le choix du condenseur, de la tour de refroidissement
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Choix du condenseur et de la tour de refroidissement
Critères de choix généraux
Choix d'un condenseur à air
Choix d'un condenseur à eau
Choix de la tour de refroidissement
Choix de la régulation
Critères acoustiques
En bref !
Critères de choix généraux
Il faut évacuer la chaleur du réfrigérant vers l'air ambiant; c'est le condenseur qui s'en charge. Deux techniques existent pour y arriver : le
condenseur à air ou à eau.
Le choix d'un condenseur dépendra en première approche :
de son emplacement par rapport au compresseur; l'idéal étant de placer le groupe de froid en toiture,
de la température de condensation conditionnée, pour une température extérieure donnée, par la surface d'échange et le débit d'air ou d'eau(les performances du compresseur seront meilleures si la température de condensation est basse),
de la température extérieure; un condenseur en plein soleil ou sous un toit noir ne sont pas de bonnes idées.
Choix d'un condenseur à air
L'entretien du condenseur à air est limité. Aussi, il n'y a aucun risque de gel en hiver. Mais le coefficient d'échange avec l'air étant faible, le
condenseur sera volumineux, et donc lourd et encombrant. Enfin, les températures de condensation sont directement liées aux conditions de
température extérieure : la pression de condensation sera forte en été (dégradation du COP de la machine frigorifique), mais plus faible en hiver,
entraînant d'ailleurs un besoin de régulation adapté pour un fonctionnement correct.
On veillera à considérer :
le ventilateur car sa consommation électrique et le bruit généré ne sont pas négligeables,
la récupération de chaleur perdue à la sortie du condenseur.
Choix d'un condenseur à eau
Le réfrigérant de la machine frigorifique cède sa chaleur à l'eau circulant dans le condenseur. Grâce au coefficient d'échange avec l'eau 20 à 30 x
plus élevé que le coefficient d'échange avec l'air, la taille du condenseur à eau sera plus réduite et l'échangeur moins encombrant. Aussi, il est
moins bruyant que le condenseur à air.
Choix de la tour de refroidissement
Il existe trois systèmes d'échangeur extérieur : la tour ouverte, la tour fermée et l'aéro-réfrigérant (ou dry cooling). On notera que les deux
premières sont en investissement et énergétiquement intéressantes, qu'elles sont utilisées pour les grosses puissances, qu'elles consomment pas
mal d'eau et surtout qu'elles nécessitent beaucoup d'entretien (problème de légionelles). Quant à l'aéro-réfrigérant, il est plus cher et
énergétiquement moins efficace. Par contre, il est doté d'une excellente fiabilité, il nécessite peu d'entretien (peu de problème de légionelles) et
peut travailler en hiver.
Choix de la régulation
Le contrôle de la température du condenseur influence le bon fonctionnement du groupe frigo. En effet, on cherche à travailler à basse températurepour soulager le compresseur. Mais si elle est trop basse, le détendeur fonctionne mal car la pression à son entrée est trop faible et il ne peut
assurer le débit de réfrigérant dans l'évaporateur. En pratique, on régule le débit du ventilateur du condenseur en fonction sa pression d'entrée.
L'utilisation de variateurs de vitesse apporte un plus dans la régulation de cette pression. Aussi, on préférera un détendeur électronique plutôt qu'un
thermostatique; en effet, l'électronique peut travailler avec des températures de condensation plus basse.
Critères acoustiques
La principale source de bruit d'un condenseur est constituée par le(s) ventilateur(s). on aura toujours intérêt à les faire fonctionner à faible vitesse.
Il faudra être attentif au bruit "solidien" se transmettant à la structure par les fixations du condenseur.
Critères de choix généraux
Il faut évacuer la chaleur du réfrigérant vers l'air ambiant.
On distingue deux techniques :
soit refroidir directement le fluide frigorigène par l'air : c'est le rôle du condenseur à air,
soit refroidir le fluide frigorigène par de l'eau : la machine frigorifique sera équipée par un condenseur à eau. Mais cette eau doit alors être elle-même
refroidie en toiture, via une tour de refroidissement.
Pour accroître la puissance de refroidissement, on peut profiter de l'énergie de vaporisation d'une eau pulvérisée au travers du courant d'air. Le principe est le
même que lorsque nous nous aspergeons la figure par temps très chaud : la vaporisation de l'eau refroidit notre peau.
Soit la pulvérisation est celle de l'eau qui circule dans le condenseur, soit c'est de l'eau indépendante de l'eau du circuit de condensation qui est pulvérisée.
Cela conduit aux 5 technologies développées dans la technologie des condenseurs.
Critères de choix globaux
Energétiquement, la solution d'un refroidissement direct du fluide frigorigène par l'air extérieur possède des avantages, puisque tous les intermédiaires (et
leurs consommations) sont évités et ainsi que la maintenance coûteuse de la tour de refroidissement. Aujourd'hui, la pression de condensation des
condenseurs à air est bien gérée par l'arrivée des détendeurs électroniques. C'est la solution couramment adoptée lorsque l'on peut placer le groupe
frigorifique sur la toiture : le condenseur fera partie du système "monobloc".
En toute logique, on retouvera donc le condenseur à air en toiture. Mais la machine frigorifique est parfois située en cave. Dans ce cas, il est exclu de faire
confiance à des "ventilations naturelles", des "soupirails", ... la température dans la cave risquerait de monter fortement et le condenseur se retrouverait
balayé par de l'air déjà réchauffé. La pression de condensation du fluide monterait et le compresseur verrait sa consommation fortement augmenter. Par fortechaleur, le compresseur ne pourrait suivre et déclencherait par son pressostat haute pression.
L'évacuation de la chaleur demande un réel balayage par un fluide frais et il appartient au bureau d'études de comparer 2 solutions :
Soit une gaine d'air est prévue pour apporter l'air extérieur au condenseur et évacuer l'air réchauffé (les pertes de charge générées créent des
consommations au ventilateur).
Soit il est décidé de placer un condenseur à eau et de transférer l'eau chaude en toiture pour la refroidir dans une tour de refroidissement.
Le transfert de la chaleur par cette deuxième solution est plus efficace (bon coefficient d'échange de l'eau, faible consommation d'une pompe par rapport à un
ventilateur),... mais il y a investissement et consommation de la tour. Un bilan global doit être réalisé.
Paramètres de dimensionnement
Pour augmenter les performances du compresseur, on a tout intérêt à abaisser la température de condensation. Autrement dit, il faut augmenter la surface
d'échange et augmenter le débit de circulation de l'eau ou de l'air. Le "pincement", c'est-à-dire l'écart entre la température du fluide refroidissant à la sortie du
condenseur et la température du fluide frigorigène sera minimal. Mais l'investissement et les pertes de charge en seront augmentées, et donc la consommation
de la pompe...
En pratique, pour un condenseur à eau, le bureau d'études choisit couramment un pincement final de 4 à 8°C et un échauffement de l'eau de 5 à 10°C.
Autrement dit, si l'eau entre avec une température de 36°, elle ressortira entre 41 et 46°C et la température de condensation s'établira entre 45 et 54°C.
De même, pour un condenseur à air, la vitesse sera comprise entre 2 et 4 m/s et, si l'air entre avec une température de 30°C, la température de condensation
s'établira entre 40°C et 50°C.
Un constructeur annonce que l'optimum entre la température de condensation et la température d'entrée du fluide refroidissant doit être de 12°C, maximum.
Maximum car la régulation permet de moduler cette valeur en fonction de la charge réelle du compresseur.
Comparaison entre les modes de refroidissement
A partir d'une température de l'air de 30°C, quelle sera la température de condensation ? Tout dépend du type de refroidissement de l'eau de condensation
choisi !
En partant du fonctionnement d'une tour de refroidissement, voici les résultats comparés pour une température d'air de 30°C 40 % HR
Comparons les systèmes en fixant des valeurs moyennes : une "approche" de 5°C, un pincement des échangeurs de 6°C et un échauffement de la température
de l'eau de 7°C.
- - - Entrée condenseur Sortie condenseurT°condens.
fluidefrigorifique
Condenseur à air normal T° air sec = 30° T° air = 30° T° air = 37° 43°
avec évaporationd'eau
T° air sec = 30° T° air = 25° T° air = 32° 38°
Condenseur à eau tour ouverte T° air humide = 20° T° eau cond = 25° T° eau cond = 32° 38°
tour fermée T° eau pulvér. = 25° T° eau cond = 31° T° eau cond = 38° 44°
dry-cooler T° air séche = 30° T° eau cond = 36° T° eau cond = 43° 49°
Dans cette approche très simplifiée, on constate que le condenseur à eau est un échangeur intermédiaire entre le fluide frigorigène et l'air extérieur. Il
provoque une augmentation de température de condensation du fluide (et donc une augmentation de la consommation du compresseur). Cette pénalité se
retrouve entière pour l'aéro-refroidisseur ou dry-cooler. L'augmentation de la consommation du compresseur est de 2 à 3% par degré K, ce qui n'est pas
négligeable !
Si une tour de refroidissement est insérée, on va rattrapper cet handicap par la fabuleuse capacité de refroidissement de l'eau lors de son évaporation !
La tour ouverte fait mieux que combler l'handicap puisqu'elle permet même de descendre la température de condensation. Mais elle entraîne beaucoup de
soucis de corrosion...
La tour fermée semble un très bon compromis dans les installations avec condenseur à eau, tandis que l'appoint d'une pulvérisation d'eau est à étudier pour
les condenseurs à air.
Abaisser la température de l'air extérieur
La consommation énergétique augmente si la température de condensation augmente.
Aussi, l'emplacement du condenseur doit éviter un réchauffement local de l'air de refroidissement. Par exemple, un condenseur placé sur une toiture couverte
de roofing noir entraînera une surchauffe locale de l'air de plusieurs degrés en période d'ensoleillement ... Le placement de gravier blanc sur la toiture sera
favorable.
L'emplacement du condenseur devra éviter un ensoleillement direct de l'échangeur. Si le placement à l'ombre est impossible, le placement d'un système
d'ombrage permettra d'abaisser le niveau de température.
Il faut éviter également qu'un recyclage de l'air ne se fasse autour du condenseur : de l'air chaud se mélange à l'air froid,
la température de l'air d'aspiration augmente, ... de même que la température de condensation.
C'est pourtant parfois une solution réalisée pour la limitation du niveau de bruit, puisque les parois latérales peuvent être
couvertes d'absorbant acoustique... Qu'il est difficile de concilier toutes les contraintes...!
Dans la mesure du possible, il faut donc proscrire le placement le condenseur dans un local fermé. Si c'est le cas (pour des condenseurs de chambresfrigorifiques, par exemple), il faut assurer une forte ventilation du local et même parfois sa climatisation, si on veut que la température de l'air du local reste
suffisamment basse pour pouvoir continuer à refroidir les condenseurs sans faire monter la pression de condensation. On conviendra que cette situation est
aberrante sur le plan énergétique !
Protéger l'isolation extérieure
Les tuyauteries d'eau glacée sont toujours isolées, ne fut-ce que pour éviter la condensation de l'eau de l'ambiance. Mais il est utile d'insister sur la nécessité
d'entourer l'isolant d'une gaine en plastique rigide. A défaut, les oiseaux sont friands de cette mousse de polyuréthanne pour la confection de leur nid !
Choix du
condenseur etdu mode de
refroissement.
Choix d'un condenseur à air
Le gaz chaud du réfrigérant cède sa chaleur à l'air traversant le condenseur et passe à l'état liquide.
L'entretien du condenseur à air est limité. Il n'y a aucun risque de gel en hiver.
Mais le coefficient d'échange avec l'air étant faible, le condenseur sera volumineux, et donc lourd et encombrant.
Les températures de condensation sont directement liées aux conditions de température extérieure : la pression de condensation sera forte en été
(dégradation du COP de la machine frigorifique), mais plus faible en hiver, entraînant d'ailleurs un besoin de régulation adaptée pour un fonctionnement
correct.
Choix du ventilateur
La circulation forcée de l'air nécessite des ventilateurs dont la consommation électrique n'est pas négligeable. De plus, ils constituent une source de bruits, par
frottement sur les pales du ventilateur, mais aussi par frottement sur les ailettes de l'échangeur.
Pour information, des condenseurs à air à convection naturelle existent (pas de ventilateur, pas de bruit, pas de consommation) mais leur puissance très faible
en limite l'usage à des climatiseurs ne dépassant pas 1 kW.
Deux types de ventilateurs sont utilisés :
Le ventilateur hélicoïdal (ou axial), pour des appareils placés à l'air libre, là où le bruit ne constitue pas une nuisancepour le voisinage. Le niveau sonore dépend de la vitesse de rotation du ventilateur. Dans les emplacements exposés, le
régime ne doit pas dépasser 500 t/min.
Si des ventilateurs existants sont trop bruyants, on peut les munir d'amortisseurs de bruit cylindriques (tenir compte de la
perte de charge).
Le ventilateur centrifuge, souvent pour des appareils placés à l'intérieur d'un immeuble, raccordé à l'extérieur par des
gaines (le ventilateur centrifuge peut vaincre des pertes de charges plus élevées).
Si le bruit du ventilateur dépasse les valeurs admissibles, on peut le munir d'amortisseurs de bruit.
La vitesse de passage de l'air est comprise généralement entre 2 et 4 m/s. Cette information dans le catalogue constructeur est un indice qualité puisque si
elle se rapproche de 2 m/s, on a plus de garantie que l'appareil fera peu de bruit et que la consommation du ventilateur sera limitée (en fait, le constructeur adû écarter davantage les ailettes pour faciliter le passage de l'air, donc l'appareil demandera plus de matière, sera plus volumineux et... sera plus cher : la
qualité se paie !).
Complément de puissance par aspersion d'eau
Pour augmenter la puissance d'échange, on peut transformer le condenseur à air en tour fermée par aspersion de l'échangeur avec de
l'eau. Par exemple, de l'air extérieur de 30°C 50 % HR passe à 25°C 100 % HR . On abaisse donc la température de condensation en
dessous de la température de l'air ambiant. Ce qui facilite le travail du compresseur !
Dans ce cas, il faut cependant tenir compte du risque de corrosion de l'échangeur et, de ce fait, des fuites possibles de l'agent réfrigérant. L'eau évaporée est
remplacée par de l'eau du réseau. Un débit complémentaire de déconcentration est nécessaire afin de réduire l'entartrement. Un traitement de l'eau peut donc
s'avérer nécessaire.
Récupération de chaleur du condenseur
Une récupération de la chaleur est possible pour chauffer directement un local. Ainsi, un supermarché Delhaize à Bruxelles évacue la chaleur du condenseur
du groupe frigorifique (armoires de congélation) en créant un rideau d'air chaud à l'entrée du magasin. En été, la chaleur est déviée en toiture par un clapet.
Choix d'un condenseur à eau
Le réfrigérant de la machine frigorifique cède sa chaleur à l'eau circulant dans le condenseur.
Grâce au coefficient d'échange avec l'eau de 20 à 30 x plus élevé que le coefficient d'échange avec l'air, la taille du
condenseur à eau sera plus réduite. L'échangeur sera moins encombrant.
Machine frigorifique avec condenseur à eau, installée en salle des machines et raccordée à une tour de refroidissement à l'extérieur.
Il est moins bruyant que le condenseur à air. Il permet plus facilement la récupération de chaleur puisque la chaleur est contenue dans de l'eau, plus
facilement déplaçable.
La température de condensation peut plus facilement être stabilisée que dans les condenseurs à air.
Mais le condenseur à eau nécessite forcément une tour de refroidissement complémentaire qui, elle, est encombrante, génère du bruit, des frais d'entretienparfois importants, une éventuelle consommation d'eau, ... Pourrait-on dire que l'on a déplacé le problème ?
La matière utilisée est souvent le cuivre ou l'acier, bons conducteurs thermiques, en fonction des contraintes (le cuivre ne peut être adopté pour l'ammoniac,
par exemple).
Pour le refroidissement, on peut utiliser :
L'eau du réseau (eau potable), mais cette solution est à proscrire vu la consommation exorbitante d'eau qu'elle entraîne.
L'eau de nappes phréatiques, de lac ou de rivière (demander l'autorisation). Les eaux contiennent plus ou moins d'impuretés qui se déposent sur les
tubes. Ces dépôts peuvent réduire considérablement le coefficient de transfert de chaleur. A défaut de la mise en place d'un système de nettoyage
automatique, il faut surdimensionner l'échangeur de sorte que les performances de l'installation restent suffisantes.
Un circuit d'eau, ouvert ou fermé. C'est le cas le plus fréquent. Il entraîne l'utilisation d'une tour de refroidissement.
Choix de la tour de refroidissement
Pour évacuer la chaleur captée par le condenseur à eau, on rencontre trois technologies de tour de refroidissement. Voici quelques critères de choix.
Le refroidissement atmosphérique ouvert : la tour ouverte
L'eau est pulvérisée dans l'air qu'un ventilateur pulse à travers la tour de refroidissement. Une partie de l'eau s'évapore. Simultanément, elle refroidit le reste
de l'eau qui retourne vers le condenseur. L'eau évaporée est continuellement remplacée par de l'eau fraîche spécialement traitée. Cette configuration entraîne
donc une consommation d'eau, estimée à 1,5 litre par kWh dissipé. Elle se rencontre généralement dans les installations de plus de 1 000 kW.
Cette tour ouverte a la faveur :
du financier : solution bon marché, ne prenant pas beaucoup de place,
de l'énergéticien : la température de condensation est très basse (ce qui diminue le travail du compresseur).
Mais elle constitue le cauchemar de l'équipe de maintenance : corrosion par oxygénation de l'eau, encrassement par introduction de poussières et de grains de
sable qui risquent de se déposer dans le condenseur, risque de gel accru,... problèmes qui limitent d'ailleurs la durée de vie moyenne à une dizaine d'années.
Elle peut poser également un risque en matière de contamination par la légionelle : l'eau pulvérisée se situe à une température de 30 à 50°C. Emporté par le
vent, le nuage de vapeur d'eau + fines gouttelettes qui s'échappe de la tour risque d'être respiré par des personnes à proximité... On sera particulièrement
attentif à ne pas placer une tour ouverte près de la prise d'air neuf du bâtiment, ou près d'un autre bâtiment plus élevé dont les occupants pourraient respirer
le panache de vapeur en ouvrant leur fenêtre. Un entretien régulier doit de plus être prévu.
A noter qu'il existe des tours ouvertes sans ventilateurs. La pulvérisation d'eau est réalisée avec une pression assez élevée et cette pulsion d'eau entraîne l'air
avec elle par effet induit (effet Venturi). L'avantage premier est la diminution des bruits et des vibrations. La consommation un peu plus élevée de la pompe est
très largement compensée par la suppression du ventilateur. Mais ce type de tour est limité dans la gamme de puissance de refroidissement.
Si la tour doit travailler par des températures extérieures assez basses, une régulation de la température de l'eau du circuit "tour" est à prévoir. En effet, si
l'eau du condenseur est anormalement froide, la haute pression s'établira difficilement et on aura des difficultés au démarrage.
La solution consiste à agir d'abord sur la diminution de la vitesse du ventilateur et ensuite sur la vanne trois voies diviseuses qui permettent à l'eau de
by-passer la tour de refroidissement.
Remarques.
Si l'installation reste en fonctionnement en période de gel, une résistance chauffante sera prévue dans le bac de collecte d'eau, avec une régulation qui
autorise le chauffage pour une température de l'eau inférieure à 5°C, par exemple.
Puisque le risque de corrosion est élevé dans les tours ouvertes, il est judicieux d'utiliser des tuyauteries en polyéthylène à haute densité ou en PVC
haute densité, pour raccorder la tour au condenseur.
Le refroidissement atmosphérique fermé : la "tour fermée"
L'échangeur de chaleur eau/air est également aspergé d'eau quand la puissance de réfrigération est élevée. Cette eau d'aspersion constitue toutefois un circuit
autonome. Pour cette installation il faut compter environ 20 % d'emplacement supplémentaire au sol et 50 % de budget en plus par rapport à la tour ouverte.
Le principal avantage est d'abaisser le point de condensation tout en conservant propre le circuit du condenseur. Les problèmes hydrauliques sont résolus maisles autres problèmes subsistent :
consommation d'eau (évaporation et déconcentration),
régulation,
protection contre le gel.
La réserve (mentionnée pour les tours ouvertes) concernant le risque de contamination par légionellose reste d'application dans ce cas-ci. Ici encore, le choix
de ce système sera donc moins adéquat si des personnes sont susceptibles de respirer l'air sortant de la tour de refroidissement (fenêtres à proximité).
Le refroidissement atmosphérique fermé : l'aéro-refroidisseur où "dry-cooler"
Cette fois, pas d'aspersion d'eau, c'est le ventilateur qui pulse simplement l'air extérieur dans une batterie d'échange. Technologiquement, il s'agit d'un
condenseur à air, à la seule différence que c'est de l'eau qui le parcourt et non du fluide frigorigène.
Pour éviter le gel, l'eau sera glycolée. Par exemple, pour atteindre une protection contre le gel à - 16°C, la concentration en éthylène-glycol sera de 30 % en
masse.
Problème : la température de l'air en été peut dépasser les 30°C. Par rapport aux tours de refroidissement avec aspersion d'eau, la surface d'échange doit être
plus importante, l'emplacement au sol également. Le coût d'investissement peut atteindre le double de celui de la tour ouverte.
Mais le dry-cooler est cependant souvent utilisé pour sa fiabilité (absence de corrosion du circuit hydraulique), la possibilité de le faire fonctionner en toutes
saisons (avec eau glycolée), l'absence de consommation d'eau.
Ces caractéristiques sont appréciées surtout pour le refroidissement des installations informatiques dont le fonctionnement et la charge thermique sont
constants toute l'année, et donc aussi en hiver.
Quelques recommandations particulières
Pour une installation de qualité, on sera attentif aux éléments suivants :
Pour limiter la corrosion, préférer de l'acier revêtu (polymères) à l'acier galvanisé (il n'est pas lisse, ce qui favorise le développement d'algues),
Choisir des ailettes très larges ou des batteries lisses pour un nettoyage facile,
Choisir une pompe à eau en inox,
Privilégier un accouplement et des roulements de haute qualité (> 80 000 heures), sachant qu'une tour peut fonctionner jusqu'à 5 à 6 000 heures/an !
Si le bruit est un facteur important, favoriser les ventilateurs à aubes inclinées vers l'avant, malgré leur moins bonnes performances énergétiques que
les ventilateurs à aubes inclinées vers l'arrière (qui doivent fonctionner à 3 000 tours), ou penser au placement d'un silencieux,
Vérifier la résistance de la structure : une tour fermée de 300 kW pèse de 3 à 4 tonnes et une tour de 1 000 kW pèse de 9 à 12 tonnes !
Prévoir l'absorption des vibrations sonores par des silent-blocs,
Prévoir un appareil de mesure de la conductivité de l'eau (pour mieux gérer le débit d'eau de déconcentration),
Pour les très grosses tours, le placement de capteurs de vibration pour la surveillance des paliers sera un outil très efficace de maintenance et
d'économie à long terme.
Choix de la régulation
Principe de base : abaisser la température de condensation
Abaisser la température de condensation, c'est abaisser le niveau de pression à la sortie du compresseur, c'est donc diminuer le travail de celui-ci et l'énergie
qu'il consomme.
Par exemple, abaisser la température de condensation de 10°C génère généralement plus de 10 % de réduction de la puissance électrique. Les constructeurs
annoncent même 2 % d'économie par degré abaissé, dans certains cas.
De plus, une basse température de condensation entraîne un niveau moins élevé de pression, ce qui permet souvent de choisir un compresseur d'un modèle
plus petit, donc moins cher.
Nous devrions avoir d' excellents rendements dans nos régions où les canicules sont rares ! La température extérieure avoisine les 12 à 20°C lorsque laclimatisation est en route. La température de condensation devrait être de l'ordre 24 à 32°C. Mieux, certains locaux à charges internes importantes (par
exemple, les salles informatiques) doivent être aussi climatisés en mi-saison ou encore en hiver. Dans ce cas, lorsque la température de l'air extérieur diminue,
la capacité de refroidissement du condenseur augmente.
En théorie, c'est tout bénéfice pour le compresseur qui a moins de mal à travailler !
Et pourtant ...
Problème avec les détendeurs thermostatiques
Le constructeur souhaite qu'une différence de pression minimale existe au niveau du détendeur, pour assurer une quantité de débit de fluide frigorifiquesuffisante dans l'évaporateur. C'est la Haute Pression qui pousse le réfrigérant à travers l'orifice de la vanne du détendeur. Il en résulte, avec une haute
pression trop faible, que l'alimentation en réfrigérant est insuffisante, particulièrement au démarrage. Le compresseur aspire mais il est sous-alimenté.
La basse pression devient aussi insuffisante et le groupe se met en sécurité basse pression. Mais comme cette sécurité est à réenclenchement automatique, le
groupe "pompe", se fatigue et finalement déclenche par son thermique.
Avec un détendeur thermostatique, il est donc nécessaire de maintenir une haute pression suffisamment élevée. Dès lors, le constructeur impose une pression
minimale, côté HP, à la sortie du condenseur (par exemple 12 bars pour le R22).
Ce problème est renforcé en hiver... Si l'air est à 0°C, la surface d'échange devient excessive. De plus, on n'aura plus besoin de la pleine puissance frigorifique.
De sorte que le condenseur sera largement surdimensionné pendant les périodes froides.
S'il fait plus froid dehors, le constructeur va diminuer le débit d'air de refroidissement (en arrêtant l'un ou l'autre ventilateur, par exemple), mais il va
maintenir le niveau de pression ! en fait, la régulation des ventilateurs sera réalisée sur base du pressostat HP.
Il y a économie sur le ventilateur... mais pas sur le compresseur !
Première amélioration : travailler avec un ventilateur à vitesse variable ou une cascade de ventilateurs
Supposons que le ventilateur du condenseur fonctionne en tout ou rien, avec l'exigence constructeur de maintenir les 12 bars minimum.
Par exemple, il s'enclenche lorsque la pression monte à 16 bars et déclenche lorsque la pression descend à 12 bars. Ceci entraîne des cycles on-off "rapides"
(+/- 2 min.) et une "fatigue" du moteur. En plus la mise en route brutale du ventilateur provoquera une chute soudaine de la pression et de la température de
condensation. Ceci provoque à son tour une ré-évaporation du liquide resté à la même température. Les bulles de vapeur provoqués par ce phénomènepeuvent perturber le bon fonctionnement du détendeur et donc de l'installation. ("flash gaz").
Si par contre, on utilise un ventilateur à vitesse variable (moteur spécial ou régulateur de vitesse de rotation externe), en plus de la réduction de
consommation du ventilateur, on optimisera le fonctionnement du compresseur qui restera régulé à 12 bars (dès que la pression augmente, le ventilateur
accélère; et si la charge augmente encore, c'est la pression qui augmente naturellement).
Si le condenseur dispose de plusieurs ventilateurs, on obtient un résultat similaire à partir d'une mise en cascade des ventilateurs, via un pressostat à
plusieurs étages. Cette fois, la pression de condensation est stable, ce qui évite la formation de bulles de gaz à l'entrée de l'évaporateur.
Cas particulier
Comme le condenseur est entièrement à l'extérieur, par très basse température, c'est toute la masse métallique qui est à 0°C et, même clapets complètementfermés, le réfrigérant se condense à trop faible pression. Il faut dans ce cas rendre inopérants un certain nombre de tubes.
Pour les rendre inopérants, il suffit de remplir d'office certains tubes avec du réfrigérant liquide. Ce réfrigérant liquide sera sous-refroidi mais la surface
d'échange utile du condenseur ayant fortement diminué, il ne pourra en condenser trop. Ce remplissage est obtenu par une vanne à 3 voies fonctionnant
automatiquement et branchée sur un réservoir auxiliaire de réfrigérant.
Comme il faut une certaine quantité de liquide pour remplir ces tubes, il y a lieu de prévoir un réservoir et une quantité de réfrigérant suffisamment grande.
Exemple.
Un climatiseur devant fonctionner pour des températures extérieures inférieures à 17°C doit être équipé d'un ventilateur de
condenseur à vitesse variable. La diminution de vitesse du ventilateur est alors commandée par un pressostat ou un thermostat
placé sur le condenseur. La puissance d'échange de celui-ci est ainsi maintenue constante quelle que soit la saison.
Au minimum, le fonctionnement du ventilateur sera commandé en tout ou rien. Idéalement la vitesse sera modulée, soit en
continu, soit par paliers.
Deuxième amélioration : travailler avec un détendeur électronique
Si le détendeur thermostatique travaille généralement avec une température minimale de condensation de 35°C, le détendeur électronique peut travailler avec
une température minimale de condensation de 20°C !
Détendeur électronique.
Il est plus cher à l'investissement, mais ce prix est largement récupéré par l'usage de l'installation.
De plus, la présence d'un détendeur numérique permet d'optimiser la température de condensation en fonction de la charge du compresseur.
Exemple.
Voici la séquence prévue par un constructeur de régulation :
A 100 % de puissance, l'écart "température de condensation - fluide de refroidissement" est choisi à 12 K.
A 0 % de puissance, l'écart est de 4 K : la consommation du compresseur est diminuée par la baisse de pression de condensation
et le ventilateur adaptera sa vitesse de rotation pour maintenir cette consigne. L'écart n'est pas de 0 K, car les ventilateurs
tourneraient tout le temps.
** à corriger
Exemple.
si la T°ext = 30°C et Travail compresseur = 25 %, la T°condensation = 36°C
si la T°ext = 30°C et Travail compresseur = 50 %, la T°condensation = 38°C
si la T°ext = 20°C et Travail compresseur = 25 %, la T°condensation = 26°C
si la T°ext = 10°C et Travail compresseur = 25 %, la T°condensation = ... 20°C car c'est la valeur minimale de condensation.
Remarque.
Adopter une température minimale de condensation de 20°C suppose que le sous-refroidissement soit suffisamment élevé.
A défaut, la moindre perte de charge sur le tracé va provoquer une vaporisation dans le condenseur ("flash-gaz"). C'est parfois un problème rencontré lorsqu'il
faut remonter plusieurs mètres avec la tuyauterie.
Pour s'en prémunir, il est possible de sous-refroidir volontairement le liquide par la création d'une zone de sous-refroidissement dans le condenseur (voirfigure), ou en plaçant un échangeur à plaques sur le liquide (à la sortie).
Régulation de la tour de refroidissement
La tour de refroidissement sera commandée suivant la même logique : maintenir constante la température de l'eau de refroidissement.
Classiquement, on retouvera une régulation par vanne 3 voies mélangeuses. La température de l'eau de sortie de la tour est mélangée à l'eau venant du
condenseur. Si ce système permet de conserver le débit constant dans le condenseur (ce qui limite le dépôt de sédiments), il est peu efficace au niveau des
ventilateurs : ceux-ci tournent en permanence quels que soient les besoins de refroidissement. En dehors du gaspillage d'énergie, le coût de fonctionnement
des ventilateurs est loin d'être négligeable...
Aussi est-il préférable de concevoir une installation qui régule d'abord sur le nombre et la vitesse des ventilateurs, pour ensuite affiner en modulant sur la
position de la vanne mélangeuse (si ventilateur à 2 vitesses, par exemple). Idéalement, c'est un ventilateur à vitesse variable qui sera choisi.
N'oublions pas que toute l'installation de climatisation est dimensionnée pour les jours de canicule. Hélas, ces jours sont rares dans nos contrées...!
Il est donc facile d'imaginer que les besoins réels moyens seront largement en dessous des puissances de dimensionnement. Réduire la vitesse du ventilateur
de moitié, c'est diviser sa consommation par 8 !
Choix du détendeur.
Régulation du condenseur.
Critères acoustiques
Bruit aérien
La principale source de bruit d'un condenseur est constituée par le(s) ventilateur(s). On aura toujours intérêt à les faire fonctionner àfaible vitesse.
L'émission du bruit des aérocondenseurs à ventilateurs hélicoïdes est pratiquement uniforme dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation des ventilateurs.
Les faces d'aspiration et de refoulement d'air étant plus bruyantes que les autres, l'aérocondenseur doit être convenablement orienté par rapport aux
plaignants potentiels.
Certains constructeurs proposent des moteurs de ventilateur à deux vitesses, option qui peut être déterminante dans certains cas. Ainsi, la petite vitesse
pourra être utilisée la nuit, les bruits de fond et les besoins frigorifiques diminuant la nuit. Certains constructeurs annoncent qu'une réduction de moitié de la
vitesse de rotation des ventilateurs entraîne un gain de 15 dB(A) sur le niveau de puissance acoustique de l'aérocondenseur.
Il est aussi possible d'utiliser des silencieux à baffles sur l'aspiration et le refoulement d'air mais ceux-ci risquent d'augmenter considérablement
l'encombrement et les pertes de charge des aérocondenseurs. Certains matériaux absorbants peuvent servir de revêtement insonorisant de la carcasse, mais
ceux-ci ne peuvent constituer une solution à eux seuls. Il est possible enfin, dans les cas les plus délicats, de disposer des écrans acoustiques autour de
l'appareil.
Exemple de baffles acoustiquesintégrés sur une tour ouverte (vue du dessus).Les poignées permettent de les retirer facilement lors de l'entretien.
Bruit solidien (ou bruit d'impact)
Les vibrations se transmettent vers les locaux sensibles par les tuyauteries en cuivre, et par la dalle sur laquelle est posé l'appareil. Il faut traiter les vibrations
par dalle flottante posée sur isolateurs à ressort, utiliser des manchons anti-vibratoires pour le raccordement sur des canalisations, et des suspensions
anti-vibratiles pour les supports des canalisations.
DGO4 � Architecture et Climat