02 mars 2022
Le trèfle de l’Efficacité AKO
1. Réfrigération et énergie
La réfrigération est un ensemble de techniques et de technologies permettant d’extraire la chaleur située dans des espaces froids et de la transférer vers des environnements plus chauds, afin de refroidir ces espaces vers des températures inférieures ou très inférieures aux températures ambiantes. Ce processus est très gourmand en énergie. Plus précisément, on estime que 15 % de l’électricité mondiale est destinée à la conservation des aliments, et ce, sans tenir compte des nombreux autres produits nécessitant également une température contrôlée pour leur bonne conservation (vaccins, médicaments thermosensibles, plasma, fleurs, centres de traitement des données, etc.).
Rien qu’en Europe, on estime que la consommation électrique des chambres froides est d’environ 30 TW/an, et ce, avec une pression démographique également en hausse, qui exige de plus en plus d’installations frigorifiques pour assurer la bonne conservation des produits et éviter autant que possible le gaspillage et les pertes alimentaires.
Figure 1: Évolution du prix du MWh au cours des 12 dernières années en Espagne.
Et comme si cela ne suffisait pas, la situation mondiale d’inflation générale et surtout l’augmentation du coût de l’énergie et des réfrigérants, ont rendu l’efficacité des systèmes de réfrigération encore plus importante aujourd’hui. En effet, le coût de l’énergie a triplé entre 2021 et 2022 (le coût du MWH est passé de 70 € en 2021 à 210,09 € en janvier 2022, voir Figure 1). Pour un supermarché moyen dont la consommation annuelle est supérieure à 1000 MWh, le coût de la réfrigération peut facilement dépasser 100 000 € par an, les systèmes de réfrigération représentent en effet généralement entre 40 et 65 % du coût total de l’électricité du magasin.
En conséquence, les acteurs de la réfrigération ne peuvent plus considérer l’efficacité comme une option, mais comme une obligation.
2. Les vecteurs de l’efficacité énergétique dans la réfrigération
Il existe de nombreuses façons d’augmenter l’efficacité des systèmes de refroidissement. Cela va d’une meilleure conception thermodynamique et/ou d’une plus grande efficacité de réfrigérants, à des compresseurs plus efficaces, en passant par une meilleure isolation thermique des espaces et des techniques de contrôle et de surveillance, notamment.
AKO, un groupe expert dans les solutions de contrôle, de surveillance et de connectivité pour la chaîne du froid, a développé de multiples solutions au sein du dernier bloc : techniques de contrôle et de surveillance ; un bloc dont le potentiel en termes d’économie, a toujours été sous-estimé et qui, comme nous le verrons plus loin, offre de grandes possibilités en termes d’efficacité. C’est ce que nous appelons chez AKO, le trèfle de l’efficacité.
3. Le trèfle de l’efficacité AKO
Ces dernières années, AKO a développé trois grandes gammes de produits/systèmes permettant, entre autres avantages, d’augmenter l’efficacité des installations frigorifiques. Ces trois gammes, complémentaires entre elles mais aussi avec d’autres améliorations, développées en permanence par le reste du secteur, permettent d’obtenir des réductions d’énergie importantes, voire très importantes, de réduire les fuites de réfrigérants, ainsi que de minimiser le gaspillage de produits réfrigérés, lié à une mauvaise conservation. Le trèfle de l’efficacité AKO consiste à:
- Optimiser le transfert de chaleur et les conditions du réfrigérant dans l’évaporateur/échangeur thermique.
- Limiter au maximum les fuites de réfrigérant.
- Surveiller, gérer à distance et optimiser les services frigorifiques et les contrôler, pour un rendement maximal des installations.
Ces trois gammes ont été construites selon un vecteur commun : faculté et facilité d’installation grâce à des réglages intuitifs. En effet, notre expérience nous a montré que la faculté et la facilité d’installation et de configuration sont des facteurs clés pour garantir la mise en œuvre RÉELLE des améliorations de systèmes sur une installation.
Nous avons effeuillé le trèfle en différentes sections:
4. Optimisation du transfer de chaleur et de l’utilisatoin de l’évaporateur
Dans les systèmes à expansion directe, les systèmes de refroidissement les plus populaires, le réfrigérant s’évapore dans l’évaporateur, ce qui permet de refroidir l’air de l’espace réfrigéré passant autour des tubes et des ailettes. En général, ce processus entraîne la création de givre car la température d’évaporation du réfrigérant est normalement inférieure à 0 degré centigrade. La vapeur d’eau contenue dans l’air des tubes se condense ainsi en premier lieu, puis se solidifie sous forme de givre (frost en anglais). La gestion du givre et le transfert de chaleur entre l’évaporateur et l’air permettent d’augmenter l’efficacité du système, comme nous le verrons dans la section suivante.
Par ailleurs, afin d’éviter les coups de liquide sur le banc de compresseurs (ou sur le compresseur d’une unité de condensation), la quantité de réfrigérant entrant dans l’évaporateur doit être régulée sur les systèmes à expansion directe, afin de garantir qu’aucune goutte de liquide à évaporer ne demeure au niveau de son extrémité. C’est ce que l’on appelle le contrôle de l’expansion et sa surchauffe correspondante (superheating en anglais). Plus la fraction de l’évaporateur effectivement utilisée pour l’évaporation (plutôt que pour réchauffer le réfrigérant sous forme de gaz) est importante, plus l’efficacité est élevée. Cette régulation est effectuée par le contrôle de l’expansion. Plus le contrôle est performant (de préférence électronique), plus l’évaporateur sera efficace, comme nous le verrons dans les sections suivantes.
Il est intéressant de noter que les systèmes sans expansion directe, par exemple les refroidisseurs dry cooler au glycol (glycol refroidi dans un chiller externe, un système en plein essor en raison de son efficacité et de sa faible charge en réfrigérant), ne sont pas concernés par le concept d’utilisation de l’évaporateur (fraction de l’évaporateur réellement utilisée pour l’évaporation), car aucun réfrigérant ne circule dans l’échangeur thermique, seulement un liquide très froid (glycol). Dans de tels systèmes toutefois, la production de givre et l’efficacité du transfert de chaleur peuvent également être optimisées et donc améliorées par l’algorithme SELF-DRIVE ©.
4.1. Optimisation de l’échange de chaleur: AKOCORE ADVANCE avec algorithme SELF-DRIVE ©
Le transfert de chaleur entre l’air de la chambre (chaud) et l’évaporateur ou le refroidisseur dry cooler (froid) est ce qui va permettre d’évacuer la chaleur de la chambre et de l’en faire sortir, pour finalement la libérer dans l’environnement. Au cours de ce processus, comme indiqué précédemment, du givre est normalement produit, ce qui oblige l’évaporateur/refroidisseur dry cooler à effectuer des opérations d’arrêt du froid et de dégivrage.
Le processus de dégivrage est à la fois nécessaire et contre-productif pour la température de l’espace réfrigéré, car d’une part il nécessite l’arrêt de la production de froid et, d’autre part, il apporte de la chaleur (pour faire fondre le givre) à l’espace réfrigéré. Tout processus permettant de réduire le nombre de dégivrages est bénéfique ou très bénéfique pour l’efficacité du système, car l’énergie destinée au dégivrage peut représenter jusqu’à 10 % de la consommation totale de la chambre ou du meuble réfrigéré.
En outre, l’accumulation de givre au niveau des tubes et des ailettes de l’échangeur peut entraîner la captation de nombreuses frigories au niveau du bloc de l’échangeur. Ces frigories finissent par être drainées lors du dégivrage et, réutilisées pour le refroidissement. Elles constituent une source potentielle d’optimisation énergétique, historiquement passée inaperçue dans le secteur.
Deux aspects : La réduction des dégivrages et la réutilisation des frigories accumulées dans le givre sont à la base de l’algorithme breveté SELF-DRIVE © du contrôleur AKOCORE ADVANCE, qui permet de réaliser jusqu’à 40 % d’économie dans les chambres froides négatives avec dégivrages électriques non optimisés.
Comment un contrôle peut-il générer des économies ? L’algorithme calcule à une fréquence contrôlée, le niveau de givre dans l’évaporateur et ne procède aux dégivrages que lorsque nécessaire. Lorsque le niveau de givre est suffisant, le ventilateur de l’échangeur est utilisé pour abaisser la température de l’espace réfrigéré sans faire rentrer de réfrigérant frais, en ne travaillant qu’avec le froid accumulé dans le givre. L’intervention électrique des compresseurs n’est donc pas nécessaire, ce qui permet d’allonger les cycles de réfrigération par ledit « free cooling », comme indiqué à la Figure 3. Lorsque le givre est suffisamment important, l’espace réfrigéré peut en effet atteindre la température de consigne par simple circulation d’air autour du givre froid, sans que l’admission de réfrigérant dans l’échangeur ne soit nécessaire. Le graphique montre comment la chambre peut être maintenue dans cette plage plus longtemps sans faire rentrer de liquide de réfrigérant supplémentaire : C’est la clé des économies engendrées par l’algorithme breveté SELF-DRIVE © d’AKO.
Figura 2a: Gestion du ventilateur pour la géneration de free cooling. Les zones ombrées (9 minutes au total) représentent la réfrigération sans utilisation directe de réfrigérant (sur un total de 37 minutes) (24% d’economie).
Figura 2b: Charge de puissance électrique demandée avec free-cooling (bleu) vs régulation standard (rouge). On observe qu’une énergie moindre (zone au-dessous la coubre) permet de refroidir jusqu’à 22% plus longtemps.
4.2. Efficacité maximum au sein des évaporateurs: Contrôle d’expansion électronique: AKOCORE pour le contrôle EEV
Comme présenté précédemment, un deuxième niveau d’optimisation concerne l’utilisation de l’évaporateur, concrètement, le contrôle de l’expansion par vannes électroniques, également connu sous le nom de contrôle de vanne de détente électronique. Bien qu’il s’agisse d’une fonctionnalité bien connue du secteur de la réfrigération industrielle et commerciale, il est également vrai que sa mise en œuvre n’est pas très répandue. Sans entrer dans des détails techniques plus approfondis (vannes pas à pas vs. vannes à impulsion et leurs contrôles correspondants, pour et contre), la difficile configuration du contrôle électronique et de son réglage correspondant, ainsi que le prix de ses composants, figurent parmi les raisons pour lesquelles cette technique ne s’est pas répandue dans le secteur.
Le nouveau contrôleur pour chambre avec contrôle de vanne de détente électronique d’AKO s’attaque précisément à la racine de ce problème. Pour la configuration, un wizard de configuration très pratique ne pose que les questions nécessaires pour définir les paramètres strictement indispensables, notamment ceux relatifs au type et aux valeurs du capteur de pression, généralement source de problèmes.
En outre, l’algorithme de contrôle est spécialement conçu pour gérer l’expansion du réfrigérant dans les évaporateurs, en l’équilibrant en interne pour éviter les grandes variations et décalages liés à l’altération des paramètres PID (Proportionnel, Intégral et Dérivé) et en utilisant des sondes très rapides pour pouvoir suivre les changements soudains des conditions de réfrigérant. Enfin, un limiteur de la partie intégrale empêche les variations de pression typiques des bancs de compresseurs ou même des unités de condensation, de générer une accumulation d’erreurs de contrôle, en maintenant la surchauffe toujours très proche du point de consigne.
L’algorithme de contrôle électronique d’expansion d’AKO, axé principalement sur les vannes à impulsion, dote ainsi les évaporateurs d’une efficacité maximum, avec une configuration très simple et facile et des résultats très précis et sûrs, ce qui permet de rendre le passage du contrôle d’expansion thermostatique au contrôle électronique, beaucoup plus accessible au secteur de la réfrigération.
5. Réduire les fuites de réfrigérant
Le rapport entre les fuites de réfrigérant et la consommation énergétique des installations est le deuxième aspect, relatif à l’efficacité de réfrigération, ayant toujours été négligé.
L’apparition de la réglementation F-Gas et de son HFC phase-down [1], il y a plus de 10 ans maintenant, et l’inflation liée aux réfrigérants HFC, ont conduit au port d’une attention accrue aux fuites de réfrigérant dans les installations, notamment en Espagne en raison de taxes supplémentaires. L’efficacité énergétique a cependant toujours été et est toujours le problème des installations souffrant de fuites, et c’est aussi pourquoi il faut en tenir compte. Plusieurs études telles que [2], montrent comment des systèmes avec un taux de fuites cumulées de 20 % de la charge nominale, peuvent avoir des surcoûts énergétiques de 15 %. Si le déficit en réfrigérant est plus important, ces inefficiences énergétiques ne sont plus linéaires et peuvent atteindre 45 % lorsque le système fonctionne à 60 % de la charge nominale. Voir Figure 3.
Afin de réduire au maximum les fuites de réfrigérant au sein des installations frigorifiques, AKO a développé un système de détection, de surveillance et de quantification des fuites, composé de trois éléments principaux, comme expliqué au point [1]:
- La détection précoce, à un très faible taux de ppm (partie par million), au moyen d’une technologie de mesure NDIR (Non-dispersive infrared) précise et sélective, capable de détecter des micro-fuites allant jusqu’à 1 gramme par heure (1 g/h), à une concentration inférieure à 10 ppm dans l’environnement. Ces micro-fuites (difficiles à détecter) représentent généralement la grande majorité des fuites annuelles de réfrigérant (car très fréquentes) et ne sont pas non plus détectées par les systèmes de détection classiques. Voir Figure 4a.
- La connectivité, que ce soit:
- Par des bus de communication et des passerelles vers le cloud sur Internet (Figure 4b).
- Grâce à des modems cellulaires NB IOT intégrés aux détecteurs eux-mêmes, ce qui facilite l’installation du système et accélère jusqu’à 3 fois sa mise en œuvre.
- Le cloud, qui effectue les calculs nécessaires afin de notifier instantanément le moment, l’endroit et la gravité des fuites survenant dans l’installation (Voir Figure 5).
Figure 3: Rapport entre la charge en réfrigérant d’une installation et la perte en efficacité du système de réfrigération.
Figura 4: (a) Détecteur/Transmetteur HFC AKO-575400 avec technologie de détection NDIR.
(b) Gateway pour l’envoi des relevés de concentration du système de détection ver le cloud akonet.cloud.
Figura 5: Système de détection de réfrigérant R-448A dans le cloud akonet.cloud les équipements de ce système sont connectés par Gateway EDGE (voir Figure 4b).
Ces informations si précises sur les fuites (endroit, moment et gravité) permettent ensuite à l’installateur de localiser et de réparer la fuite en très peu de temps, minimisant ainsi ses déplacements (grâce à l’absence de fausses alarmes) et maximisant l’efficacité de son temps sur l’installation.
L’utilisation du système AKOGAS par le responsable de la maintenance permet de réduire jusqu’à 90 % les fuites dans les installations (réduction à 90 % de la quantité de gaz échappé annuellement) et, par conséquent, d’éviter l’apparition d’inefficiences au niveau de l’installation.
6. Surveillance, gestion à distance et optimisation
Dans l’engagement d’AKO en faveur de l’efficacité, la dernière feuille du trèfle représente la surveillance, la gestion à distance et l’optimisation des actifs de réfrigération.
À cette fin, AKO a développé jusqu’à deux moyens alternatifs de surveillance, de gestion à distance et d’optimisation: 1) Les capteurs de température et d’humidité relative IOT sans fil (voir Figure 6a, qui permettent de numériser les actifs de réfrigération à des coûts et des temps d’installation très faibles) et 2) Les contrôleurs pour chambres froides et/ou meubles réfrigérés qui permettent, via des gateways ou passerelles de communication (comme celle de la Figure 6b), de contrôler l’actif réfrigéré à partir de la plate-forme dans le cloud. Ceux-ci sont brièvement décrits dans les sections suivantes.
En effet, la surveille d’une installation, quelle qu’elle soit, permet d’en analyser le comportement: Les éventuels incidents ou dysfonctionnements sont détectés plus tôt et divers paramètres d’utilisation ou de fonctionnement peuvent être ajustés, pour gagner en efficacité. C’est le cas des systèmes de refroidissement qui sont susceptibles d’être améliorés jusqu’à 5 % grâce à une surveillance, ce qui permet de réduire le gaspillage et les pertes éventuelles de produit réfrigéré en cas de panne ou d’incident.
6.1. Surveillance de la Température et de l’Humidité Relative NB IOT
Un moyen très simple, rapide et efficace de surveiller une installation frigorifique consiste à utiliser des capteurs de température et d’humidité relative reliés par la technologie NB IOT d‘AKO (voir Figure 6). Dotés de leur propre modem de communications avec technologie Narrow Band IOT et de batterie d’une durée de vie pouvant aller jusqu’à 4 ans (en fonction du nombre de transmissions et de la température de fonctionnement de l’équipement), ces capteurs permettent de numériser un actif de réfrigération (chambre froide, meuble réfrigéré, etc.) avec une installation extrêmement simple et rapide.
Cette technologie, dans ses différents modèles et permettant de surveiller des plages de température allant de -200 °C à +100 °C, offre une multitude d’informations dans le cloud: Enregistrement, analyse de données à l’aide de multiples techniques graphiques et de regroupement, historiques, alarmes immédiates et notifications correspondantes pour la gestion des incidents.
La combinaison de ses capacités d’information dans le cloud, de leur flexibilité et de leur facilité de mise en marche et d’installation (sans fil) favorise le déploiement de ces dispositifs tant dans les chaînes de supermarchés qu’auprès des différents acteurs du secteur du transport frigorifique qui, grâce à cette technique, améliorent progressivement l’efficacité de leurs installations et de leur chaîne du froid.
6.2. Contrôle connecté IOT
Le contrôle connecté est une deuxième façon de surveiller et d’optimiser l’efficacité énergétique des systèmes de refroidissement en vue de leur amélioration. Cette deuxième voie, en plus de fournir des prestations similaires à celles des systèmes sans fil en termes de surveillance et d’analyse des données correspondantes dans le cloud, permet également de donner un pas supplémentaire dans la gestion à distance. En effet, toutes les manœuvres nécessaires peuvent être contrôlées en temps réel depuis le cloud, ainsi que tous les paramètres régulant le contrôle de l’actif de réfrigération: Températures de consigne, dégivrages, paramètres de finalisation et d’activation, etc. Les possibilités du contrôle connecté, en plus d’optimiser l’installation et d’augmenter son efficacité, constituent un outil extrêmement puissant pour l’installateur, l’entreprise contractante et le responsable de la maintenance. En effet, la connectivité dans le cloud (haute cybersécurité et accessible depuis n’importe quel point et dispositif, sans avoir besoin d’utiliser le réseau informatique local) permet la résolution à distance d’un grand nombre de problèmes, en évitant les déplacements inutiles.
La Figure 6b montre le détail d’un contrôleur AKOCORE ADVANCE en format LIVE, affichant les valeurs d’entrée de toutes les sondes, l’état des relais en temps réel, ainsi que toutes les informations relatives aux événements, audits, historiques et enregistrements propres à la surveillance.
Fig. 6(a) Capteur de température et d’humidité relative NB IOT AKODATA AKO-59811.
Fig. 6b) AKOCORE ADVANCE connecté en mode DIRECT (LIVE). Sur le côté gauche de l’écran, vous pouvez observer l’état de l’affichage, des sondes de température et des relais du contrôleur en temps réel. Sur le côté droit de l’image, vous pouvez voir l’enregistrement de la température, les événements et l’analyse de la température, entre autres fonctionnalités. Grâce à l’algorithme SELF-DRIVE ©, le contrôleur n’a effectué qu’un seul dégivrage en une semaine, comme le montre la « timeline ».
7. Conclusions
Le trèfle de l’efficacité AKO repose sur trois piliers venant compléter les améliorations supplémentaires apportées pour augmenter l’efficacité des installations frigorifiques:
- Optimisation du transfert de chaleur dans l’évaporateur au moyen de techniques avancées de régulation électronique de l’expansion du réfrigérant et de techniques brevetées (SELF-DRIVE©) pour réduire le nombre de dégivrages et réutiliser les frigories du givre (free-cooling). Ces techniques peuvent permettre jusqu’à 40 % d’économie.
- Réduction de la quantité de réfrigérant échappé pour éviter à l’installation de subir des inefficiences dues à un mauvais niveau de réfrigérant. Ce système permet d’éviter jusqu’à 45 % d’inefficiences.
- Surveillance, gestion à distance et optimisation des systèmes de refroidissement : Soit par capteurs sans fil (NB IoT), soit par la connectivité des contrôleurs, permettant l’optimisation à distance des espaces réfrigérés. Les améliorations de l’efficacité dans ce bloc sont généralement d’environ 5 %.
8. Références
[1] AKOGAS: Un outil pour survivre à la règlementation F-GAS, sans mourir en cours de route. Article technique d’AKO: https://www.ako.com/fr/article-technique-akogas/
[2] Refrigerant Loss, System Efficiency and Reliability – A Global Perspective. David Bostock, GEA Refrigeration UK Ltd. IOR Institute of Refrigeration’s 2013 Annual Conference.
Auteur: Xavier Albets-Chico, Technical Director
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