Variateurs de vitesse : maintenir aliments, médicaments et plus au frais en réfrigération industrielle

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

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

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

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

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

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

La consommation d'énergie représente généralement le plus gros poste de coûts pour toute installation de réfrigération. Déjà, la consommation d'énergie des équipements de réfrigération représente 15 % de l'utilisation mondiale d'électricité (souvent plus de 20 % dans les pays développés). La plupart des pays produisent encore de l'électricité en utilisant des combustibles fossiles et cela souligne un impact supplémentaire énorme sur le réchauffement climatique dû à l'utilisation d'équipements de réfrigération.

Par conséquent, il y a un besoin 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 un bâtiment entier.
• Passer à de nouveaux réfrigérants qui n'endommagent pas la couche d'ozone ou n'émettent pas de CO2.
• Augmenter la couverture mondiale de solutions de réfrigération hautement efficaces qui adoptent les meilleures pratiques.

De nombreux systèmes de réfrigération et de climatisation nécessitent des processus fiables qui sont plus efficaces, compacts, respectueux de l'environnement, faciles à installer et à entretenir. Les besoins de refroidissement varient sur une large gamme pendant la journée et l'année en raison de facteurs tels que les conditions ambiantes, l'occupation et l'utilisation, et l'éclairage.

Il peut aussi y avoir le besoin d'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 des applications telles que les écoles, restaurants et bâtiments de bureaux, il est important que le système de refroidissement puisse s'adapter à de 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 requis pour garantir la qualité de production.

Il y a plusieurs façons de moduler la capacité de refroidissement dans les systèmes de réfrigération, climatisation et chauffage. Les plus courants en climatisation sont : le cyclage simple marche/arrêt, le bypass de gaz chaud, l'utilisation (ou non) d'injection de liquide, configurations de compresseurs multiples et technologie onduleur (inverter).

La modulation de capacité est un moyen d'adapter la capacité de refroidissement à la demande de refroidissement selon les exigences de l'application. Le compresseur est spécifiquement conçu pour fonctionner à différentes vitesses de moteur pour moduler la sortie de refroidissement. Un onduleur contrôle la vitesse du moteur du compresseur pour moduler la capacité de refroidissement.

La technologie à vitesse variable peut être mise en œuvre dans les applications CVC (HVAC), contrôle précis et refroidissement de processus et dans les unités de climatisation packagées ou split, les unités sur toit, les groupes d'eau glacée, le refroidissement de précision, VRF et unités de condensation.

L'utilisation de variateurs haute performance avec moteurs à aimants permanents maximise l'efficacité énergétique dans les produits de réfrigération industrielle. Les installations typiques peuvent voir de grandes augmentations du Coefficient de Performance (COP) d'environ 15 %, résultant en d'énormes économies d'énergie et des coûts de cycle de vie plus bas, avec un retour sur investissement souvent en moins de 12 mois.

Le compresseur et le variateur doivent être qualifiés pour travailler ensemble et pour des applications dédiées. Le variateur module la vitesse du compresseur et l'empêche aussi de fonctionner en dehors des limites de fonctionnement du compresseur. Les variateurs de fréquence onduleur doivent utiliser des algorithmes développés spécifiquement pour le chauffage, la ventilation et la climatisation (CVC/HVAC) ou pour la réfrigération – ceux-ci assurent que le système fonctionnera dans les contraintes de l'application.

Les unités à Débit de Réfrigérant Variable (VRF/DRV) sont des systèmes de refroidissement ou réversibles pour chauffage et refroidissement très populaires. Elles combinent flexibilité pour les propriétaires et occupants, avec efficacité énergétique, confort élevé, et facilité d'installation, sans compromettre la fiabilité. Les systèmes VRF utilisent largement la technologie onduleur.

Exemples d'économies d'énergie utilisant des variateurs de vitesse

L'installation d'un gros variateur CA autonome de la gamme Unidrive SP a amélioré le contrôle de température dans les chambres froides du fabricant alimentaire Henry Denny à Portadown (Irlande du Nord), et est bien parti pour réaliser une économie massive d'environ 23 400 £ sur leur facture d'électricité annuelle – une réduction de 50 % de la consommation totale d'énergie de l'usine !

L'entreprise fabrique une large gamme de tourtes, rouleaux à saucisses, chaussons et hachis parmentiers et un complexe de 20 chambres froides stocke une énorme quantité non seulement de la production de l'entreprise, mais, comme le site agit comme un dépôt de distribution régional pour l'Irlande du Nord, il contient aussi des milliers de fromages, beurre, jambons et bacon d'autres entreprises du groupe Kerry.

Ailleurs, à Calgary, 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 condenseurs et l'entreprise devait minimiser les coûts d'exploitation. Un variateur CA Commander SK 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 capacité maximale. Dans l'ancien système, le contrôle du refroidissement du condenseur était réalisé en utilisant des contacteurs pour couper les ventilateurs à vitesse fixe par paires. Cela entraînait un cyclage constant des ventilateurs et l'incapacité à fournir le contrôle fin de température requis.

Parce que le point de consigne de pression était constamment dépassé, l'expansion et la contraction excessives du réfrigérant entraînaient une fatigue mécanique des tuyauteries. Avec le temps, cela pourrait mener à la rupture des tuyaux ou raccords.

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

Législation applicable

La norme et la législation qui s'appliquent sont ISO 50001 (la norme de gestion de l'énergie) et la Législation d'Efficacité Énergétique Saisonnière à Charge Partielle (SEER).

ISO 50001:2011 spécifie les exigences pour établir, mettre en œuvre, maintenir et améliorer un système de gestion de l'énergie. Son but est de permettre à une organisation de suivre une approche systématique pour atteindre l'amélioration continue de la performance énergétique, y compris l'efficacité énergétique, l'utilisation et la consommation d'énergie. ISO 50001:2011 s'applique à toutes les variables affectant la performance énergétique qui peuvent être surveillées et influencées par l'organisation. Elle spécifie les exigences applicables à la mesure, la documentation et le rapport, la conception et les pratiques d'approvisionnement pour les équipements, systèmes, processus et personnel qui contribuent à la performance énergétique.

En Europe, l'efficacité saisonnière des équipements de réfrigération, groupes d'eau glacée et climatiseurs est souvent évaluée par le European Seasonal Energy Efficiency Ratio (ESEER) qui est défini par la société de certification Eurovent. Au Royaume-Uni, un Seasonal Energy Efficiency Ratio (SEER) pour les produits de réfrigération et climatisation, similaire à l'ESEER mais avec différents facteurs de pondération de profil de charge, est utilisé pour une partie des calculs du Règlement de Construction Partie L dans le logiciel Simplified Building Energy Model (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 pour SEER peut être présentée comme suit :
SEER = a (EER@25% charge) + b (EER@50% charge) + c (EER@75% charge) + d (EER@100% charge)
où a,b,c,& d sont les facteurs de pondération de profil de charge pertinents pour l'application proposée.

Une norme similaire à l'ESEER aux États-Unis est l'integrated energy efficiency ratio (IEER).

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