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Dossier

Chillers à vitesse variable et nouveaux fluides

RÉGLEMENTATION

Nouveaux indicateurs
Trois règlements Ecodesign s'appliquent aux chillers et pompes à chaleur :

• N° 813/2013 (ENER lot 1) pour le chauffage, depuis septembre 2015 avec pour principale exigence une efficacité saisonnière minimums , exprimée en énergie primaire afin ? de permettre la comparaison d'équipements utilisant différentes sources d'énergie. Pour les pompes à chaleur, la valeur ?s est calculée au moyen du nouvel indicateur Scop (Sea-sonal Coefficient of Performance, mesuré en énergie électrique finale). Un nouveau seuil d'efficacité énergétique plus élevé est prévu à partir du 26 septembre 2017.

• N° 2016/2281 (ENER lot 21) pour les applications de confort (température de sortie d'eau 7 °C) et de process industriel (température de sortie d'eau 7 °C), applicable en janvier 2018, avec un renforcement en janvier 2021. Pour les applications de confort, la valeur en énergie primaire est calculée à partir du nouvel indicateur de performance ?s SEER (Seasonal Energy er Efficiency Ratio,mesuré en énergie finale). À partir du 1 janvier 2018, celui-ci remplacera l'ESEER créé par Eurovent Certification : il fournira une information plus fine de la consommation réelle, notamment par la prise en compte de la consommation des auxiliaires. Pour les applications de process industriel, l'exigence d'efficacité saisonnière minimum est le SEPR (Seasonal Energy Performance Ratio, mesuré en énergie finale).

• N° 2015/1095 (ENTR lot 1) pour les applications de process industriel à températures négatives (températures de sortie d'eau - 8 °C et - 25 °C), depuis juillet 2016, avec un renforcement en juillet 2018. L'indicateur de performance est également le SEPR.

TENDANCE

À l'échelle du quartier
« Nous observons aujourd'hui l'émergence d'un nouveau marché lié au chauffage urbain, note Didier Perales, responsable relations techniques Carrier & Ciat. Cela se traduit par un fort développement de nos chillers/pompes à chaleur de grosse puissance, de 1 à 2 MW, à condensation par eau, pour les micro-réseaux de chauffage ou de refroidissement. » À l'échelle d'un quartier, les besoins thermiques varient selon les typologies de bâtiments (résidentiel, tertiaire, parfois industrie). La mise en place d'un chiller peut ainsi être utilisée pour mutualiser les énergies entre ces différents usages, par exemple pour récupérer la chaleur rejetée par les équipements frigorifiques d'un supermarché de manière à alimenter le réseau d'eau de chauffage des logements.

PRODUITS

Pour les hivers rigoureux

La gamme SysAqua de Systemair se décline en versions froid seul ou réversible. Les PAC sont optimisées pour le chauffage et classées A +. 16 tailles de 25 à 210 kW.

Concept modulaire

Jusqu'à six groupes d'eau glacée modulaires e-Series de Mitsubishi Electric peuvent être connectés pour atteindre une puissance entre 90 et 540 kW.

Réseaux de chaleur

La PAC eau/eau Aquaforce de Carrier fonctionne avec le HFO R-1234ze. Elle est adaptée aux réseaux urbains de chaleur. Puissance de 300 à 2 000 kW.

Performant et silencieux

Ces refroidisseurs à condensation par air avec compresseurs centrifuges (Sintesis eXcellent de Trane) offrent des EER et ESEER élevés. Fluide R-134a ou R-1234ze.

ESEER de 8,3

Les chillers VZ de Daikin intègrent une nouvelle génération de compresseurs et affichent un ESEER d'environ 8,3 et un EER jusqu'à 5,7.

Eau jusqu' à 65 °C

La gamme de PAC BlueBox Zeta Rev HP XT de Swegon couvre une gamme de 40 à 200 kW en chauffage. EER jusqu'à 3,0. Cop jusqu'à 3,5.

Chillers à vitesse variable et nouveaux fluides

Compresseurs à vis et ventilateurs sont à vitesse variable et réduisent la consommation d'énergie de ce modèle à condensation par air (Aquaforce 30 XAV de Carrier).

© Carrier

À condensation par air ou par eau, les chillers continuent d’innover par l’utilisation de nouveaux fluides frigorigènes plus écologiques et de composants, notamment les compresseurs, à vitesse variable.

Le chiller sur boucle d'eau est un monde en soi. L'offre de Daikin, par exemple, s'échelonne ainsi de 4 kW à 19 MW. Si les technologies diffèrent quelque peu selon les puissances, l'architecture du système reste globalement la même. Le chiller (qui est un équipement frigorifique réunissant évaporateur, condenseur, compresseur et détendeur) fournit de la chaleur ou du froid à une boucle d'eau selon les besoins du bâtiment ou du process. Cette boucle peut à la fois alimenter des centrales de traitement d'air et des unités terminales : ventilo-convecteurs, cassettes, plafonds et poutres froides… Dans les installations de plus grande taille, on trouve un circuit primaire avec un ballon tampon ou une bouteille de découplage et des circuits secondaires par type d'unité terminale. Le choix du type de chiller détermine le mode de fonctionnement : froid seul, chaud seul, réversible (pompe à chaleur) ou 4 tubes (chaud et froid simultanés, ou thermofrigopompe). En option sur certaines gammes, il est aussi possible de fonctionner en récupération, partielle ou totale, d'énergie ou en free-cooling. Les chillers à condensation par air représentent 90 % du marché en nombre d'unités vendues, et 70 % en valeur. On trouve communément des puissances jusqu'à 1 500 kW. Trane, par exemple, couvre une gamme de 50 kW à 1,9 MW (la machine fait alors 14 m de long). Ces équipements monoblocs s'installent simplement, notamment quand ils intègrent déjà la pompe à eau, à l'extérieur du bâtiment. 

Des systèmes à eau plus pointus que par air 

Les modèles à condensation par eau sont plus onéreux et s'installent à l'intérieur, généralement en sous-sol. Leur mise en œuvre est plus complexe et nécessite l'ajout d'équipements de rejet de la chaleur : aéro-refroidisseur (ou dry-cooler) jusqu'à une puissance d'environ 1 MW et tour de refroidissement évaporative au-delà. Les systèmes à évaporation présentent un risque potentiel de développement de légionelles et doivent faire l'objet d'un traitement d'eau suivi. La prescription de chillers de forte puissance (plusieurs MW) passe par des modèles à condensation par eau. Un avantage de ces produits est leur meilleure maîtrise des aspects acoustiques. Le compresseur étant placé en local technique, seuls les équipements de rejet de chaleur, aux ventilateurs de plus en plus silencieux, sont à l'extérieur. Bien dimensionné, ce système est aussi plus efficace qu'un modèle à condensation par air. « Notre gamme VZ atteint un ESEER [European Sea-sonal Energy Efficiency Ration] jusqu' à 8,3 et un EER [Energy Efficiency Ratio] jusqu' à 5,8, précise ainsi Yann Quiquenpois, senior manager applied France chez Daikin. Par comparaison, notre gamme à condensation par air la plus performante a un ESEER de 5,7 et un EER de 3,5. » Différents types de compresseurs équipent les chillers. Le choix des compresseurs est lié à celui du fluide frigorigène, lui-même fonction de la puissance. Les compresseurs à piston ont presque disparu du marché du chiller, on les trouve encore sur quelques applications, plus spécifiques, à l'ammoniac ou au CO . Les compresseurs scroll ou swing (plutôt réservés aux petites puissances) équipent les modèles de moins de 1 MW fonctionnant au R410A. Selon la puissance, les équipements peuvent embarquer de 8 à 10 compresseurs de ce type. Les compresseurs à vis sont installés dans les machines au R134a. Trane, par exemple, en commercialise de 250 kW à 1,9 MW. Les machines de plus forte puissance sont pourvues de compresseurs à palier magnétique (ou centrifuges) sans huile, fonctionnant également au R134a. Ce sont les compresseurs dont la performance énergétique est la plus élevée, tout comme le prix. On trouve également des compresseurs centrifuges, cette fois à huile, sur les machines à condensation par eau. Côté évaporateur, les chillers sont généralement équipés jusqu'à 500 kW d'échangeurs à plaque, puis au-delà d'échangeurs tubulaires : évaporateurs à détente sèche ou évaporateurs noyés, plus performants et par exemple privilégiés par Carrier sur sa technologie de compression à vis. 

HFO et modulation de puissance 

La F-Gaz pousse au remplacement de certains fluides. Les ténors du marché ont fait le choix du HFO R-1234ze (non toxique mais légèrement inflammable). Toutes les gammes au R-134a de Carrier sont ainsi disponibles avec ce fluide. « Avec son pouvoir de réchauffement planétaire négligeable (PRP < 1), ce réfrigérant est une solution à long terme. Le R-1234ze fonctionne à une pression plus basse que celle du R-134a, ce qui entraîne une réduction de la puissance frigorifique d'environ 20 %, explique Pierre Crevat, chargé d'affaires réglementaires de Carrier et Ciat pour l'Europe. Son efficacité énergétique est par contre légèrement supérieure au R-134a. » L'industriel est en phase d'évaluation pour remplacer le R-410A dans ses chillers avec une solution pérenne, c'est-à-dire avec un PRP < 150. Le relèvement de la performance énergétique des chillers, requis par les règlements Ecodesign, contribue au développement de la vitesse variable sur les compresseurs et les ventilateurs. « Les compresseurs à palier magnétique sont par définition à vitesse variable, explique Nicolas Bau, chef des ventes chez Trane. Pour les compresseurs à vis, la vitesse variable existe, mais reste une option qui améliore la performance énergétique à charge partielle. » Les variateurs commencent aussi à se développer pour les compresseurs scroll, mais plutôt pour les petites puissances. Plusieurs technologies existent, dont l'inverter et le digital scroll. Les chillers avec un seul compresseur à vitesse fixe vont en effet disparaître, car ils ne permettront pas d'atteindre le niveau d'efficacité saisonnier requis. Pour les plus grosses puissances, la présence de plusieurs compresseurs scroll fonctionnant en parallèle suffit à assurer une modulation de puissance selon la demande. L'offre ne devrait donc pas évoluer.

N°361

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