Choix de réfrigérants pourla réfrigération commercialeTrouver le bon équilibre
2
Les faits et chiffres publiés dans cette étude théorique sont basés sur des hypothèses classique de la profession et les coéfficients de performance sontextraits de documents publics. Emerson Climate Technologies ne peut être tenu responsable de problèmes survenant lors de l'application de donnéescontenues dans cette étude.
3
1. Préambule
1.1. Introduction 4
1.2. Glossaire 5
1.3. Résumé 5
2. Choix de réfrigérants pour la réfrigération commerciale -
Trouver le bon équilibre
2.1. Introduction 7
2.2. Portée de l'étude 7
3. Types de systèmes
3.1. Détente directe centralisée 8
3.2. Détente directe répartie 9
3.3. Système en cascade 10
3.4. Système secondaire 11
3.5. Système au R744 transcritique booster 12
4. Définition du système
4.1. Conditions saisonnières de fonctionnement 13
4.2. Charges 13
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
5. Configurations des cas
5.1. Introduction 17
5.2. Cas 17
6. Comparaison des cas et résultats"
6.1. Consommation énergétique 18
- Europe du Nord 18
- Europe du Sud 18
6.2. Impact sur l'environnement / Empreinte carbone 20
- Europe du Nord 20
- Europe du Sud 20
6.3. Coûts d'investissement 22
6.3.1. Structure des coûts d'investissement et
pondérations des systèmes
composants du système 22
6.3.2. Comparaison des coûts d'investissement 26
7. Constatations et discussions
7.1. Constatations 27
7.2. Addition des trois critères 29
8. Conclusion générale 31
SOMMAIRE
1.1. Introduction
Emerson Climate Technologies favorise des solutions permettant de préserver les aliments tout enprotégeant l'environnement. La réduction de l'empreinte carbone et de l'impact sur le changementclimatique 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 processusdécisionnel complexe de définition de systèmes de réfrigération, pour de nouveaux bâtiments ou degrands projets de rénovation. Cette étude est axée sur le réfrigérant mais prend également en comptel'architecture et la technologie du système de réfrigération qui ont un impact sur la consommation éner-gétique, l'environnement et les coûts d'investissement. Les supermarchés ont été choisis pour cetteétude car ils offrent le meilleur potentiel pour intégrer les derniers principes de conception en réfrigérationafin 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 pourchaque 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, soitle format typique en Europe. Ce supermarché, le « Cas 1 », est la base à laquelle sont comparées différentescombinaisons de réfrigérants et de technologies.
Cette étude comprend cinq combinaisons réfrigérant/technologie pour les systèmes de réfrigérationde supermarché : détente directe centralisée (DX), détente directe répartie, système en cascade, systèmesecondaire et système booster au R744 trans-critique
4
Préambule1
1.2. Glossaire
BT Basse température
CO2 Dioxyde de carbone
COP Coefficient de performance
DX Détente directe centralisée
EVI Injection de vapeur
GWP Coefficient de réchauffement global
HFC Hydrofluorocarbone
HFO Hydrofluoro-oléfine
MT Moyenne température
ODP Coefficient de destruction de la couche d'ozone
Recip. Compresseurs semi-hermetique à pistons
TEWI Coefficient de réchauffement global total
1.3. Préambule RésuméCette 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 :
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
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.
Impact sur l'environnement
• En Europe, le R404A est le réfrigérant le plus utilisé en
réfrigération. Cependant, il est possible de réduire
considérablement les émissions en améliorant les systèmes et
en adoptant un réfrigérant ayant un coefficient de réchauffement
global ( GWP) plus faible.
• 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
réductions.
• Les systèmes répartis à détente directe au R407A/F ou R404A
représentent une très bonne alternative, surtout en Europe du
Sud.
• 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
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'écono-
mies d'émissions directes pour la basse température, le TEWI
est environ 4 % supérieur à celui de l'alternative au R134a. Cepen-
dant, 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 considérable-
ment 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.
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
6
• 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.
7
2.1. IntroductionLe débat sur ce qui constitue le « bon choix » de réfrigérant pour
les applications de réfrigération commerciale s'est intensifié ces
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.
À l'heure actuelle en Europe, le R404A est le fluide le plus
couramment utilisé en réfrigération Bien qu'il soit non toxique et
ait un coefficient de destruction de l'ozone (ODP) égal à zéro, il
possède un coefficient de réchauffement global (GWP) élevé.
Il est possible de réduire considérablement les émissions néfastes
pour l'environnement en utilisant des systèmes alternatifs et en
passant à des réfrigérants ayant un GWP plus faible.
Par exemple, des alternatives aux systèmes de détente directe
(DX) avec un local technique centralisé ont été utilisées avec succès.
Les réfrigérants naturels comme le R744 offrent l'avantage
d'émissions proches de zéro, bien qu'ils puissent présenter des
inconvénients en terme de consommation énergétique, d'émissions
indirectes et de coût d'investissement.
Nous avons réellement besoin d'une analyse précise de différents
systèmes de réfrigération et des réfrigérants qu'ils utilisent, ainsi
que des problèmes liés à l'abandon du R404A, au GWP trop élevé.
C'est l'objectif de cette étude.
2.2. Portée de l'étudeEn 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.
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
fonctionnement.
Lorsque l'on envisage de remplacer le R404A, il est nécessaire
d'examiner quatre critères en particulier.
Toute alternative de combinaison réfrigérant et de technologie
doit :
1. offrir des propriétés de sécurité éprouvées et conformes aux
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
technologies actuelles basées sur le R404A pour générer une
faible consommation énergétique.
Par souci de simplicité, nous avons pris comme référence un
supermarché ayant 'une surface de vente entre 1 000 et 1 200 m2,
représentatif du format de magasin typique en Europe. Les armoires
réfrigérées et à surgelés dans ce magasin utilisent toutes le R404A
pour leur refroidissement. Un local technique renfermant la centrale
de réfrigération fonctionne avec des vitrines dotées d'évaporateurs
à détente directe (DX).
La puissance frigorifique requise pour maintenir les vitrines en
température est appelée « charge ». Les autres charges, comme celles
des zones de préparation d'aliments, des chambres froides ou des
comptoirs-vitrines, sont ignorées. Bien que nous sommes conscients
que de nombreux utilisateurs envisagent l'intégration de la
climatisation, du chauffage et de la récupération de chaleur, ces
« solutions totales » ne sont pas traitées dans 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
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
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.
Choix de réfrigérants pour la réfrigération commerciale - Trouver le bon équilibre2
8
Cette étude comprend cinq combinaisons réfrigérant/technologie
pour des systèmes de réfrigération de supermarchés.
3.1. Détente directe centraliséeC'est un système à détente directe utilisant des HFC pour la basse
température (BT) et la moyenne température (MT) (respectivement
pour les vitrines réfrigérées négatives et positives).
La solution à détente directe centralisée, comprenant deux
systèmes complètement séparés (BT et MT), est typique des
systèmes installés dans les supermarchés en Europe à l'heure
actuelle. Chaque système utilise une centrale multi-compresseurs
comprenant de trois à huit compresseurs à pistons semi-
hermétiques ou Scroll. La centrale, située dans un local technique,
est reliée à un aéro-condenseur situé à l'extérieur. Le liquide
réfrigérant haute pression alimente les vitrines du magasin,
généralement via un réservoir de liquide . Le réfrigérant gazeux
revient ensuite à la centrale via la ligne d'aspiration. La haute
pression est généralement contrôlée par variation du débit d'air.
La haute pression est ainsi maintenue aussi basse que possible,
lorsque la température extérieure est basse. La température de
condensation minimale est supposée être 20 °C pour les circuits
frigorifiques comportant un aéro-condenseur.
Le taux de fuite de réfrigérant des systèmes de supermarché varie
considérablement selon les pays et le type d'installation.
Même dans les meilleurs systèmes, on constate toujours de légères
fuites de réfrigérant (entre 2 et 3 % de la charge du système par
an). Il est également impossible d'éviter quelques défaillances
catastrophiques engendrant la perte totale de la charge en
réfrigérant. Pour un nouveau système de réfrigération classique
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
dans certains pays mais supérieur dans d'autres, à cause des
différents niveaux de connaissance technique.
Les points de fuite les plus courants pour les systèmes de
réfrigération, selon le guide « REAL Zero » , sont les suivants :
• vannes d'arrêt /à boisseau sphérique /Schrader;
• joints flare et mécaniques;
• soupapes et bouchons fusibles;
• condenseurs;
• pressostats;
• tubes capillaires;
• coudes en U des évaporateurs et condenseurs.
De plus, le taux de fuite global prend en compte les fuites
« catastrophiques ». Ce terme est utilisé pour décrire toute perte
majeure de réfrigérant qui se produit en un seul incident.
Types de systèmes3
condenseur
compresseurs
évaporateur BT ou MT
Détente directe centralisée
9
3.2. Détente directe répartieCe 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
Condenseur +compresseurs
Évaporateur BT ou MT
Détente directe répartie
3.3. Système en cascadeAvec cette technologie, un système à détente directe centralisée
au HFC est utilisé en moyenne température, et le système BT
comporte un circuit séparé qui rejette sa chaleur vers l'évaporateur
du système MT.
Le circuit BT a une température de condensation basse si bien que
le R744 (CO2) peut être utilisé en mode subcritique sans pressions
excessives. Les difficultés ne sont pas fondamentalement différen-
tes de celles des systèmes utilisant des réfrigérants classiques.
La haute pression (entre 30 et 35 bars environ) est toujours dans
les limites de conception normales pour les tuyauteries et les
composants (généralement 40 bars).
La différence de température nécessaire au transfert de chaleur au
travers de cet échangeur supplémentaire représente une légère
perte de rendement énergétique par rapport à un système à
détente directe.
10
Condenseur
CompresseursMT
Évaporateur MT
Évaporateur BT
CompresseursBT
Système en cascade
11
3.4. Système secondaireUn réfrigérant secondaire distribue le froid à moyenne température
dans tout le supermarché. Les dispositifs basse température sont
identiques à ceux du système en cascade décrit au chapitre 3.3.
La chaleur des vitrines réfrigérées est transférée à l'évaporateur
MT en faisant circuler un fluide secondaire, généralement du glycol.
Les échangeurs de chaleur peuvent être placés à proximité des
compresseurs. Lorsqu'ils sont associés à un aéro-condenseur ,
l'ensemble peut être livré sous la forme d'une unité pré-assemblée
similaire à un refroidisseur de liquide. Il en résulte une charge en
réfrigérant MT considérablement réduite, et le taux de fuite de
réfrigérant est moindre grâce à la fabrication en usine.
Les systèmes à réfrigérant secondaire nécessitent une pompe pour
faire circuler le fluide dans l'enceinte du supermarché.
L'échangeur thermique requiert une différence de température
pour le transfert de chaleur, donc la température d'évaporation
MT doit être inférieure à celle du réfrigérant secondaire, ce qui
entraîne une augmentation de la consommation énergétique du
compresseur. Dans cette étude, nous avons supposé une différence
de température de 5 K, soit une température d'évaporation MT
de -10 °C.
Les systèmes secondaires nécessitent moins de temps de
maintenance que les solutions à détente directe.
Condenseur
CompresseursMT
Refroidisseur MT
Évaporateur BT
CompresseursBT
Système secondaire
12
3.5. Système transcritique booster au R744Ce modèle utilise le R744 (CO2) dans les systèmes BT et MT.
Les compresseurs BT agissent comme des boosters pour remonter
de l'étage BT vers l'étage MT.
Pour des températures ambiantes supérieures à environ 23°C, la
pression de refoulement des compresseurs est supérieure à la
pression critique du R744 (74 bars). Le condenseur agit alors
comme un refroidisseur de gaz et fait chuter la température de la
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.
Le liquide et le gaz sont séparés dans une bouteille flash, dans
laquelle la pression est régulée entre 35 et 40 bars environ.
Le liquide est ensuite distribué aux vitrines MT et BT par une ligne
liquide à cette pression intermédiaire. La vapeur est amenée via
un détendeur additionnel vers l'aspiration des compresseurs MT.
L'utilisation d'un compresseur séparé peut s'avérer une méthode
adéquate pour augmenter le rendement du système dans les
régions les plus chaudes
Condenseur
CompresseursMT
Évaporateur MT
Évaporateur BT
CompresseursBT
BouteilleFlash
Système transcritique booster au R744
13
Dans cette étude, des simplifications ont été effectuées afin que
les calculs de consommation énergétique et d'impact sur l'environ-
nement restent facilement compréhensibles. Ces simplifications
peuvent ne pas être appropriées à un système particulier, mais
cette approche permet véritablement une comparaison réaliste,
puisque les mêmes conditions sont applicables pour chaque cas.
Des différences émanant de la nature du système, du réfrigérant
et du type de compresseur existent en fonction des cas.
4.1. Conditions de fonctionnement saisonnièresUne température de condensation de 25 °C a été utilisée pour
représenter des conditions de fonctionnement moyennes en
Europe du Nord, et de 30 °C en Europe du Sud (voir « Climat » ci-
dessous).
4.2. ChargesLes charges ont été supposées constantes tout au long de l'année.
4.3. Charges parasitesLes pertes des lignes d'aspiration et les pertes de charge sont
négligées.
4.4. Rendement et coefficient de performance
(COP)Les données des compresseurs proviennent du logiciel de sélection
Copeland® Select version 7 et de logiciels ou catalogues d'autres
fabricants de compresseurs. Nous avons choisi des compresseurs
à pistons semi-hermétiques et scroll, utilisant la toute dernière
technologie disponible. Le COP est défini comme COP du
compresseur, c'est-à-dire comme le ratio entre la puissance
frigorifique et la puissance électrique publiées aux conditions de
condensation et d'évaporation spécifiées dans le tableau de la
section 4.12. La technologie transcritique au CO2 en est encore à
ses débuts en termes de développement, et bien que des données
de compresseurs soient publiées, les méthodes d'application et
de contrôle ont une influence importante sur le rendement du
système. Un fonctionnement au mode subcritique peut donner
un meilleur rendement que les systèmes conventionnels actuels.
Cette amélioration de rendement est nécessaire pour compenser
le faible COP transcritique qui accompagne les conditions à haute
température ambiante. La situation géographique joue par là un
rôle important. Au plus le climat est chaud, au plus le système
fonctionnera en mode transcritique.
Pour cette étude, nous avons considéré le scénario le plus favorable
pour le système transcritique au CO2. Des études ont montré que
des systèmes transcritique au CO2 optimisés, utilisés à la fois côté
BT et MT peuvent fonctionner avec des COP moyens similaires à
ceux des systèmes équipés de compresseurs semi-hermétiques
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
cela, on bénéficie des pertes de charge inférieures du R744 et de
meilleures propriétés de transfert de chaleur.
Le sous-refroidissement est également un avantage avec le R744,
et est normalement requis dans un système au R744 optimisé
pour atteindre le COP souhaité ici.
Pour le système au R404A, nous avons supposé que la haute
pression est fixée au minimum à 20 °C de condensation, pour
toutes les conditions ambiantes en-dessous de 10 °C. Par contre
la haute pression du R744 est autorisée à être flottante jusqu'à
une température bien inférieure. Le graphique ci-dessous illustre
l'évolution relative du COP en fonction de la température
extérieure.
Le système du cas 1 (référence) avec la technologie scroll indique
une amélioration du COP moyen MT d'environ 10% par rapport
aux compresseurs à pistons classiques. Pour le climat d'Europe du
Nord, nous avons supposé que la solution au R744 peut atteindre
le même COP moyen qu'une solution classique utilisant un
compresseur à pistons. Pour l'Europe du Sud, il est considéré que
le système transcritique au CO2 fonctionne avec un COP moyen
10% inférieur à celui d'un système MT aux HFC.
Définition du système4
Température de l'air extérieur (°C)
HFCHFC, contrôlé côté haute pression
R744 sub-critique
R744 transcritique
R744meilleur
plus faible ENR744
0 20 40
COP
10 30
4.5. ClimatLa température de condensation moyenne des HFC de 25 °C utilisée
pour les conditions d'Europe du Nord est basée sur une température
extérieure moyenne de 15 °C, avec une différence de température
au condenseur de 10 K. Ceci avec une température de condensation
contrôlée à 20 °C minimum, et donc en comptant à 10 °C toutes
les heures où la température extérieure est en fait inférieure à 10 °C.
L'examen des profils de température pour un certain nombre de
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,
en utilisant la même approche que pour l'Europe du Nord.
4.6. Supermarché modèleCette étude porte sur le système de réfrigération d'un supermarché
européen typique. Nous avons supposé les charges continues
suivantes pour un supermarché de 1000 à 1200 m2 :
MT : 75 kW et BT : 18kW.
4.7. Facteur carboneLe facteur carbone est la quantité de dioxyde de carbone (CO2)
émise par kWh d'électricité produite. Il dépend de la proportion
d'électricité générée à partir de combustibles fossiles, du type de
combustibles fossiles et du rendement du carbone.
Par exemple, quand l'énergie provient d'une source renouvelable
comme l'énergie éolienne ou hydraulique, le facteur est faible.
Nous avons utilisé un facteur moyen de 0,4 kg de CO2/kWh pour
l'Europe. Cette donnée provient d'une étude de la Direction
générale de l'énergie et des transports de la Commission
européenne (EU DG-TREN) intitulée : “European Energy and
Transport Trends to 2030 (PRIMES), Bruxelles”.
4.8. Durée de vieL'analyse TEWI est basée sur une durée de vie du système de 10
ans. Les données représentent les émissions de CO2 et la
consommation d'énergie électrique sur une période de 10 ans.
Il s'agit de la période adoptée dans l'exemple présenté dans les
directives TEWI de l'association de réfrigération et de l'institut de
réfrigération britanniques.
4.9. Récupération en fin de vieIl est supposé que 95 % de la charge de réfrigérant est récupérée
après la période de 10 ans, et non rejetée dans l'environnement.
4.10. Charge en réfrigérant par kW de chargePour 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.
4.11. Taux de fuite en réfrigérant Un système à détente directe répartie a un taux de fuite inférieur
d'un tiers à celui d'un système centralisé, car il nécessite moins de
tuyauteries et comprend généralement un petit système fabriqué
en usine, utilisant des compresseurs scroll hermétiques. Avec ce
type de système à faible charge, une perte de réfrigérant peut
rapidement être détectée et stoppée. Les taux de fuite pour les
cas MT avec secondaire sont basés sur ceux d'un refroidisseur
fabriqué en usine.
14
Charge en réfrigérant, kg/kW de charge
Détente directe centralisée basse température
Détente directe basse température répartie
Détente directe centralisée moyenne température
Détente directe moyenne température répartie
Température moyenne secondaire , R410A
Température moyenne secondaire , R290
Température moyenne secondaire , HFO
4
3
2
1.5
0.5
0.75
1
Taux de fuite en réfrigérant, % de charge par an
Détente directe centralisée basse température
Détente directe basse température répartie
Détente directe centralisée moyenne température
Détente directe moyenne température répartie
Température moyenne secondaire
15
10
15
10
5
15
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
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.
4.13. Valeurs de GWPLes valeurs de GWP utilisées dans cette étude proviennent du
quatrième rapport d'évaluation de l'IPCC (Panel
intergouvernemental sur le changement climatique) :
« Changement climatique 2007 ».
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.
Basse température
Type de système
Charge (kW)
Température d'évaporation (°C)
Température de condensation (°C)
Surchauffe (K)
Sous-refroidissement (K)
-5
optimisé
10
optimisé
4.5
10
Différence de température pourl'échangeur de la cascade (K)Puissance du ventilateurdu condenseur (kW)Ventilateurs de l'évaporateur , lampes,dégivrage (kW)
Détentedirecte
centraliséeet répartie
Boosterau R744
Détentedirecte
centraliséeet répartie
Cascade Secondaire R744Transcritique
Moyenne température
97
-10
25 ou 30
10
0
5
4.5
10
97
-10
25 ou 30
10
0
5
4.5
10
97
-5
25 ou 30
10
0
3.5
10
75
-32
optimisé
10
0
0
4
18
-32
-5
10
0
0
4
18
-32
-5
10
0
0
4
18
-35
25 ou 30
10
0
1
4
18
Pompe (kW) 1
Cascade Secondaire
Réfrigérant
R404A
R407A
R410A
R134a
HFO
R290
R744
GWP
3922
2107
2088
1430
4
3
1
R407F 1824
16
4.14. Limites d'applicabilitéL'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.
17
5.1. IntroductionLes quatorze cas suivants ont été analysés.
Le cas 1, qui sert de référence, dispose de la technologie la plus
récente avec le scroll à injection de vapeur (EVI) à basse
température et le scroll de type ZB à moyenne température.
Tous les autres cas à détente directe utilisent différents types de
réfrigérants et de compresseurs. Les systèmes répartis intègrent
généralement des compresseurs scroll, qui sont plus légers et plus
compacts que les compresseurs semi-hermétiques.
Deux options de réfrigérants ont été choisies pour les systèmes
répartis. Le fluide R134a réduit les avantages de la technologie du
système réparti, puisque environ 70 % de volume balayé
supplémentaire est nécessaire, entraînant l'utilisation d'un
équipement beaucoup plus volumineux, plus lourd et plus coûteux.
Le R134a n'est donc pas considéré comme une option pour les
systèmes répartis.
Les systèmes en cascade comprennent un circuit BT au R744, avec
différentes alternatives de réfrigérant MT. Les systèmes secondaires,
qui n'ont pas de réfrigérant MT en circulation dans le magasin,
peuvent utiliser des fluides inflam-mables ou même du HFO, parce
que le réfrigérant reste à l'extérieur des zones publiques et est
confiné à proximité du groupe refroidis-seur. Un système au R744
complet est analysé dans le cas 14.
Les cas 12 et 13 peuvent être retenus comme des solutions futures
possibles, et ont donc été inclus pour montrer les implications
environnementales et financières possibles. La disponibilité des
produits pour ces cas doit être étudiée avant d'envisager un système
avec ces réfrigérants.
Configurations des cas5
5.2. Cas
4
5
6
7
9
10
3
8
11
2
1
13
14
12
Cas
DX
Détente directe répartie
Détente directe répartie
Cascade
Cascade
Cascade
DX
Cascade
Secondaire
DX
DX
Secondaire
Booster au R744
Secondaire
Modèle
R407A/F*
R404A
R407A/F*
R744
R744
R744
R404A
R744
R744
R404A
R404A
R744
R744
R744
Réfrigérant BT
R407A/F*
R404A
R407A/F*
R404A
R134a
R134a
R134a
R407A/F*
R410A Chiller
R404A
R404A
HFO Chiller
R744
R290 Chiller
Réfrigérant MT
Scroll EVI
Scroll EVI
Scroll EVI
Scroll
Scroll
Semi-hermeticà pistons Discus
Scroll
Scroll
Semi-hermeticà pistons Reed
Scroll EVI
Scroll
Scroll
Technologie BT
Scroll
Scroll
Scroll
Scroll
Scroll
Scroll
Scroll
Semi-hermeticà pistons Reed
Scroll
Scroll
Scroll
Technologie MT
* Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude.
Semi-hermeticà pistons
Semi-hermeticà pistons Discus
Semi-hermeticà pistons Discus
Semi-hermeticà pistons
Semi-hermeticà pistons
18
6.1. Consommation énergétiqueLa consommation énergétique annuelle (incluant celle des
compresseurs, des vitrines et des pompes du réfrigérant secondaire
pour chacun des cas) est conforme aux définitions ci-dessus.
La puissance consommée des compresseurs provient du logiciel
de sélection Copeland® version 7, de logiciels d'autres fabricants
de compresseurs ou, pour les quelques cas où les données ne sont
pas disponibles, de données générales de rendement .
Comparaison des cas et résultats6
Consommation énergétique, MWh/an, Europe du Nord Basse température Moyenne température
14. R744/R744 Scroll/Recip.
1. R404A Scroll (Base)
13. R744/HFO Scroll
12. R744/R290 Scroll
11. R744/R410A Scroll
10. R744/R134a Scroll
9. R744/R134a Recip.
8. R744/R407A/F*Scroll
7. R744/R404A Scroll
6. R407A/F* Scroll
5. R404A Scroll
4. R407A/F* Scroll
3. R404A/R134a Recip.
2. R404A Recip.
0 100 200 300 400 500
Booster
Secondaire
Cascade
détente directe
détente directerépartie
Consommation énergétique, MWh/an, Europe du Sud Basse température Moyenne température
14. R744/R744 Scroll/Recip.
1. R404A Scroll (Base)
13. R744/HFO Scroll
12. R744/R290 Scroll
11. R744/R410A Scroll
10. R744/R134a Scroll
9. R744/R134a Recip.
8. R744/R407A/F* Scroll
7. R744/R404A Scroll
6. R407A/F* Scroll
5. R404A Scroll
4. R407A/F* Scroll
3. R404A/R134a Recip.
2. R404A Recip.
0 100 200 300 400 600
Booster
Secondaire
Cascade
détente directe
détente directerépartie
500
Cas
e 1.
Cas
e 1.
* Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude.
* Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude.
19
Observations
1. Les données proviennent de modèles de compresseurs
représentatifs. Il existe un écart de COP entre les modèles, mais
la tendance reste nette.
2. Les cas 1 et 4 utilisent des systèmes à détente directe avec des
compresseurs scroll, et les cas 2 et 3 des systèmes équivalents
avec des compresseurs à pistons semi-hermétiques.
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
pour les systèmes autres qu'à détente directe, en raison de la
barrière de transfert de chaleur additionnelle entre les circuits
BT et MT.
4. L'utilisation du R407A/F avec un compresseur scroll (cas 4 et
6) offre la meilleure solution en termes de rendement
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
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
en plus. La différence en besoin total en énergie est inférieure
à 10 %, car on suppose que les besoins des auxiliaires (vitrines,
ventilateurs, etc.) restent les mêmes.
Conclusion principale pour la consommation énergétique :
La meilleure option de remplacement de la technologie à détente
directe au R404A est le R407A/F. Pour les systèmes à détente
directe répartie et centralisée, la consommation énergétique totale
est légèrement réduite par rapport à la référence au R404A.
Les systèmes en cascade R744/R407A/F représentent également
une très bonne alternative.
20
6.2. Impact sur l'environnement / Empreinte
carboneLes données des définitions ci-dessus fournissent les informations
nécessaires pour calculer le TEWI pour chaque cas.
Le TEWI est un outil comparatif ; la précision des émissions de CO2
sur la durée de vie dépend de diverses hypothèses, c'est pourquoi les
valeurs relatives sont importantes. Les valeurs de TEWI indiquées
dans cette étude ne peuvent pas être directement comparées à celles
d'autres sources, études ou publications où des hypothèses différentes
sont utilisées.
Émissions de CO2 sur la durée de vie, en tonnes (TEWI), Europe du Nord MT fuiteMT Énergie BT Énergie BT fuite
14. R744/R744 Scroll/Recip.
1. R404A Scroll (Base)
13. R744/HFO Scroll
12. R744/R290 Scroll
11. R744/R410A Scroll
10. R744/R134a Scroll
9. R744/R134a Recip.
8. R744/R407A/F* Scroll
7. R744/R404A Scroll
6. R407A/F* Scroll
5. R404A Scroll
4. R407A/F* Scroll
3. R404A/R134a Recip.
2. R404A Recip.
0 1000 1500 2000 2500 3500
Booster
Secondaire
Cascade
Détentedirecte
Détentedirecte
répartie
3000500
Émissions de CO2 sur la durée de vie, en tonnes (TEWI), Europe du Sud
14. R744/R744 Scroll/Recip.
1. R404A Scroll (Base)
13. R744/HFO Scroll
12. R744/R290 Scroll
11. R744/R410A Scroll
10. R744/R134a Scroll
9. R744/R134a Recip.
8. R744/R407A/F* Scroll
7. R744/R404A Scroll
6. R407A/F* Scroll
5. R404A Scroll
4. R407A/F* Scroll
3. R404A/R134a Recip.
2. R404A Recip.
0 1000 1500 2000 2500 3500
Booster
Secondaire
Cascade
Détentedirecte
Détentedirecte
répartie
3000500
Cas
e 1.
Cas
e 1.
* Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude.
* Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude.
MT fuiteMT Énergie BT Énergie BT fuite
21
Observations
1. Le remplacement, dans les systèmes à détente directe, du fluide
R404A par du R134a (en MT uniquement) ou du R407A/F (cas
3 et 4 par rapport aux cas 1 et 2) offre une réduction significative
du TEWI. Le R407A/F est la meilleure option.
2. Un système réparti avec du R404A (cas 5) offre une réduction
de TEWI similaire à celle du R407A/F dans un système à détente
directe centralisée (cas 4).
3. Un système réparti scroll au R407A/F (cas 6) offre une valeur
de TEWI proche de celle de la solution booster au R744 (cas
14). En Europe du Sud, les émissions de CO2 pour le cas 6 sont
aussi basses que celles du cas 14.
4. Les systèmes en cascade (cas 7 à 10) sont pénalisés par
d'importants taux de fuite sur le système à détente directe
centralisée MT qui gère également le rejet de chaleur BT.
Le résultat est une économie très faible si le R404A est utilisé
(cas 7).
5. Pour un TEWI bas, il faut choisir un réfrigérant à faible GWP
(donc pas le R404A) pour les systèmes en cascade. Avec le
R404A (cas 7), l'effet des émissions liées aux fuites domine.
Passer à un réfrigérant de plus faible GWP comme le R134a ou
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).
10. Le scroll au R410A (cas 11) consomme moins de puissance
électrique que le compresseur équivalent au R290 (cas 12) en
Europe du Sud. De ce point de vue, le choix du R290 ne présente
aucun avantage.
11. Pour les applications avec secondaire, le HFO est une alternative
possible au R134a puisqu'il offre un rendement semblable.
Il pourrait être utilisé pour résoudre les problèmes de fuites ,
mais l'impact est minime comparé au R410A concernant le
TEWI (cas 11) et le système de refroidissement serait largement
plus grand.
Conclusion principale sur le TEWI :
En Europe du Nord, l'option booster au R744 est une configuration
excellente pour le TEWI. Les systèmes secondaires avec du R744
et du R410A peuvent même offrir des valeurs de TEWI légèrement
inférieures.
En Europe du Sud, tous les systèmes secondaires offriront de
meilleures caractéristiques. Les systèmes à détente directe répartie
avec du R407A/F offrent une excellente alternative dans toutes
les régions.
22
6.3. Coûts d'investissement
6.3.1. Structure des coûts d'investissement et
pondération des composants du systèmeUne 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 deréfrigération 100 %
Condenseurs 20%Centrales de
compresseurs 40%
Assemblage dusystème et mise en
service 40%
Compresseurs 35%Autres composants
des centrales +assemblage 65 %
Installation 95% Réfrigérant 5%
23
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 :
Ces graphiques montrent les surcoûts applicables dans chaque
cas. Par exemple, concernant les compresseurs, nous avons 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
pour le R134a et le HFO (nécessité de 70 % de volume balayé en
plus) et pour le R744 (technologie haute pression).
Le type de système affecte également l'investissement pour le
compresseur. Une redondance de puissance frigorifique supérieure
est nécessaire pour les systèmes répartis, et les systèmes booster
et en cascade requièrent un plus grand volume balayé puisque la
vapeur est comprimée deux fois.
Exemples:
• Un compresseur à pistons semi-hermétique au R134a aura un
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 %
(type) plus 20 % (réfrigérant) plus 40 % (système), résultant en
un surcoût total de 80 %. L'hypothèse a été réalisée pour des
compresseurs au CO2transcritiques ayant un gros volume de
production. Les prix et les coûts actuels pourraient être
considérablement plus élevés.
Compresseurs
Scroll
0 20 40 60
Semi-hermetique à piston
80 100 120
R404A, R407A/F, R410A, R290
0 20 40 60
R134a, HFO
80 100 160
R744
120 140
Détente directe centralisée
0 20 40 60
Détente directe répartie
80 100 160
Cascade, Secondaire
120 140
Booster au R744
Type
Réfrigérant
Système
24
Le débit volumique supplémentaire du R134a et du HFO engendre
un coût additionnel de 20 %. Un surcoût de 20 % est également
appliqué aux composants pour le R744. Les systèmes à détente
directe répartie impliquent plus de coûts pour la centrale, mais
moins d'assemblage sur site, ce qui se reflète ci-dessous. Les
systèmes en cascade et booster ont des circuits, des régulateurs
et des échangeurs de chaleur supplémentaires.
Autres composants des centrales
Scroll
0 20 40 60
Semi-hermetique à piston
80 100 120
R404A, R407A/F, R410A, R290
0 20 40 60
R134a, HFO
80 100 140
R744
120
0 20 40 60 80 100 180120 140
Type
Réfrigérant
Système
160
Détente directe centralisée
Détente directe répartie
Cascade, Secondaire
Booster au R744
25
L'élément réfrigérant représente seulement 5 % du coût total de
l'installation. Les pondérations ont donc peu d'importance, sauf
pour le HFO où un coût très élevé est impliqué. Le coût du HFO
restant très incertain, un coefficient multiplicateur de 10 par rapport
au R134a a été appliqué en absence d'informations spécifiques des
fabricants de réfrigérants. De plus, le R407A et le R407F ont un
coût comparable.
R134a
R404A
0 20 40 60 80 100 1300
R407A/F
Réfrigérant
Coût relatif, R404A = 100
R410A
R290
R744
HFO
120 140
Installation
Condenseur
Refroidisseur de gaz au R744
0 20 40 60
Tous, excepté le refroidisseurde gaz au R744
80 100 140
Détente directe centralisée
0 20 40 60
Détente directe répartie
80 100 140
Cascade, Secondaire, Booster
120
120
Un surcoût de 30 % a été inclus pour le refroidisseur de gaz au
R744, le réservoir/séparateur et les régulateurs additionnels.
6.3.2. Comparaison des coûts d'investissement
26
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.
• 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.
Comparaison des coûts d'investissement Compresseurs Autres composants RéfrigérantInstallation
14. R744/R744 Scroll/Recip.
1. R404A Scroll (Base)
13. R744/HFO Scroll
12. R744/R290 Scroll
11. R744/R410A Scroll
10. R744/R134a Scroll
9. R744/R134a Recip.
8. R744/R407A/F* Scroll
7. R744/R404A Scroll
6. R407A/F* Scroll
5. R404A Scroll
4. R407A/F* Scroll
3. R404A/R134a Recip.
2. R404A Recip.
0 40 60 80 100 16012020
Condenseur
140
Les données des définitions ci-dessus fournissent les informations
nécessaires pour calculer le coût d'investissement total pour les
différents cas. Le graphique ci-dessous est un outil de comparaison
où, là encore, la détente directe avec un scroll au R404A est utilisée
comme référence (100) et indique la part des principaux coûts
dans le total.
Cas
e 1.
* Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude.
Booster
Secondaire
Cascade
détentedirecte
détentedirecte
répartie
27
7.1. ConstatationsLes tableaux et les graphiques indiquent clairement la
consommation énergétique, l'impact sur l'environnement et les
implications des coûts d'investissement de différents systèmes de
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
sur le besoin d'être perçus comme « écologistes », mais sur des
données quantifiées. Nous pouvons tirer un certain nombre de
constatations :
Pour les systèmes à détente directe :
• Le cas de référence 1 est un système à détente directe simple
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.
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
le même système montrent une consommation énergétique
environ10 % supérieure, donc un TEWI plus élevé.
Les publications sur le rendement du R744 dans des systèmes
de supermarché font généralement la comparaison avec le
rendement d'un système à détente directe utilisant un
compresseur semi-hermétique au R404A , correspondant au
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
d'un GWP plus faible et de pressions moindres. Cependant, il y
a un impact sur le coût en raison d'un volume balayé
supplémentaire de 70 %. De plus, le R134a est inapproprié pour
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
similaire au R404A. Le rendement avec un scroll MT au R407A/F
est légèrement supérieur à celui du R404A ce qui, combiné à la
technologie d'injection de vapeur en BT, offre une meilleure
consommation énergétique totale inférieure et un TEWI plus
faible par rapport à la solution à détente directe au R134a.
Le R407A/F dans un système à détente directe centralisée
(cas 4) est la solution la plus rentable alors qu'un système à
détente directe répartie est peu pratique.
Les systèmes indirects à détente directe
• Les systèmes à détente directe répartie peuvent avoir des
émissions directes inférieures, grâce à la charge réduite et aux
taux de fuite faibles des unités fabriquées en usine.
• Les compresseurs scroll avec des connexions brasées contribuent
à ces taux de fuite faibles.
• Normalement, les compresseurs scroll sont utilisés dans ce type
pour lesquelles un montage en toiture est possible. L'effet sur le
TEWI peut être observé en comparant le cas 5 au cas 1.
La consommation énergétique obtenue est égale à celle du cas
de base 1 bien que, en pratique, des économies devraient être
possibles grâce à des tuyaux plus courts et de plus faible diamètre
(ce qui devrait réduire les pertes de charge et les pertes en
température).
• Le cas 6 montre les avantages de l'utilisation du R407A/F dans
cette configuration.
Pour les systèmes en cascade :
• Un système en cascade permet d'utiliser le R744 d'être appliqué
dans le circuit BT en utilisant la technologie de compression de
vapeur traditionnelle. Dans le cas 7, le R404A est utilisé dans un
système à détente directe en MT. La charge totale sur le système
MT inclut le rejet de chaleur BT. Il en résulte un système à détente
directe plus grand, avec une charge proportionnellement plus
importante et des effets de fuite plus marqués.
• 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
la consommation énergétique, mais le TEWI est plus élevé
d'environ 4 % que pour l'alternative au R134a (en raison d'un
GWP plus élevé). Cependant, le coût est largement réduit.
Pour les systèmes secondaires :
• Un système secondaire élimine virtuellement l'effet des émissions
directes. Un refroidisseur au R410A peut être utilisé pour la MT
et la BT en cascade, et le taux de fuite du groupe fabriqué en
usine est faible.
• En utilisant du R290 ou du HFO pour le refroidisseur, même cette
faible émission directe peut être éliminée, mais avec une pénalité
de coût associée à des précautions de sécurité supplémentaires.
Constatations et discussions7
28
Pour les systèmes booster au R744 :
En examinant les systèmes au R744, nous pouvons faire un
certain nombre d'observations. Il est nécessaire de tirer parti des
avantages suivants pour que le système atteigne les performances
indiquées dans les graphiques de comparaison :
• Meilleur transfert de chaleur : le R744 possède des propriétés
de transfert de chaleur particulièrement bonnes, ce qui autorise
des différences de température moindres au sein des échangeurs
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.
Passer à un système booster au R744 entraînerait à l'heure actuelle
un changement d'architecture drastique pour le supermarché.
Cette solution risque donc de rester limitée aux nouvelles
constructions, alors que la plupart des chantiers de rénovation
resteraient basés sur les HFC.
Sans des alternatives plus simples et moins onéreuses, les objectifs
de réduction de carbone pour 2020 seront difficile à atteindre.
7.2. Addition des trois critèresCeci est une addition simple des valeurs relatives des trois para-
mètres : la consommation énergétique, l'impact sur l'environne-
ment (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).
Les résultats peuvent également être comparés dans le
graphique ci-dessous.
29
Technologie du compr.Moyenne et Basse Temp.
Puissance
TEWI
RéfrigérantBasse température
Coût d'inves-tissement
RéfrigérantMoyenne température
Système
Scroll
Base
Base
R404A
Base
R404A
Détente directe
1Cas
À pistons
12%
6%
R404A
3%
R404A
2
À pistons
5%
-18%
R404A
11%
R134a
3
Scroll
-3%
-24%
R407A/F*
0%
R407A/F*
4
Scroll
0%
-24%
R404A
-14%
R404A
Détente directerépartie
5
Scroll
-3%
-36%
R407A/F*
-13%
R407A/F*
6
Scroll
7%
-2%
R744
13%
R404A
7
Scroll
4%
-23%
R744
13%
R407A/F*
8
À pistons
12%
-27%
R744
25%
R134a
Cascade
9
Scroll
9%
-28%
R744
21%
R134a
10
Scroll
7%
-42%
R744
17%
R410Achiller
11
Scroll
9%
-43%
R744
18%
R290chiller
Secondaire
12
Scroll
12%
-41%
R744
32%
HFOchiller
13
Scroll/À pistons
12%
-42%
R744
48%
R744
Booster
14
Résultatnormalisé
Meilleur choix Deuxième meilleur choix Troisième meilleur choix
* Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude.
Comparaison globale Coût d'investissement
14. R744/R744 Scroll/À pist.
1. R404A Scroll (Base)
13. R744/HFO Scroll
12. R744/R290 Scroll
11. R744/R410A Scroll
10. R744/R134a Scroll
9. R744/R134a À pistons
8. R744/R404A/F* Scroll
7. R744/R404A Scroll
6. R404A/F* Scroll
5. R404A/F* Scroll
4. R407A Scroll
3. R404A/R134a À pistons
2. R404A À pistons
0 40 60 80 100 12020
TEWIPuissance
* Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude.
Booster
Secondaire
Cascade
Détentedirecte
Détentedirecte
répartie
En supposant une importance égale pour ces 3 paramètres, une
moyenne a été calculée pour classer ces différentes combinaisons
réfrigérant/technologie.
Nous constatons que le système réparti utilisant un scroll au R407A/F
est le meilleur choix (1re place) en combinant les trois critères.
Les systèmes à détente directe R404A se placent en 2e position (cas 5).
Cependant, lorsque l'installation d'un système réparti est impossible,
l'utilisateur peut se diriger vers un système à détente directe au R407A/F
avec un local technique séparé (cas 4, 3e place). Pour un client
recherchant le TEWI le plus faible tout en gardant un coût
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.
Nous savons qu'un système réel ne correspondra précisément à aucun
des cas exposés dans cette étude mais cette analyse fournit des conseils
utiles pour réaliser des comparaisons.
Il n'existe aucune solution universelle offrant un système de réfrigération
de faible coût et sans émission de CO2. Cependant, cette étude devrait
offrir des indicateurs utiles permettant d'évaluer les valeurs relatives
des différents arguments formulés par les partisans de tel ou tel système.
30
-17%
1
Technologie du compr.Moyenne et Basse Temp.
RéfrigérantBasse température
RéfrigérantMoyenne température
Système
Scroll
R404A
R404A
Détente directe
1Cas
À pistons
R404A
R404A
2
À pistons
R404A
R134a
3
Scroll
R407A/F*
R407A/F*
4
Scroll
R404A
R404A
Détente directerépartie
5
Scroll
R407A/F*
R407A/F*
6
Scroll
R744
R404A
7
Scroll
R744
R407A/F*
8
À pistons
R744
R134a
Cascade
9
Scroll
R744
R134a
10
Scroll
R744
R410Achiller
11
Scroll
R744
R290chiller
Secondaire
12
Scroll
R744
HFOchiller
13
Scroll/À pistons
R744
R744
Booster
14
6%
12
-2%
6
3%
11
1%
9
-6%
4
-5%
5
1%
10
6%
13
-12%
2
-9%
3
0%
8
7%
14
100
7
Moyenne
Classement
* Le R407A et R407F menant à des résultats comparables, ces 2 réfrigérants ont été regroupés pour simplifier l’étude.
31
Conclusion générale8
Aucune technologie ne peut être idéale sur tous les plans. La détente directe permet d'avoir la meilleureefficacité 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 sontappliqués de telle façon que la consommation énergétique annuelle est équivalente à celle d'un systèmeà détente directe utilisant des compresseurs à pistons. Ceci est l'objectif habituel des concepteurs pource 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'investissementet à son temps d'amortissement. Les systèmes secondaires pourraient apparaître comme une bonnealternative. Actuellement, l'utilisation du R407A/F (ou d'un autre réfrigérant de la série R407) sembleêtre un très bon compromis, si les fuites peuvent être maintenues dans les limites demandées, vu queles émissions directes admissibles dépendent des valeurs du GWP. Un bon contrôle du taux de fuiteaccentuera 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 unelégislation 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 systèmescentralisés 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 indispensablepour s'assurer que les performances énergétiques attendues sont atteintes et constantes dans le temps.
The Emerson Climate Technologies logo is a trademark and service mark of Emerson Electric Co. Emerson Climate Technologies Inc. is a subsidiary of Emerson Electric Co.Copeland is a registered trademark and Copeland Scroll is a trademark of Emerson Climate Technologies Inc.. All other trademarks are property of their respective owners.Information contained in this brochure is subject to change without notification.
© 2011 Emerson Climate Technologies, Inc.
TGE1
24/0
911/
F
Pour plus d'informations, visitez : www.emersonclimate.eu
Emerson Climate Technologies - France - 8, Allée du Moulin Berger 69134 Ecully Cédex, FranceTel. +33 4 78 66 85 70 - Fax +33 4 78 66 85 71 - Internet: www.emersonclimate.eu
Présentation d’Emerson Climate TechnologiesEmerson Climate Technologies est le premier fournisseur mondial
de solutions de chauffage, ventilation, conditionnement d’air et
réfrigération pour les applications résidentielles, industrielles et
commerciales. Le groupe allie une technologie de première classe
à des services éprouvés en matière d’ingénierie, de conception et
de distribution afin d'offrir à rendement énergétique élevé, des
solutions aux systèmes d'air conditionné, de chauffage et de
réfrigération , destinées à améliorer le confort, garantir la sécurité
des denrées alimentaires et protéger l’environnement.