Güntner Gas cooler V-SHAPE Vario GVD (new series: GCDV AS)

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Une récupération de chaleur à quatre niveaux pour le site d’un grossiste

Dans le commerce alimentaire de détail, c’est la réfrigération qui constitue le principal poste de coûts en énergie, à savoir 45 % en moyenne. Et pourtant, dans un supermarché, les rejets thermiques d’une installation frigorifique moyenne sont beaucoup plus élevés que les besoins annuels en chaleur. Un simple calcul de rentabilité révèle le potentiel d’économies exploitable à ce niveau. En 2014 et 2015, un grossiste a radicalement transformé la technologie de son site en suivant cette approche planifiée.

Dans sa configuration précédente, il exploitait une installation frigorifique centrale au R-22 accompagnée de deux installations frigorifiques décentralisées. Le volume à refroidir était de 3 600 m³/127 134 ft³ et la consommation annuelle d’énergie se montait à environ 2,4 millions de kWh / 8 188,8 MBTU. À l'occasion de cette modernisation, les capacités frigorifiques de froid normal et de congélation ont été renforcées d’environ 80 % pour correspondre à un volume de 6 500 m³/229 548 ft³. En plus du volume refroidi, 150 mètres/492 ft de meubles frigorifiques ont été installés.

Malgré cette augmentation de la capacité frigorifique d’environ 80 %, la consommation annuelle d’énergie du site n’est aujourd’hui que de 1,6 million de kWh / 5 459 MBTU environ. Comme environ 400 000 kWh/1 365 MBTU de chaleur peuvent être récupérés, les deux tiers du besoin en chauffage peuvent être couverts en mode « régénération ».

En plus de ces économies d’environ 33 % des coûts en énergies, le nouvel équipement a permis une augmentation de 3,5 % de la quantité de marchandises transbordées, contribution appréciable aux résultats économiques du grossiste.

Un ensemble frigorifique transcritique alliant CO2 et booster 

Le nouvel ensemble frigorifique transcritique CO2-booster respecte rigoureusement les principes de base édictés par le fournisseur du système, Meilbeck Kälte- und Klimatechnik : d’une part, le refroidissement est adapté à la demande et d’autre part, le rejet thermique est utilisé, via des interfaces, à des fins internes (eau brute, chauffage, ventilation). Ce n’est qu’après cette valorisation qu’il est évacué dans l’environnement, et uniquement si on ne lui trouve plus aucune utilisation judicieuse dans le bâtiment (par exemple en cas de températures extérieures élevées).

La salle des machines abrite dix compresseurs à haute rendement se distinguant par leur souplesse d’utilisation et pouvant fournir du froid pour quatre niveaux de température en mettant à profit la température d’évaporation. Les différentes zones de température sont toutes conçues de manière partiellement redondante et une vanne pilotée fait le lien entre les groupes de compresseurs. Les éventuelles défaillances peuvent ainsi être compensées sans problème par d’autres compresseurs. Après sa sortie du refroidisseur de gaz Güntner V-SHAPE Vario GVD, le frigorigène CO2 est artificiellement sous-refroidi afin de limiter les pertes thermodynamiques dues à la vapeur « instantanée » dans les conduites de frigorigène. Cela permet de stabiliser le comportement de l’installation et donc d’en améliorer l’efficacité. Ce refroidisseur de gaz au CO2 conforme à la directive ErP est conçu pour fonctionner tant en mode transcritique (puissance de 518 kW kW/1,768 MBTU/h) que sous-critique (puissance de 444 kW/1,515 MBTU/h), c’est-à-dire pour un maximum de 120 bar/1 741 psi et 150 °C/302 °F.

En fonction de la puissance demandée et de la taille du local, les chambres froides normales et de congélation, les surfaces de vente de produits de boucherie, de produits laitiers, de fruits et légumes, ainsi que les sas entre les différentes zones de température sont équipés d’évaporateurs directs au CO2 Güntner CUBIC Vario CXGHF (nouvellement : GACV CX), d'évaporateurs du type SLIM Compact CXGDF (nouvellement : GASC CX) ou encore de type FLAT Compact DHF (nouvellement : GADC CX).

Aux fins de la prévention contre la corrosion, les évaporateurs au CO2 Güntner de types DHF et GHF installés dans les locaux de traitement et de préparation des commandes sont en acier inoxydable et dotés d’ailettes à protection époxy.

Une régulation autoadaptative du système

Le froid destiné aux entrepôts de congélation est produit avec une température d'évaporation de -34 °C/-29 °F, les armoires de congélation requérant -29 °C/-20,2 °F, le froid normal -7 °C/19,4 °F et l’installation de conditionnement d'air -1 °C/30,2 °F. Les meubles frigorifiques et les chambres froides sont équipés de robinets détendeurs électroniques permettant leur régulation optimale. Grâce à une mise en réseau, la régulation du système s'adapte automatiquement pour s'ajuster au meilleur point de fonctionnement. Le processus de dégivrage des chambres froides et des meubles frigorifiques est lui aussi autoadaptatif.

L’ensemble de congélation est conçu de manière à pouvoir alimenter tant les meubles de congélation que les chambres de congélation. À cette fin, il met en œuvre des unités composées de deux et trois compresseurs. Pour le refroidissement normal, ce « partage » est aussi appliqué à l’alimentation de l’installation de conditionnement d’air et des entrepôts à refroidissement normal. Grâce à cette conception axée sur les niveaux de températures réellement nécessaires (et pas uniquement sur le niveau le plus bas des deux), la consommation d'énergie consacrée à la régulation de la température est réduite et la priorité est donnée aux denrées alimentaires à refroidir.

L’entreprise Meilbeck Kälte- und Klimatechnik a chiffré à environ 10 % des charges d’exploitation les économies réalisées grâce à cette régulation de zone. La récupération de chaleur adaptable est ici la condition d’une amélioration générale de l’efficacité.

Récupération de chaleur à quatre niveaux grâce à un Güntner V-SHAPE Vario GVD utilisé en tant que refroidisseur de gaz

La récupération de chaleur du CO2 chaud est réalisée sur quatre niveaux et pilotée au moyen de vannes électroniques. Au premier niveau, le gaz chaud est dirigé dans un circuit d’eau chaude par l’intermédiaire d’échangeurs de chaleur à plaques où il est désurchauffé avec réchauffage de l’eau brute. La chaleur est d’abord accumulée dans un réservoir d'accumulation d’eau chaude d'un volume de 6 500 l/229,5 ft³, de sorte que l’installation puisse réagir avec souplesse à la demande de chaleur tout en compensant sans heurts les variations de puissance de la récupération de chaleur.

Dans cette étape, le gaz chaud a déjà perdu 25 % de sa chaleur. Deux autres échangeurs de chaleur à plaques disposés en parallèle peuvent transmettre la chaleur à un circuit de chauffage, pour évacuer jusqu’à 35 % supplémentaires de la chaleur du gaz chaud déjà désurchauffé. Au troisième niveau, un Güntner V-SHAPE Vario GVD intervient pour finalement dégager dans l’environnement la chaleur non utilisable. En cas de besoin élevé en chaleur, le refroidisseur de gaz peut aussi être entièrement contourné par un bypass. La chaleur du gaz chaud est alors récupérée à 100 % pour son utilisation dans l’exploitation. Le refroidisseur de gaz au CO2 Güntner V-SHAPE Vario GVD fournit au total une puissance de condensation de 520 kWh / 1,774 MBTU.

Un chauffage secondé par des évaporateurs pour pompe à chaleur au CO2

Lorsque l’installation frigorifique ou les cellules de froid ne parviennent pas à fournir toute la chaleur nécessaire, deux évaporateurs pour pompe à chaleur au CO2 se chargent de couvrir le pic de chaleur demandé. Leur coefficient de performance va jusqu’à 4,2. Grâce au rejet thermique de l’installation frigorifique, le système combiné est en mesure de fournir une puissance calorifique moyenne de 300 kW / 1,024 MBTU/h pour l’eau brute et le chauffage, soit environ les deux tiers de la chaleur moyenne nécessaire. Ainsi, la chaudière à condensation existant sur le site n’est finalement utilisée que pour amortir les pics de demande en hiver ou lorsque les températures extérieures passent sous -5 °C/-23 °F.

Une régulation complexe

En matière de régulation d’une installation frigorifique transcritique au CO2 si complexe et de ses multiples zones de température, le défi consiste à ce que tous les circuits de réfrigération soient interdépendants et que toute intervention sur un circuit se répercute sur les autres circuits. Le système de commande combiné spécialement développé pour l’exploitation de systèmes transcritiques au CO2 régule en détail la pression d’aspiration (basse pression), la pression intermédiaire (pression intermédiaire supérieure à la pression dans le collecteur de réfrigérant), la haute pression et le refroidisseur de gaz. La plage de basse pression de l’installation booster est pilotée séparément par une commande combinée.

Les fonctions de récupération de chaleur sont intégrées dans la commande combinée de sorte que le mode de fonctionnement en vigueur de l’installation frigorifique peut toujours être coordonné avec la récupération de chaleur. Un signal de commande de chauffage communique au système de récupération de chaleur le besoin réel en chaleur. Grâce à cette mise en réseau, la régulation du système s’adapte automatiquement pour trouver le point de fonctionnement optimal, c’est-à-dire le plus économique.

Gestion de l’énergie

Pour optimiser encore davantage le bilan énergétique et donc économique de l’installation, les données de consommation d'énergie sont rigoureusement enregistrées et analysées afin d’exploiter tout nouveau potentiel d’économies. En effet selon Meilbeck, fournisseur du système, la gestion de l’énergie est un processus d’amélioration à mener au cours de l’exploitation pour rendre toujours plus efficace le fonctionnement d’une installation.

Grand atout à ce pas négliger, ce système de booster transcritique s'ajuster à une plage de performance allant de 100 à 1 000 kWh / de 341 200 à 3 412 000 BTU et s’adapter ainsi aux applications les plus diverses.

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