ont ainsi un impact
sur l'environnement, l'investissement et les coûts de
réfrigérant/technologie.
Le réfrigérant, la technologie de compresseur et le type de système
pour chaque cas, ainsi que des alternatives et les conditions de
fonctionnement associées, sont présentés dans cette étude.
fonctionnement.
Lorsque l'on envisage de remplacer le R404A, il est nécessaire
d'examiner quatre critères en particulier.
7
3
Types de systèmes
Cette étude comprend cinq combinaisons réfrigérant/technologie
considérablement selon les pays et le type d'installation.
pour des systèmes de réfrigération de supermarchés.
Même dans les meilleurs systèmes, on constate toujours de légères
fuites de réfrigérant (entre 2 et 3 % de la charge du système par
3.1. Détente directe centralisée
an). Il est également impossible d'éviter quelques défaillances
C'est un système à détente directe utilisant des HFC pour la basse
catastrophiques engendrant la perte totale de la charge en
température (BT) et la moyenne température (MT) (respectivement
réfrigérant. Pour un nouveau système de réfrigération classique
pour les vitrines réfrigérées négatives et positives).
au R404A en détente directe en Europe, nous avons utilisé un taux
de fuite annuel moyen de 15 %. Le taux de fuite peut être moindre
La solution à détente directe centralisée, comprenant deux
dans certains pays mais supérieur dans d'autres, à cause des
systèmes complètement séparés (BT et MT), est typique des
différents niveaux de connaissance technique.
systèmes installés dans les supermarchés en Europe à l'heure
Les points de fuite les plus courants pour les systèmes de
actuelle. Chaque système utilise une centrale multi-compresseurs
réfrigération, selon le guide « REAL Zero » , sont les suivants :
comprenant de trois à huit compresseurs à pistons semihermétiques ou Scroll. La centrale, située dans un local technique,
• vannes d'arrêt /à boisseau sphérique /Schrader;
est reliée à un aéro-condenseur situé à l'extérieur. Le liquide
• joints flare et mécaniques;
réfrigérant haute pression alimente les vitrines du magasin,
• soupapes et bouchons fusibles;
généralement via un réservoir de liquide . Le réfrigérant gazeux
• condenseurs;
revient ensuite à la centrale via la ligne d'aspiration. La haute
• pressostats;
pression est généralement contrôlée par variation du débit d'air.
• tubes capillaires;
La haute pression est ainsi maintenue aussi basse que possible,
• coudes en U des évaporateurs et condenseurs.
lorsque la température extérieure est basse. La température de
condensation minimale est supposée être 20 °C pour les circuits
De plus, le taux de fuite global prend en compte les fuites
frigorifiques comportant un aéro-condenseur.
« catastrophiques ». Ce terme est utilisé pour décrire toute perte
Le taux de fuite de réfrigérant des systèmes de supermarché varie
majeure de réfrigérant qui se produit en un seul incident.
Détente directe centralisée
condenseur
compresseurs
évaporateur BT ou MT
8
3.2. Détente directe répartie
Ce système est similaire à la détente directe centralisée, mais les
compresseurs sont généralement situés à proximité du condenseur.
Au lieu d'un local technique central, de plus petits compresseurs
sont montés dans chaque groupe de condensation. Les groupes
de condensation sont généralement montés sur les toits, chacun
étant directement positionné au-dessus d'un groupe de vitrines
afin d'éviter de longues lignes de réfrigérant. Les groupes de
condensations peuvent être assemblés en usine, ce qui permet
d'optimiser leur qualité et simplifie le processus de construction,
qui est alors plus rapide, plus efficace, plus sûr et moins coûteux.
Cette approche réduit également la charge en réfrigérant et le
taux de fuite, grâce à l'utilisation de tuyauteries de plus petit
diamètre. Cependant, cette solution n'est pas toujours utilisable,
en fonction de l'emplacement et de la structure du bâtiment.
Compresseurs situés à proximité du condenseur
Détente directe répartie
Condenseur +
compresseurs
Évaporateur BT ou MT
9
3.3. Système en cascade
Avec cette technologie, un système à détente directe centralisée
La haute pression (entre 30 et 35 bars environ) est toujours dans
au HFC est utilisé en moyenne température, et le système BT
les limites de conception normales pour les tuyauteries et les
comporte un circuit séparé qui rejette sa chaleur vers l'évaporateur
composants (généralement 40 bars).
du système MT.
La différence de température nécessaire au transfert de chaleur au
Le circuit BT a une température de condensation basse si bien que
travers de cet échangeur supplémentaire représente une légère
le R744 (CO2) peut être utilisé en mode subcritique sans pressions
perte de rendement énergétique par rapport à un système à
excessives. Les difficultés ne sont pas fondamentalement différen-
détente directe.
tes de celles des systèmes utilisant des réfrigérants classiques.
Système en cascade
Condenseur
Compresseurs
MT
Évaporateur MT
Compresseurs
BT
Évaporateur BT
10
3.4. Système secondaire
Un réfrigérant secondaire distribue le froid à moyenne température
Les systèmes à réfrigérant secondaire nécessitent une pompe pour
dans tout le supermarché. Les dispositifs basse température sont
faire circuler le fluide dans l'enceinte du supermarché.
identiques à ceux du système en cascade décrit au chapitre 3.3.
L'échangeur thermique requiert une différence de température
pour le transfert de chaleur, donc la température d'évaporation
La chaleur des vitrines réfrigérées est transférée à l'évaporateur
MT doit être inférieure à celle du réfrigérant secondaire, ce qui
MT en faisant circuler un fluide secondaire, généralement du glycol.
entraîne une augmentation de la consommation énergétique du
Les échangeurs de chaleur peuvent être placés à proximité des
compresseur. Dans cette étude, nous avons supposé une différence
compresseurs. Lorsqu'ils sont associés à un aéro-condenseur ,
de température de 5 K, soit une température d'évaporation MT
l'ensemble peut être livré sous la forme d'une unité pré-assemblée
de -10 °C.
similaire à un refroidisseur de liquide. Il en résulte une charge en
réfrigérant MT considérablement réduite, et le taux de fuite de
Les systèmes secondaires nécessitent moins de temps de
réfrigérant est moindre grâce à la fabrication en usine.
maintenance que les solutions à détente directe.
Système secondaire
Condenseur
Compresseurs
MT
Refroidisseur MT
Compresseurs
BT
Évaporateur BT
11
3.5. Système transcritique booster au R744
Ce modèle utilise le R744 (CO2) dans les systèmes BT et MT.
Le liquide et le gaz sont séparés dans une bouteille flash, dans
Les compresseurs BT agissent comme des boosters pour remonter
laquelle la pression est régulée entre 35 et 40 bars environ.
de l'étage BT vers l'étage MT.
Le liquide est ensuite distribué aux vitrines MT et BT par une ligne
liquide à cette pression intermédiaire. La vapeur est amenée via
Pour des températures ambiantes supérieures à environ 23°C, la
un détendeur additionnel vers l'aspiration des compresseurs MT.
pression de refoulement des compresseurs est supérieure à la
L'utilisation d'un compresseur séparé peut s'avérer une méthode
pression critique du R744 (74 bars). Le condenseur agit alors
adéquate pour augmenter le rendement du système dans les
comme un refroidisseur de gaz et fait chuter la température de la
régions les plus chaudes
vapeur sans la condenser . Le fluide refroidi passe dans une vanne
de réduction de pression, et à ce stade une partie est condensée
en liquide.
Système transcritique booster au R744
Condenseur
Bouteille
Flash
Compresseurs
MT
Évaporateur MT
Compresseurs
BT
Évaporateur BT
12
4
Définition du système
Dans cette étude, des simplifications ont été effectuées afin que
de contrôle ont une influence importante sur le rendement du
les calculs de consommation énergétique et d'impact sur l'environ-
système. Un fonctionnement au mode subcritique peut donner
nement restent facilement compréhensibles. Ces simplifications
un meilleur rendement que les systèmes conventionnels actuels.
peuvent ne pas être appropriées à un système particulier, mais
Cette amélioration de rendement est nécessaire pour compenser
cette approche permet véritablement une comparaison réaliste,
le faible COP transcritique qui accompagne les conditions à haute
puisque les mêmes conditions sont applicables pour chaque cas.
température ambiante. La situation géographique joue par là un
Des différences émanant de la nature du système, du réfrigérant
rôle important. Au plus le climat est chaud, au plus le système
et du type de compresseur existent en fonction des cas.
fonctionnera en mode transcritique.
Pour cette étude, nous avons considéré le scénario le plus favorable
4.1. Conditions de fonctionnement saisonnières
pour le système transcritique au CO2. Des études ont montré que
Une température de condensation de 25 °C a été utilisée pour
des systèmes transcritique au CO2 optimisés, utilisés à la fois côté
représenter des conditions de fonctionnement moyennes en
BT et MT peuvent fonctionner avec des COP moyens similaires à
Europe du Nord, et de 30 °C en Europe du Sud (voir « Climat » ci-
ceux des systèmes équipés de compresseurs semi-hermétiques
dessous).
à pistons au R404A dans le climat de l'Europe du Nord. Cette
comparaison est normalement effectuée lors de l'évaluation des
avantages d'une solution utilisant des réfrigérants naturels. Pour
4.2. Charges
cela, on bénéficie des pertes de charge inférieures du R744 et de
Les charges ont été supposées constantes tout au long de l'année.
meilleures propriétés de transfert de chaleur.
Le sous-refroidissement est également un avantage avec le R744,
4.3. Charges parasites
et est normalement requis dans un système au R744 optimisé
Les pertes des lignes d'aspiration et les pertes de charge sont
pour atteindre le COP souhaité ici.
négligées.
Pour le système au R404A, nous avons supposé que la haute
pression est fixée au minimum à 20 °C de condensation, pour
4.4. Rendement et coefficient de performance
(COP)
toutes les conditions ambiantes en-dessous de 10 °C. Par contre
la haute pression du R744 est autorisée à être flottante jusqu'à
Les données des compresseurs proviennent du logiciel de sélection
une température bien inférieure. Le graphique ci-dessous illustre
Copeland® Select version 7 et de logiciels ou catalogues d'autres
l'évolution relative du COP en fonction de la température
fabricants de compresseurs. Nous avons choisi des compresseurs
extérieure.
à pistons semi-hermétiques et scroll, utilisant la toute dernière
Le système du cas 1 (référence) avec la technologie scroll indique
technologie disponible. Le COP est défini comme COP du
une amélioration du COP moyen MT d'environ 10% par rapport
compresseur, c'est-à-dire comme le ratio entre la puissance
aux compresseurs à pistons classiques. Pour le climat d'Europe du
frigorifique et la puissance électrique publiées aux conditions de
Nord, nous avons supposé que la solution au R744 peut atteindre
condensation et d'évaporation spécifiées dans le tableau de la
le même COP moyen qu'une solution classique utilisant un
section 4.12. La technologie transcritique au CO2 en est encore à
compresseur à pistons. Pour l'Europe du Sud, il est considéré que
ses débuts en termes de développement, et bien que des données
le système transcritique au CO2 fonctionne avec un COP moyen
de compresseurs soient publiées, les méthodes d'application et
10% inférieur à celui d'un système MT aux HFC.
R744 sub-critique
R744
meilleur
COP
HFC
HFC, contrôlé côté haute pression
plus faible EN
R744
R744 transcritique
0
10
20
Température de l'air extérieur (°C)
30
40
13
4.5. Climat
La température de condensation moyenne des HFC de 25 °C utilisée
Il s'agit de la période adoptée dans l'exemple présenté dans les
pour les conditions d'Europe du Nord est basée sur une température
directives TEWI de l'association de réfrigération et de l'institut de
extérieure moyenne de 15 °C, avec une différence de température
réfrigération britanniques.
au condenseur de 10 K. Ceci avec une température de condensation
contrôlée à 20 °C minimum, et donc en comptant à 10 °C toutes
4.9. Récupération en fin de vie
les heures où la température extérieure est en fait inférieure à 10 °C.
Il est supposé que 95 % de la charge de réfrigérant est récupérée
L'examen des profils de température pour un certain nombre de
après la période de 10 ans, et non rejetée dans l'environnement.
villes d'Europe du Nord a révélé que, sur cette base, la température
extérieure moyenne se situe entre 14 et 16 °C, donc 15°C est une
bonne moyenne. Une analyse des tranches saisonnières sépare les
températures extérieures annuelles en différents segments (bins).
Les charges et les consommations énergétiques pour tous les
segments sont additionnées. Le ratio de ces totaux est le COP
saisonnier, qui s'est avéré presque identique à la valeur sélectionnée
à 25 °C de condensation.
Une ville typique d'Europe du sud a une température extérieure
moyenne de 18 à 20 °C. Dans cette étude, une température de
condensation moyenne de 30 °C a été prise pour l'Europe du Sud,
4.10. Charge en réfrigérant par kW de charge
Pour un système à détente directe réparti, la charge est égale à
75 % de celle d'un système centralisé équivalent. Pour les systèmes
en cascade, la charge à moyenne température en kg par kW de
charge est la même que pour un système à détente directe
centralisée. Les niveaux de charge secondaires en MT se basent sur
ceux d'un refroidisseur fabriqué en usine.
Charge en réfrigérant, kg/kW de charge
Détente directe centralisée basse température
4
Détente directe basse température répartie
3
4.6. Supermarché modèle
Détente directe centralisée moyenne température
2
Cette étude porte sur le système de réfrigération d'un supermarché
Détente directe moyenne température répartie
1.5
européen typique. Nous avons supposé les charges continues
Température moyenne secondaire , R410A
0.5
suivantes pour un supermarché de 1000 à 1200 m2 :
Température moyenne secondaire , R290
0.75
Température moyenne secondaire , HFO
1
en utilisant la même approche que pour l'Europe du Nord.
MT : 75 kW et BT : 18kW.
4.7. Facteur carbone
Le facteur carbone est la quantité de dioxyde de carbone (CO2)
4.11. Taux de fuite en réfrigérant
émise par kWh d'électricité produite. Il dépend de la proportion
Un système à détente directe répartie a un taux de fuite inférieur
d'électricité générée à partir de combustibles fossiles, du type de
d'un tiers à celui d'un système centralisé, car il nécessite moins de
combustibles fossiles et du rendement du carbone.
tuyauteries et comprend généralement un petit système fabriqué
Par exemple, quand l'énergie provient d'une source renouvelable
en usine, utilisant des compresseurs scroll hermétiques. Avec ce
comme l'énergie éolienne ou hydraulique, le facteur est faible.
type de système à faible charge, une perte de réfrigérant peut
Nous avons utilisé un facteur moyen de 0,4 kg de CO2/kWh pour
rapidement être détectée et stoppée. Les taux de fuite pour les
l'Europe. Cette donnée provient d'une étude de la Direction
cas MT avec secondaire sont basés sur ceux d'un refroidisseur
générale de l'énergie et des transports de la Commission
fabriqué en usine.
européenne (EU DG-TREN) intitulée : “European Energy and
Transport Trends to 2030 (PRIMES), Bruxelles”.
Taux de fuite en réfrigérant, % de charge par an
Détente directe centralisée basse température
15
Détente directe basse température répartie
10
L'analyse TEWI est basée sur une durée de vie du système de 10
Détente directe centralisée moyenne température
15
ans. Les données représentent les émissions de CO2 et la
Détente directe moyenne température répartie
10
consommation d'énergie électrique sur une période de 10 ans.
Température moyenne secondaire
4.8. Durée de vie
14
5
Ces hypothèses sont basées sur des données actuelles publiées
reflétant la situation actuelle.
Cependant, plusieurs règlementations sont déjà en application
pour réduire les fuites des installations de réfrigération, et donc
réduire le TEWI (émissions directes).
4.12. Charges, conditions de fonctionnement et
charges auxiliaires pour les calculs
Basse température
Détente
directe
centralisée
et répartie
Cascade
Secondaire
Charge (kW)
18
18
Température d'évaporation (°C)
-35
Moyenne température
Booster
au R744
Détente
directe
centralisée
et répartie
Cascade
18
18
75
97
97
97
-32
-32
-32
-5
-10
-10
-5
25 ou 30
-5
-5
optimisé
25 ou 30
25 ou 30
25 ou 30
optimisé
Surchauffe (K)
10
10
10
10
10
10
10
10
Sous-refroidissement (K)
0
0
0
0
0
0
0
optimisé
5
5
Type de système
Température de condensation (°C)
Différence de température pour
l'échangeur de la cascade (K)
Puissance du ventilateur
du condenseur (kW)
Ventilateurs de l'évaporateur , lampes,
dégivrage (kW)
R744
Secondaire Transcritique
1
0
0
0
3.5
4.5
4.5
4.5
4
4
4
4
10
10
10
10
Pompe (kW)
1
Notes:
- Les données du R407A/F sont basées sur des points milieux
qui qui permettent d'obtenir des températures d'évaporation et
de condensation moyennées.
Réfrigérant
GWP
R404A
3922
R407A
2107
intergouvernemental sur le changement climatique) :
R407F
1824
« Changement climatique 2007 ».
R410A
2088
R134a
1430
HFO
4
R290
3
R744
1
4.13. Valeurs de GWP
Les valeurs de GWP utilisées dans cette étude proviennent du
quatrième rapport d'évaluation de l'IPCC (Panel
Nous avons négligé le carbone compris dans les matériaux utilisés
pour fabriquer les locaux techniques, dans la production des
principaux composants et du réfrigérant, ainsi que l'énergie utilisée
pour la fabrication et la distribution.
15
4.14. Limites d'applicabilité
L'étude fait référence à la technologie utilisée dans les supermarchés
européens actuels (2010).
Les constatations ne doivent pas être directement appliquées à
d'autres types de systèmes de réfrigération ou de climatisation.
Les installations varient considérablement en fonction d'un grand
nombre de facteurs, notamment :
• Préférences régionales : des technologies diverses sont utilisées
selon les pays à travers l'Europe, en raison des différentes
caractéristiques de la vente au détail, des conditions
réglementaires et pour des raisons historiques.
Les niveaux de compétence des techniciens de maintenance
doivent également être pris en compte.
• Climat : des conditions typiques pour l'Europe du Nord et du Sud
ont été choisies, mais certains profils de températures annuelles
européens comportent des différences.
• Préférences domestiques et d'entreprise : même au sein d'un
même pays, les chaînes de magasins de distribution peuvent
avoir des préférences différentes pour les installations de
réfrigération. Certaines préfèrent installer des systèmes de
meilleure qualité mais de coût plus élevé. Certaines préférences
peuvent aussi ne pas être basées sur le coût, mais sur d'autres
facteurs tels que l'uniformité ou la facilité de maintenance.
La technologie de réfrigération utilisée dans les supermarchés se
développe rapidement, et il existe un intérêt considérable pour les
systèmes de réfrigération et les réfrigérants alternatifs.
Le but de cette étude est de souligner les différences dans les
facteurs clés entre les systèmes utilisant les bonnes pratiques
actuelles et les futurs systèmes alternatifs envisageables.
16
5
Configurations des cas
5.1. Introduction
Les quatorze cas suivants ont été analysés.
Les systèmes en cascade comprennent un circuit BT au R744, avec
Le cas 1, qui sert de référence, dispose de la technologie la plus
différentes alternatives de réfrigérant MT. Les systèmes secondaires,
récente avec le scroll à injection de vapeur (EVI) à basse
qui n'ont pas de réfrigérant MT en circulation dans le magasin,
température et le scroll de type ZB à moyenne température.
peuvent utiliser des fluides inflam-mables ou même du HFO, parce
Tous les autres cas à détente directe utilisent différents types de
que le réfrigérant reste à l'extérieur des zones publiques et est
réfrigérants et de compresseurs. Les systèmes répartis intègrent
confiné à proximité du groupe refroidis-seur. Un système au R744
généralement des compresseurs scroll, qui sont plus légers et plus
complet est analysé dans le cas 14.
compacts que les compresseurs semi-hermétiques.
Deux options de réfrigérants ont été choisies pour les systèmes
Les cas 12 et 13 peuvent être retenus comme des solutions futures
répartis. Le fluide R134a réduit les avantages de la technologie du
possibles, et ont donc été inclus pour montrer les implications
système réparti, puisque environ 70 % de volume balayé
environnementales et financières possibles. La disponibilité des
supplémentaire est nécessaire, entraînant l'utilisation d'un
produits pour ces cas doit être étudiée avant d'envisager un système
équipement beaucoup plus volumineux, plus lourd et plus coûteux.
avec ces réfrigérants.
Le R134a n'est donc pas considéré comme une option pour les
systèmes répartis.
5.2. Cas
Cas
Modèle
Réfrigérant BT
Réfrigérant MT
Technologie BT
Technologie MT
1
DX
R404A
R404A
Scroll EVI
Scroll
2
DX
R404A
R404A
3
DX
R404A
R134a
Semi-hermetic
à pistons Reed
Semi-hermetic
à pistons Discus
Semi-hermetic
à pistons Reed
Semi-hermetic
à pistons Discus
4
DX
R407A/F*
R407A/F*
Scroll EVI
Scroll
5
Détente directe répartie
R404A
R404A
Scroll EVI
Scroll
6
Détente directe répartie
R407A/F*
R407A/F*
Scroll EVI
Scroll
7
Cascade
R744
R404A
Scroll
Scroll
8
Cascade
R744
R407A/F*
Scroll
Scroll
Semi-hermetic
à pistons Discus
9
Cascade
R744
R134a
Semi-hermetic
à pistons
10
Cascade
R744
R134a
Scroll
Scroll
11
Secondaire
R744
R410A Chiller
Scroll
Scroll
12
Secondaire
R744
R290 Chiller
Scroll
Scroll
13
Secondaire
R744
HFO Chiller
Scroll
Scroll
R744
Semi-hermetic
à pistons
Semi-hermetic
à pistons
14
Booster au R744
R744
* Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude.
17
Comparaison des cas et résultats
6.1. Consommation énergétique
La consommation énergétique annuelle (incluant celle des
de sélection Copeland® version 7, de logiciels d'autres fabricants
compresseurs, des vitrines et des pompes du réfrigérant secondaire
de compresseurs ou, pour les quelques cas où les données ne sont
pour chacun des cas) est conforme aux définitions ci-dessus.
pas disponibles, de données générales de rendement .
La puissance consommée des compresseurs provient du logiciel
Consommation énergétique, MWh/an, Europe du Nord
Basse température
Moyenne température
1. R404A Scroll (Base)
2. R404A Recip.
détente directe
3. R404A/R134a Recip.
4. R407A/F* Scroll
5. R404A Scroll
détente directe
répartie
6. R407A/F* Scroll
7. R744/R404A Scroll
8. R744/R407A/F*Scroll
Cascade
9. R744/R134a Recip.
10. R744/R134a Scroll
Case 1.
11. R744/R410A Scroll
12. R744/R290 Scroll
13. R744/HFO Scroll
Secondaire
14. R744/R744 Scroll/Recip.
Booster
0
100
200
300
400
500
* Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude.
Consommation énergétique, MWh/an, Europe du Sud
Basse température
Moyenne température
1. R404A Scroll (Base)
2. R404A Recip.
détente directe
3. R404A/R134a Recip.
4. R407A/F* Scroll
5. R404A Scroll
détente directe
répartie
6. R407A/F* Scroll
7. R744/R404A Scroll
8. R744/R407A/F* Scroll
Cascade
9. R744/R134a Recip.
10. R744/R134a Scroll
11. R744/R410A Scroll
Case 1.
6
12. R744/R290 Scroll
Secondaire
13. R744/HFO Scroll
14. R744/R744 Scroll/Recip.
Booster
0
100
200
300
* Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude.
18
400
500
600
Observations
1. Les données proviennent de modèles de compresseurs
représentatifs. Il existe un écart de COP entre les modèles, mais
la tendance reste nette.
un compresseur à pistons au R404A (cas 2) en Europe du Nord,
on observe donc la même consommation énergétique.
12. En Europe du Sud, le booster au R744 nécessite 10 % d'énergie
2. Les cas 1 et 4 utilisent des systèmes à détente directe avec des
en plus. La différence en besoin total en énergie est inférieure
compresseurs scroll, et les cas 2 et 3 des systèmes équivalents
à 10 %, car on suppose que les besoins des auxiliaires (vitrines,
avec des compresseurs à pistons semi-hermétiques.
ventilateurs, etc.) restent les mêmes.
Dernier cri de la technologie, les compresseurs scroll EVI offrent
le meilleur rendement, tout comme les compresseurs ZB
3. La consommation énergétique est généralement supérieure
Conclusion principale pour la consommation énergétique :
La meilleure option de remplacement de la technologie à détente
pour les systèmes autres qu'à détente directe, en raison de la
directe au R404A est le R407A/F. Pour les systèmes à détente
barrière de transfert de chaleur additionnelle entre les circuits
directe répartie et centralisée, la consommation énergétique totale
BT et MT.
est légèrement réduite par rapport à la référence au R404A.
4. L'utilisation du R407A/F avec un compresseur scroll (cas 4 et
6) offre la meilleure solution en termes de rendement
Les systèmes en cascade R744/R407A/F représentent également
une très bonne alternative.
énergétique.
5. Un système en cascade avec un compresseur scroll au R744 et
du R404A ou du R407A/F en MT (cas 7 et 8) présente une
consommation énergétique légèrement supérieure, en raison
d'une pression d'évaporation MT plus basse.
6. Un système en cascade avec un compresseur semi-hermétique
à pistons utilisant le R744 en BT et le R134a en MT (cas 9)
présente une nette augmentation des besoins en énergie.
7. Pour un même système utilisant la technologie scroll (cas 10),
la consommation énergétique en BT est réduite , en raison du
moindre besoin en puissance électrique du scroll au R744, ce
qui rapproche la consommation énergétique totale de celle de
la solution au R407A/F (cas 8).
8. Les cas 11 à 13 sont des systèmes secondaires avec diverses
options de réfrigérants en MT. La solution scroll au
R410A (cas 11) fournit la consommation énergétique totale la
plus basse au sein de la gamme des systèmes secondaires.
9. Le R290 (cas 12) a un rendement légèrement inférieur à celui
du R410A, donc la consommation énergétique est un peu plus
élevée.
10. Une transition éventuelle vers le réfrigérant HFO pourrait être
possible pour le refroidisseur MT (cas 13). Un rendement
similaire à celui du R134a est attendu, mais la consommation
énergétique est supérieure à celle du R410A, qui est optimale
(cas 11).
11. Le système booster au CO2 transcritique (cas 14) a un COP
moyen équivalent à celui d'un système à détente directe avec
19
6.2. Impact sur l'environnement / Empreinte
carbone
Les données des définitions ci-dessus fournissent les informations
valeurs relatives sont importantes. Les valeurs de TEWI indiquées
nécessaires pour calculer le TEWI pour chaque cas.
dans cette étude ne peuvent pas être directement comparées à celles
Le TEWI est un outil comparatif ; la précision des émissions de CO2
d'autres sources, études ou publications où des hypothèses différentes
sur la durée de vie dépend de diverses hypothèses, c'est pourquoi les
sont utilisées.
Émissions de CO2 sur la durée de vie, en tonnes (TEWI), Europe du Nord
MT Énergie
BT Énergie
MT fuite
BT fuite
1. R404A Scroll (Base)
2. R404A Recip.
Détente
directe
3. R404A/R134a Recip.
4. R407A/F* Scroll
5. R404A Scroll
Détente
directe
répartie
6. R407A/F* Scroll
7. R744/R404A Scroll
8. R744/R407A/F* Scroll
Cascade
9. R744/R134a Recip.
10. R744/R134a Scroll
Case 1.
11. R744/R410A Scroll
12. R744/R290 Scroll
Secondaire
13. R744/HFO Scroll
14. R744/R744 Scroll/Recip.
Booster
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
* Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude.
Émissions de CO2 sur la durée de vie, en tonnes (TEWI), Europe du Sud
MT Énergie
BT Énergie
MT fuite
BT fuite
1. R404A Scroll (Base)
2. R404A Recip.
Détente
directe
3. R404A/R134a Recip.
4. R407A/F* Scroll
5. R404A Scroll
Détente
directe
répartie
6. R407A/F* Scroll
7. R744/R404A Scroll
8. R744/R407A/F* Scroll
Cascade
9. R744/R134a Recip.
10. R744/R134a Scroll
Case 1.
11. R744/R410A Scroll
12. R744/R290 Scroll
Secondaire
13. R744/HFO Scroll
14. R744/R744 Scroll/Recip.
Booster
0
500
1000
1500
2000
* Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude.
20
2500
3000
3500
Observations
1. Le remplacement, dans les systèmes à détente directe, du fluide
10. Le scroll au R410A (cas 11) consomme moins de puissance
R404A par du R134a (en MT uniquement) ou du R407A/F (cas
électrique que le compresseur équivalent au R290 (cas 12) en
3 et 4 par rapport aux cas 1 et 2) offre une réduction significative
Europe du Sud. De ce point de vue, le choix du R290 ne présente
du TEWI. Le R407A/F est la meilleure option.
aucun avantage.
2. Un système réparti avec du R404A (cas 5) offre une réduction
11. Pour les applications avec secondaire, le HFO est une alternative
de TEWI similaire à celle du R407A/F dans un système à détente
possible au R134a puisqu'il offre un rendement semblable.
directe centralisée (cas 4).
Il pourrait être utilisé pour résoudre les problèmes de fuites ,
3. Un système réparti scroll au R407A/F (cas 6) offre une valeur
mais l'impact est minime comparé au R410A concernant le
de TEWI proche de celle de la solution booster au R744 (cas
TEWI (cas 11) et le système de refroidissement serait largement
14). En Europe du Sud, les émissions de CO2 pour le cas 6 sont
plus grand.
aussi basses que celles du cas 14.
4. Les systèmes en cascade (cas 7 à 10) sont pénalisés par
Conclusion principale sur le TEWI :
d'importants taux de fuite sur le système à détente directe
En Europe du Nord, l'option booster au R744 est une configuration
centralisée MT qui gère également le rejet de chaleur BT.
excellente pour le TEWI. Les systèmes secondaires avec du R744
Le résultat est une économie très faible si le R404A est utilisé
et du R410A peuvent même offrir des valeurs de TEWI légèrement
(cas 7).
inférieures.
5. Pour un TEWI bas, il faut choisir un réfrigérant à faible GWP
En Europe du Sud, tous les systèmes secondaires offriront de
(donc pas le R404A) pour les systèmes en cascade. Avec le
meilleures caractéristiques. Les systèmes à détente directe répartie
R404A (cas 7), l'effet des émissions liées aux fuites domine.
avec du R407A/F offrent une excellente alternative dans toutes
Passer à un réfrigérant de plus faible GWP comme le R134a ou
les régions.
le R407A/F (cas 8, 9, 10) engendre des réductions de TEWI, et
le GWP plus faible du R134a joue un rôle important pour assurer
les valeurs du TEWI des meilleures cascades (cas 9 et 10).
6. Les systèmes secondaires (cas 11 à 13) donnent les meilleures
valeurs de TEWI. Les émissions indirectes émanant de la
puissance consommée sont similaires à celles des systèmes en
cascade, mais les émissions directes sont faibles, même avec
le R410A (cas 11).
7. Avec des précautions de sécurité appropriées, des réfrigérants
inflammables peuvent être utilisés dans ces systèmes, mais pas
dans les systèmes à détente directe ni les systèmes en cascade.
Les systèmes avec des réfrigérants inflammables à faible GWP
(cas 12 et 13) donnent une indication de la réduction de TEWI
possible en utilisant cette approche.
8. Le système secondaire utilisant un refroidisseur scroll fabriqué
en usine comportant une faible charge de R410A, en supposant
un taux de fuite de 5 % (cas 11), offre une meilleure valeur de
TEWI que le système booster au R744.
9. En Europe du Sud, tous les systèmes secondaires (cas 11 à 13),
ainsi que le système à détente directe répartie au R407A/F
(cas 6), offrent de meilleures valeurs de TEWI que le système
booster au R744 (cas 14).
21
6.3. Coûts d'investissement
6.3.1. Structure des coûts d'investissement et
pondération des composants du système
Une structure simple pour les coûts d'investissement relatifs
a été construite pour les équipements de réfrigération, les
compresseurs, les condenseurs et l'installation a été construite
sur la base suivante :
Équipements de
réfrigération 100 %
Condenseurs 20%
Centrales de
compresseurs 40%
Compresseurs 35%
22
Autres composants
des centrales +
assemblage 65 %
Assemblage du
système et mise en
service 40%
Installation 95%
Réfrigérant 5%
Les vitrines de réfrigération ne sont pas incluses.
Dans ce cadre, en prenant comme référence un compresseur scroll
au R404A dans des systèmes centralisés, les pondérations suivantes
sont effectuées :
Compresseurs
Type
Scroll
Semi-hermetique à piston
0
20
40
60
80
100
120
Réfrigérant
R404A, R407A/F, R410A, R290
R134a, HFO
R744
0
20
40
60
80
100
120
140
160
20
40
60
80
100
120
140
160
Système
Détente directe centralisée
Détente directe répartie
Cascade, Secondaire
Booster au R744
0
Ces graphiques montrent les surcoûts applicables dans chaque
Exemples:
cas. Par exemple, concernant les compresseurs, nous avons un
• Un compresseur à pistons semi-hermétique au R134a aura un
surcoût de 20 % pour un compresseur à pistons semi-hermétique
par rapport à un scroll avec le même réfrigérant. Il n'y a pas de
surcoût pour la plupart des réfrigérants, bien qu'il y ait une pénalité
surcoût de 20 % (type) plus 20 % (réfrigérant) résultant en un
surcoût total de 40 % par rapport au Scroll de base au R404A.
• Un système booster utilisant du R744 aura un surcoût de 20 %
pour le R134a et le HFO (nécessité de 70 % de volume balayé en
(type) plus 20 % (réfrigérant) plus 40 % (système), résultant en
plus) et pour le R744 (technologie haute pression).
un surcoût total de 80 %. L'hypothèse a été réalisée pour des
Le type de système affecte également l'investissement pour le
compresseurs au CO2transcritiques ayant un gros volume de
compresseur. Une redondance de puissance frigorifique supérieure
production. Les prix et les coûts actuels pourraient être
est nécessaire pour les systèmes répartis, et les systèmes booster
considérablement plus élevés.
et en cascade requièrent un plus grand volume balayé puisque la
vapeur est comprimée deux fois.
23
Autres composants des centrales
Type
Scroll
Semi-hermetique à piston
0
20
40
60
80
100
120
Réfrigérant
R404A, R407A/F, R410A, R290
R134a, HFO
R744
0
20
40
60
80
100
120
140
Système
Détente directe centralisée
Détente directe répartie
Cascade, Secondaire
Booster au R744
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Le débit volumique supplémentaire du R134a et du HFO engendre
moins d'assemblage sur site, ce qui se reflète ci-dessous. Les
un coût additionnel de 20 %. Un surcoût de 20 % est également
systèmes en cascade et booster ont des circuits, des régulateurs
appliqué aux composants pour le R744. Les systèmes à détente
et des échangeurs de chaleur supplémentaires.
directe répartie impliquent plus de coûts pour la centrale, mais
24
Installation
Détente directe centralisée
Détente directe répartie
Cascade, Secondaire, Booster
0
20
40
60
80
100
120
140
0
20
40
60
80
100
120
140
Condenseur
Refroidisseur de gaz au R744
Tous, excepté le refroidisseur
de gaz au R744
Un surcoût de 30 % a été inclus pour le refroidisseur de gaz au
R744, le réservoir/séparateur et les régulateurs additionnels.
Réfrigérant
Coût relatif, R404A = 100
R404A
R407A/F
R134a
R410A
R290
R744
HFO
0
20
40
60
80
100
120
140
1300
L'élément réfrigérant représente seulement 5 % du coût total de
au R134a a été appliqué en absence d'informations spécifiques des
l'installation. Les pondérations ont donc peu d'importance, sauf
fabricants de réfrigérants. De plus, le R407A et le R407F ont un
pour le HFO où un coût très élevé est impliqué. Le coût du HFO
coût comparable.
restant très incertain, un coefficient multiplicateur de 10 par rapport
25
6.3.2. Comparaison des coûts d'investissement
Les données des définitions ci-dessus fournissent les informations
où, là encore, la détente directe avec un scroll au R404A est utilisée
nécessaires pour calculer le coût d'investissement total pour les
comme référence (100) et indique la part des principaux coûts
différents cas. Le graphique ci-dessous est un outil de comparaison
dans le total.
Comparaison des coûts d'investissement
Compresseurs
Autres composants
Installation
Condenseur
Réfrigérant
1. R404A Scroll (Base)
2. R404A Recip.
détente
directe
3. R404A/R134a Recip.
4. R407A/F* Scroll
5. R404A Scroll
détente
directe
répartie
6. R407A/F* Scroll
Case 1.
7. R744/R404A Scroll
8. R744/R407A/F* Scroll
9. R744/R134a Recip.
Cascade
10. R744/R134a Scroll
11. R744/R410A Scroll
12. R744/R290 Scroll
Secondaire
13. R744/HFO Scroll
14. R744/R744 Scroll/Recip.
Booster
0
20
40
60
80
100
120
140
160
* Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude.
Observations
• Les systèmes répartis ont le coût le plus faible, mais peuvent
uniquement être appliqués dans une architecture/structure de
bâtiment appropriée.
• Le passage d'un système à détente directe à un système en
cascade, avec secondaire ou au R744 impliquera des coûts
supplémentaires.
26
• L'utilisation de la technologie Scroll dans des systèmes en cascade
ou avec secondaire offre la meilleure alternative.
• Le coût du réfrigérant joue un rôle mineur, sauf dans le cas du
HFO.
• Les systèmes booster au R744 éliminant les HFC et les réfrigérants
inflammables demanderont le plus gros investissement.
7
Constatations et discussions
7.1. Constatations
Les systèmes indirects à détente directe
Les tableaux et les graphiques indiquent clairement la
• Les systèmes à détente directe répartie peuvent avoir des
consommation énergétique, l'impact sur l'environnement et les
émissions directes inférieures, grâce à la charge réduite et aux
implications des coûts d'investissement de différents systèmes de
taux de fuite faibles des unités fabriquées en usine.
supermarché. Les valeurs pour ces critères clés découlent
directement des hypothèses considérées et des données des
compresseurs. Les résultats ne sont pas basés sur des opinions ni
• Les compresseurs scroll avec des connexions brasées contribuent
à ces taux de fuite faibles.
• Normalement, les compresseurs scroll sont utilisés dans ce type
sur le besoin d'être perçus comme « écologistes », mais sur des
pour lesquelles un montage en toiture est possible. L'effet sur le
données quantifiées. Nous pouvons tirer un certain nombre de
TEWI peut être observé en comparant le cas 5 au cas 1.
constatations :
La consommation énergétique obtenue est égale à celle du cas
de base 1 bien que, en pratique, des économies devraient être
Pour les systèmes à détente directe :
possibles grâce à des tuyaux plus courts et de plus faible diamètre
• Le cas de référence 1 est un système à détente directe simple
(ce qui devrait réduire les pertes de charge et les pertes en
basé sur les meilleurs compresseurs, les scroll EVI et les ZB.
Les compresseurs de technologie haut de gamme offrent la
consommation énergétique la plus faible à un prix compétitif.
température).
• Le cas 6 montre les avantages de l'utilisation du R407A/F dans
cette configuration.
L'impact sur l'environnement de tels systèmes peut être
considérablement réduit en passant au fluide R407A/F.
• Les solutions utilisant des compresseurs semi-hermétiques pour
Pour les systèmes en cascade :
• Un système en cascade permet d'utiliser le R744 d'être appliqué
le même système montrent une consommation énergétique
dans le circuit BT en utilisant la technologie de compression de
environ10 % supérieure, donc un TEWI plus élevé.
vapeur traditionnelle. Dans le cas 7, le R404A est utilisé dans un
Les publications sur le rendement du R744 dans des systèmes
système à détente directe en MT. La charge totale sur le système
de supermarché font généralement la comparaison avec le
MT inclut le rejet de chaleur BT. Il en résulte un système à détente
rendement d'un système à détente directe utilisant un
directe plus grand, avec une charge proportionnellement plus
compresseur semi-hermétique au R404A , correspondant au
importante et des effets de fuite plus marqués.
cas 2 de notre étude.
• Les valeurs de TEWI peuvent être améliorées en remplaçant le
R404A par le R134a pour la moyenne température. En effet, on
note une réduction substantielle de l'effet des fuites en raison
• Le passage au R134a pour la MT améliore considérablement le
TEWI pour le système en cascade, mais génère un impact
important sur le coût.
• Un système en cascade avec du R407A/F en MT (cas 8) améliore
d'un GWP plus faible et de pressions moindres. Cependant, il y
la consommation énergétique, mais le TEWI est plus élevé
a un impact sur le coût en raison d'un volume balayé
d'environ 4 % que pour l'alternative au R134a (en raison d'un
supplémentaire de 70 %. De plus, le R134a est inapproprié pour
GWP plus élevé). Cependant, le coût est largement réduit.
les systèmes BT.
• Une alternative au R134a dans les systèmes MT est le R407A/F,
qui permet la conception d'un système compact, de manière
Pour les systèmes secondaires :
• Un système secondaire élimine virtuellement l'effet des émissions
similaire au R404A. Le rendement avec un scroll MT au R407A/F
directes. Un refroidisseur au R410A peut être utilisé pour la MT
est légèrement supérieur à celui du R404A ce qui, combiné à la
et la BT en cascade, et le taux de fuite du groupe fabriqué en
technologie d'injection de vapeur en BT, offre une meilleure
consommation énergétique totale inférieure et un TEWI plus
usine est faible.
• En utilisant du R290 ou du HFO pour le refroidisseur, même cette
faible par rapport à la solution à détente directe au R134a.
faible émission directe peut être éliminée, mais avec une pénalité
Le R407A/F dans un système à détente directe centralisée
de coût associée à des précautions de sécurité supplémentaires.
(cas 4) est la solution la plus rentable alors qu'un système à
détente directe répartie est peu pratique.
27
Pour les systèmes booster au R744 :
En examinant les systèmes au R744, nous pouvons faire un
Passer à un système booster au R744 entraînerait à l'heure actuelle
certain nombre d'observations. Il est nécessaire de tirer parti des
un changement d'architecture drastique pour le supermarché.
avantages suivants pour que le système atteigne les performances
Cette solution risque donc de rester limitée aux nouvelles
indiquées dans les graphiques de comparaison :
constructions, alors que la plupart des chantiers de rénovation
• Meilleur transfert de chaleur : le R744 possède des propriétés
resteraient basés sur les HFC.
de transfert de chaleur particulièrement bonnes, ce qui autorise
Sans des alternatives plus simples et moins onéreuses, les objectifs
des différences de température moindres au sein des échangeurs
de réduction de carbone pour 2020 seront difficile à atteindre.
thermiques, améliorant ainsi le rendement du système.
• Effet de refroidissement élevé : le volume de R744 requis pour
obtenir le même effet de refroidissement est très inférieur à celui
des HFC. Ceci permet à un grand nombre de composants
(comme les compresseurs et les tuyauteries) d'être plus petits
que dans les installations classiques.
Cependant, il faut également prendre en compte :
• La haute pression : les circuits de réfrigération au CO2 transcritique
fonctionnent à des pressions bien plus élevées (jusqu'à 110 bars)
que les systèmes au R404A classiques (jusqu'à 25 bars). Ceci
requiert l'utilisation de composants et de techniques
d'assemblage peu communs dans le secteur de la réfrigération
pour les supermarchés.
• La maintenance : le fonctionnement en mode transcritique
requiert une conception différente par rapport aux systèmes
HFC classiques, conception qui est peu connue de la plupart des
techniciens de maintenance en réfrigération pour les
supermarchés.
• Coût élevé : le R744 n'est pas largement utilisé dans les systèmes
de réfrigération. Ceci limite le choix des composants pour les
concepteurs, ce qui entraîne une tendance à l'augmentation des
coûts. Les pressions élevées nécessitent également des matériaux
et des conceptions plus contraignants et, par conséquent, d'un
coût plus élevé.
• Les performances faibles en conditions ambiantes élevées : en
mode transcritique, les COP sont alors plus faibles que pour les
systèmes à compression de vapeur classiques. En Europe du Sud,
ceci pénalise le R744.
28
7.2. Addition des trois critères
Ceci est une addition simple des valeurs relatives des trois paramètres : la consommation énergétique, l'impact sur l'environnement (TEWI) et le coût d'investissement. Tous les chiffres sont
exprimés en pourcentages par rapport au cas de base utilisant un
Scroll au R404A (cas 1).
Cas
1
2
3
4
6
7
8
Détente directe
répartie
Détente directe
Système
5
9
10
11
Cascade
12
13
Secondaire
14
Booster
Réfrigérant
Moyenne température
R404A
R404A
R134a R407A/F* R404A R407A/F* R404A R407A/F* R134a
R134a
R410A
chiller
R290
chiller
HFO
chiller
R744
Réfrigérant
Basse température
R404A
R404A
R404A R407A/F* R404A R407A/F*
Technologie du compr.
Moyenne et Basse Temp.
Scroll
Résultat
normalisé
À pistons À pistons
R744
R744
R744
R744
R744
R744
R744
R744
Scroll
Scroll
Scroll
Scroll
Scroll
À pistons
Scroll
Scroll
Scroll
Scroll
Scroll/
À pistons
Puissance
Base
12%
5%
-3%
0%
-3%
7%
4%
12%
9%
7%
9%
12%
12%
TEWI
Base
6%
-18%
-24%
-24%
-36%
-2%
-23%
-27%
-28%
-42%
-43%
-41%
-42%
Coût d'investissement
Base
3%
11%
0%
-14%
-13%
13%
13%
25%
21%
17%
18%
32%
48%
* Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude.
Meilleur choix
Deuxième meilleur choix
Troisième meilleur choix
Les résultats peuvent également être comparés dans le
graphique ci-dessous.
Comparaison globale
Puissance
TEWI
Coût d'investissement
1. R404A Scroll (Base)
2. R404A À pistons
Détente
directe
3. R404A/R134a À pistons
4. R407A Scroll
5. R404A/F* Scroll
Détente
directe
répartie
6. R404A/F* Scroll
7. R744/R404A Scroll
8. R744/R404A/F* Scroll
Cascade
9. R744/R134a À pistons
10. R744/R134a Scroll
11. R744/R410A Scroll
12. R744/R290 Scroll
Secondaire
13. R744/HFO Scroll
14. R744/R744 Scroll/À pist.
Booster
0
20
40
60
80
100
120
* Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude.
29
En supposant une importance égale pour ces 3 paramètres, une
moyenne a été calculée pour classer ces différentes combinaisons
réfrigérant/technologie.
Cas
1
Système
2
3
4
5
6
7
8
Détente directe
répartie
Détente directe
9
10
11
Cascade
12
13
14
Booster
Secondaire
Réfrigérant
Moyenne température
R404A
R404A
R134a R407A/F* R404A R407A/F* R404A R407A/F* R134a
R134a
R410A
chiller
R290
chiller
HFO
chiller
R744
Réfrigérant
Basse température
R404A
R404A
R404A R407A/F* R404A R407A/F*
Technologie du compr.
Moyenne et Basse Temp.
Scroll
Moyenne
Classement
À pistons À pistons
R744
R744
R744
R744
R744
R744
R744
R744
Scroll
Scroll
Scroll
Scroll
Scroll
À pistons
Scroll
Scroll
Scroll
Scroll
Scroll/
À pistons
100
7%
0%
-9%
-12%
-17%
6%
-2%
3%
1%
-6%
-5%
1%
6%
7
14
8
3
2
1
12
6
11
9
4
5
10
13
* Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude.
Nous constatons que le système réparti utilisant un scroll au R407A/F
Nous savons qu'un système réel ne correspondra précisément à aucun
est le meilleur choix (1re place) en combinant les trois critères.
des cas exposés dans cette étude mais cette analyse fournit des conseils
Les systèmes à détente directe R404A se placent en 2e position (cas 5).
utiles pour réaliser des comparaisons.
Cependant, lorsque l'installation d'un système réparti est impossible,
Il n'existe aucune solution universelle offrant un système de réfrigération
l'utilisateur peut se diriger vers un système à détente directe au R407A/F
de faible coût et sans émission de CO2. Cependant, cette étude devrait
avec un local technique séparé (cas 4, 3e place). Pour un client
offrir des indicateurs utiles permettant d'évaluer les valeurs relatives
recherchant le TEWI le plus faible tout en gardant un coût
des différents arguments formulés par les partisans de tel ou tel système.
d'investissement raisonnable, les systèmes secondaires (cas 11 et 12)
sont d'excellentes options (4e et 5e places).
En réalité, la pondération de ces facteurs par l'utilisateur final influencera
sensiblement la comparaison. Chaque client devra prendre une décision
en mettant l'accent sur les critères les plus importants pour ses activités.
Tandis qu'un client privilégiera un faible coût d'investissement, un autre
pourra préférer un faible impact sur l'environnement ou une faible
consommation énergétique.
Emerson Climate Technologies offre une large gamme de choix
technologiques répondant à tous ces cas. Le Scroll domine les solutions
haut de gamme et est surtout adapté aux systèmes à détente directe
répartie et aux systèmes secondaires, où sa compacité est un atout,
en utilisant la meilleure technologie au R410A disponible.
30
8
Conclusion générale
Aucune technologie ne peut être idéale sur tous les plans. La détente directe permet d'avoir la meilleure
efficacité énergétique, et de minimiser les coûts d'investissement. Pour optimiser les émissions de CO2
ou le TEWI, les systèmes transcritiques au CO2 peuvent apparaître comme la meilleure solution, s'ils sont
appliqués de telle façon que la consommation énergétique annuelle est équivalente à celle d'un système
à détente directe utilisant des compresseurs à pistons. Ceci est l'objectif habituel des concepteurs pour
ce type de systèmes, mais risque d'être difficile à atteindre pour les climats d'Europe du Sud.
Pour l'avenir, l'utilisation généralisée de systèmes transcritiques au CO2 restera liée au coût d'investissement
et à son temps d'amortissement. Les systèmes secondaires pourraient apparaître comme une bonne
alternative. Actuellement, l'utilisation du R407A/F (ou d'un autre réfrigérant de la série R407) semble
être un très bon compromis, si les fuites peuvent être maintenues dans les limites demandées, vu que
les émissions directes admissibles dépendent des valeurs du GWP. Un bon contrôle du taux de fuite
accentuera l'avantage de l'utilisation du R407A/F.
Les évolutions technologiques sont notamment guidées par la législation et le besoin d'être
« perçu comme sensible à la protection de l'environnement ». Des mesures à court terme telle une
législation simpliste peuvent aller à l'encontre de l'objectif global de réduction des émissions,
particulièrement si l'engagement de l'industrie est insuffisant. Chacune des alternatives aux systèmes
centralisés au R404A verra une technologie et un service poussés aux limites pour la réduction des fuites,
l'intégration énergétique des bâtiments et la récupération d'énergie. Un contrôle efficace est indispensable
pour s'assurer que les performances énergétiques attendues sont atteintes et constantes dans le temps.
31
Présentation d’Emerson Climate Technologies
Emerson Climate Technologies est le premier fournisseur mondial
de distribution afin d'offrir à rendement énergétique élevé, des
de solutions de chauffage, ventilation, conditionnement d’air et
solutions aux systèmes d'air conditionné, de chauffage et de
réfrigération pour les applications résidentielles, industrielles et
réfrigération , destinées à améliorer le confort, garantir la sécurité
commerciales. Le groupe allie une technologie de première classe
des denrées alimentaires et protéger l’environnement.
TGE124/0911/F
à des services éprouvés en matière d’ingénierie, de conception et
Pour plus d'informations, visitez : www.emersonclimate.eu
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Tel. +33 4 78 66 85 70 - Fax +33 4 78 66 85 71 - Internet: www.emersonclimate.eu
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