Variateurs pour applications de réfrigération et de refroidissement industriels

Andy Pye examine comment les variateurs de vitesse aident à maintenir au frais des aliments et des médicaments dans les applications de réfrigération industrielle.

Depuis environ 200 ans, les technologies de réfrigération ont progressivement contribué à la fourniture de biens et services essentiels, tels que :

• Conservation des aliments
• Processus médicaux
• Chauffage et climatisation urbains

L'industrie a été marquée par des impacts environnementaux négatifs bien documentés résultant de l'appauvrissement de la couche d'ozone par des réfrigérants nocifs liés au réchauffement climatique. Suite à la signature des protocoles de Montréal et de Kyoto, des progrès significatifs ont été réalisés, réduisant de 90% la production de CFC, HCFC et HFC entre 1988 et 2005.

Cependant, avec une population mondiale qui devrait atteindre 9 milliards d'ici 2050 et une espérance de vie plus longue, la consommation de toutes les ressources liées aux processus liés à la réfrigération signifie que la demande augmentera considérablement.

L'impact de la consommation d'énergie sur l'environnement

L'utilisation de l'énergie fournit généralement le plus grand centre de coûts pour toute installation de réfrigération. Déjà, la consommation d'énergie des équipements de réfrigération représente 15 % de la consommation mondiale d'électricité (souvent plus de 20 % dans les pays développés ). La plupart des pays produisent encore de l'électricité à partir de combustibles fossiles, ce qui souligne un impact supplémentaire énorme sur le réchauffement climatique dû à l'utilisation d'équipements de réfrigération.

Par conséquent, il est urgent de :

• Améliorer le coefficient de performance (COP) des équipements de réfrigération (en d'autres termes, réduire la consommation d'électricité par unité ).
• Construire des systèmes de consommation d'énergie plus intégrés et hautement contrôlés dans l'ensemble d'un bâtiment.
• Passez à de nouveaux réfrigérants qui n'endommagent pas la couche d'ozone et n'émettent pas de CO2.
• Accroître la couverture mondiale des solutions de réfrigération hautement efficaces qui adoptent les meilleures pratiques.

De nombreux systèmes de réfrigération et de climatisation exigent des procédés fiables, plus efficaces, compacts, respectueux de l'environnement, faciles à installer et à entretenir. Les besoins en refroidissement varient sur une large plage au cours de la journée et au cours de l'année en raison de facteurs tels que les conditions ambiantes, l'occupation et l'utilisation, et l'éclairage.

Il peut également être nécessaire d'avoir un contrôle stable et précis de la température et de l'humidité dans des domaines tels que les hôpitaux, l'informatique et les télécommunications. Dans les applications telles que les écoles, les restaurants et les immeubles de bureaux, il est important que le système de refroidissement soit capable de s'adapter aux larges variations quotidiennes de charge.

Dans les applications de refroidissement de processus telles que la fermentation, les tunnels de culture et les processus industriels, des réglages de température précis sont nécessaires pour garantir la qualité de la production.

Il existe plusieurs façons de moduler la capacité de refroidissement dans les systèmes de réfrigération ou de climatisation et de chauffage. Les plus courants en climatisation sont :le cyclage simple marche-arrêt, le by-pass gaz chaud, l'utilisation (ou pas ) d'injection liquide, configurations de plusieurs compresseurs et technologie Inverter .

Modulation de capacité est un moyen d'adapter la capacité de refroidissement à la demande de refroidissement et aux exigences de l'application. Le compresseur est spécialement conçu pour fonctionner à différentes vitesses de moteur afin de moduler la puissance de refroidissement. Un onduleur contrôle la vitesse du moteur du compresseur pour moduler la capacité de refroidissement.

Technologie à vitesse variable peut être mis en œuvre dans les applications HVACR, de contrôle rapproché et de refroidissement de processus et dans les unités de climatisation monobloc ou divisées, les toits, les refroidisseurs, le refroidissement de précision, les VRF et les unités de condensation.

L'utilisation de variateurs hautes performances avec des moteurs à aimants permanents maximise l'efficacité énergétique des produits de réfrigération industrielle. Les installations typiques peuvent voir de fortes augmentations du coefficient de performance (COP) d'environ 15 %, ce qui se traduit par d'énormes économies d'énergie et des coûts de cycle de vie réduits, avec un retour sur investissement souvent en moins de 12 mois.

Le compresseur et le variateur doivent être qualifiés pour fonctionner ensemble et pour des applications dédiées. Le variateur module la vitesse du compresseur et l'empêche également de fonctionner hors des limites de fonctionnement du compresseur. Les variateurs de fréquence à onduleur besoin d'utiliser des algorithmes développés spécifiquement pour le chauffage, la ventilation et la climatisation (HVAC) ou pour la réfrigération - ceux-ci garantissent que le système fonctionnera dans les limites de l'application.

Les unités à débit de réfrigérant variable (VRF) sont des systèmes de refroidissement ou réversibles très populaires pour le chauffage et le refroidissement. Ils allient flexibilité pour les propriétaires et les occupants des bâtiments, efficacité énergétique, confort élevé et facilité d'installation, sans compromis sur la fiabilité. Les systèmes VRF utilisent largement la technologie des onduleurs.

Exemples d'économies d'énergie grâce à des variateurs de vitesse

L'installation d'un grand variateur de fréquence autonome à vitesse variable de la gamme Unidrive SP a amélioré le contrôle de la température dans les chambres froides du fabricant de produits alimentaires de Portadown (Irlande du Nord) Henry Denny, et est en bonne voie pour permettre une économie massive d'environ £ 23 400 sur leur facture d'électricité annuelle - une réduction de 50 % de la consommation totale d'électricité de l'usine !

L'entreprise fabrique une large gamme de tartes, de rouleaux de saucisses, de pâtisseries et de tourtes maison et un complexe de 20 chambres réfrigérées stocke une énorme quantité non seulement de la propre production de l'entreprise, mais, comme le site agit comme un dépôt de distribution régional pour l'Irlande du Nord. , il contient également plusieurs milliers de fromages, beurre, jambons et bacon d'autres sociétés du groupe Kerry.

Ailleurs, à Calgary, au Canada, des économies d'énergie de 35 % sur une installation de réfrigération sont réalisées dans une épicerie. Ici, un nouveau système de refroidissement composé de deux nouveaux compresseurs et refroidisseurs à condenseur et l'entreprise devait minimiser les coûts d'exploitation. Un variateur de fréquence Commander SK à vitesse variable par refroidisseur contrôle tous les ventilateurs simultanément. Les variateurs sont intégrés dans un panneau conçu sur mesure.

Pendant la majeure partie de l'année, le condenseur fonctionne à une fraction de sa pleine capacité. Dans l'ancien système, le contrôle du refroidissement du condenseur était réalisé à l'aide de contacteurs pour éteindre et rallumer les ventilateurs à vitesse fixe par paires. Il en résultait que les ventilateurs tournaient constamment et ne fournissaient pas le contrôle précis de la température requis.

Comme la pression de consigne était constamment dépassée, une dilatation et une contraction excessives du fluide frigorigène entraînaient une fatigue mécanique des conduites. Avec le temps, cela pourrait entraîner une défaillance de la tuyauterie ou des connecteurs.

Quatre moteurs fonctionnant à mi-vitesse consomment beaucoup moins d'énergie que deux moteurs à pleine puissance. De plus, des changements en douceur de la vitesse du ventilateur consomment moins d'énergie que des démarrages répétés. Dans ce système contrôlé par VFD , non seulement il y a une économie d'énergie significative, mais la pression et la température sont régulées très précisément, ce qui réduit les contraintes sur l'ensemble du système.

Législation applicable

La norme et la législation qui s'appliquent sont la norme ISO 50001 (la norme de gestion de l'énergie) et la législation sur l'efficacité à charge partielle des performances saisonnières (SEER).

L'ISO 50001:2011 spécifie les exigences relatives à l'établissement, la mise en œuvre, la maintenance et l'amélioration d'un système de management de l'énergie. Son objectif est de permettre à une organisation de suivre une approche systématique pour parvenir à une amélioration continue de la performance énergétique, y compris l'efficacité énergétique, l'utilisation et la consommation d'énergie. L'ISO 50001:2011 s'applique à toutes les variables affectant la performance énergétique qui peuvent être surveillées et influencées par l'organisation. Il spécifie les exigences applicables aux pratiques de mesure, de documentation et de rapport, de conception et d'approvisionnement pour les équipements, les systèmes, les processus et le personnel qui contribuent à la performance énergétique.

En Europe, l'efficacité saisonnière des équipements de réfrigération, des refroidisseurs et des climatiseurs est souvent évaluée par le taux d'efficacité énergétique saisonnier européen (ESEER) qui est défini par la société de certification Eurovent. Au Royaume-Uni, un taux d'efficacité énergétique saisonnier (SEER) pour les produits de réfrigération et de climatisation, similaire à l'ESEER mais avec des facteurs de pondération de profil de charge différents, est utilisé pour une partie des calculs de la réglementation sur la construction, partie L, dans le cadre du modèle énergétique simplifié du bâtiment ( SBEM) et sont utilisés dans la production de certificats de performance énergétique (EPC) pour les nouveaux bâtiments au Royaume-Uni et dans l'Union européenne ; tous deux dans le cadre de la directive européenne sur la performance énergétique des bâtiments (EPBD).

La formule de SEER peut être présentée comme suit :
SEER =a (EER à 25 % de charge) + b (EER à 50 % de charge) + c (EER à 75 % de charge) + d (EER à 100 % de charge)
où a,b,c et d sont les facteurs de pondération du profil de charge pertinents pour l'application proposée.

Une norme similaire à l'ESEER aux États-Unis est le taux d'efficacité énergétique intégré (IEER).

L'ESEER est calculé en combinant les taux d'efficacité énergétique (EER) de fonctionnement à pleine charge et à charge partielle, pour différentes températures saisonnières de l'air ou de l'eau, et en incluant les facteurs de pondération appropriés.