Système d'eau glacée

UN Système d'eau glacée Il s'agit d'un système CVC utilisant de l'eau à basse température pour le refroidissement et la déshumidification, courant dans les grands bâtiments comme les gratte-ciel, les centres commerciaux et les hôpitaux.

Les systèmes à eau glacée constituent une technologie de climatisation importante, largement utilisée dans les grands bâtiments tels que le Burj Khalifa et le Merdeka 118. Compte tenu de leur complexité et de leur présence fréquente dans les hôtels, les bureaux, les centres commerciaux et les hôpitaux, il est essentiel de comprendre leur fonctionnement pour une gestion efficace des bâtiments. Des études indiquent que le refroidissement des espaces peut représenter une part importante de la consommation énergétique d'un bâtiment commercial (par exemple, environ 421 Tb/s dans certaines régions). Une compréhension approfondie de ces systèmes permet aux ingénieurs, techniciens, agents de maintenance et gestionnaires de bâtiments d'optimiser leurs performances et de réaliser potentiellement des économies d'énergie significatives.

Cet article détaille les principaux composants, les considérations de conception clés et les schémas de système courants associés aux systèmes d'eau glacée.

Définition

UN Système d'eau glacée Un système de climatisation utilise de l'eau glacée (eau à basse température, généralement entre 6 et 12 °C ou 42 et 54 °F) circulant dans des canalisations pour refroidir et déshumidifier l'air d'un bâtiment. Il comprend plusieurs composants interconnectés assurant des fonctions telles que le refroidissement de l'eau (réfrigération), la circulation de l'eau (pompage), le refroidissement et la déshumidification de l'air (traitement de l'air) et l'évacuation de la chaleur.

Contrairement aux systèmes à détente directe (DX) qui utilisent le fluide frigorigène directement dans les batteries de traitement d'air, les systèmes à eau glacée utilisent l'eau comme fluide frigorigène secondaire. Les centrales de traitement d'air (CTA) ou les ventilo-convecteurs (VC) répartis dans le bâtiment font circuler l'air à travers des batteries contenant de l'eau glacée, refroidissant et déshumidifiant ainsi l'espace. L'efficacité et la constance du système dépendent fortement du choix et de l'intégration de ses composants.

Composants

Il est essentiel de comprendre les différents composants et leurs types, car ces choix ont un impact significatif sur les performances, l'efficacité et l'adéquation du système à des applications spécifiques. Les principaux composants sont les suivants :

1. Refroidisseur

   Le Refroidisseur Le refroidisseur est l'élément central, responsable de la production d'eau glacée. Son fonctionnement repose sur le cycle frigorifique (compression, condensation, détente, évaporation) pour extraire la chaleur du circuit d'eau qui alimente les centrales de traitement d'air du bâtiment. Les refroidisseurs sont généralement les plus gros consommateurs d'énergie du système.

   L'utilisation de l'eau comme fluide caloporteur présente des avantages dus à sa capacité thermique massique élevée (environ 4,2 kJ/kg·K contre 1,005 kJ/kg·K pour l'air) et à sa disponibilité. La centralisation du processus de réfrigération dans un ou plusieurs grands groupes frigorifiques permet d'éviter la multiplication des compresseurs individuels dans un grand bâtiment, simplifiant ainsi la maintenance et améliorant potentiellement l'efficacité et la fiabilité globales.

   La chaleur absorbée par le refroidisseur à partir du bâtiment doit être rejetée dans l'environnement. Ceci conduit à différentes classifications des refroidisseurs selon leur méthode de rejet de chaleur.

2. Équipements de rejet de chaleur (ex. : tour de refroidissement)

   Les refroidisseurs rejettent la chaleur absorbée soit directement dans l'air ambiant (refroidissement par air), soit via une boucle d'eau séparée vers un dispositif de rejet de chaleur (refroidissement par eau).

   Tours de refroidissement Ces dispositifs sont couramment utilisés avec les refroidisseurs à eau. Ils facilitent l'évacuation de la chaleur du circuit d'eau du condenseur vers l'atmosphère, principalement par évaporation. L'eau provenant du condenseur du refroidisseur est pompée vers la tour de refroidissement, répartie sur un matériau de remplissage afin d'optimiser le contact air-eau, et refroidie par l'aspiration de l'air ambiant à travers la tour, ce qui provoque l'évaporation d'une partie de l'eau. L'eau du condenseur refroidie retourne ensuite au refroidisseur.

   Refroidisseurs à air Ces systèmes utilisent des ventilateurs pour forcer l'air ambiant à passer directement sur les serpentins du condenseur, évacuant ainsi la chaleur sans avoir recours à une tour de refroidissement ni à un circuit d'eau de condensation. Ce système est simple, mais son rendement énergétique est souvent inférieur à celui des systèmes refroidis par eau, notamment dans les climats chauds.

3. Pompes

   Pompes sont nécessaires pour faire circuler l'eau à travers les différentes boucles du système :

   • Pompes à eau glacée : Faire circuler de l'eau glacée entre le(s) refroidisseur(s) et les CTA/FCU.
   • Pompes à eau de condensation : Faire circuler l'eau du condenseur entre le(s) refroidisseur(s) à eau et la(les) tour(s) de refroidissement.

   La configuration de la pompe et la stratégie de contrôle (par exemple, vitesse constante ou variable) affectent considérablement l'efficacité et la stabilité du système.

4. Unité de traitement d'air (UTA) / Ventilo-convecteur (VCC)

   CTA et FCU Les unités terminales de traitement d'air (UTA) assurent la climatisation des espaces occupés. Elles se composent généralement d'un ventilateur, d'une batterie de refroidissement (dans laquelle circule de l'eau glacée), de filtres et parfois de batteries de chauffage, d'humidificateurs ou de récupérateurs d'énergie. L'air est aspiré de la pièce (ou de l'extérieur), passe sur la batterie de refroidissement où il cède sa chaleur à l'eau glacée, puis est réinjecté dans la pièce à une température et un taux d'humidité inférieurs. Les UTA desservent généralement de grandes zones ou plusieurs pièces, tandis que les ventilo-convecteurs sont généralement plus petits et desservent des pièces individuelles.

5. Composants auxiliaires

   Plusieurs autres composants sont essentiels à son bon fonctionnement :

   • Vase d'expansion : Permet de compenser les variations de volume d'eau dues aux fluctuations de température dans le circuit fermé d'eau glacée et contribue à maintenir la pression du système.
   • Système d'alimentation en eau : Permet de compenser les pertes d'eau dues à l'évaporation dans les tours de refroidissement ou aux fuites du système.
   • Système de traitement de l'eau : Maintient la qualité de l'eau dans les circuits d'eau glacée et d'eau de condensation afin de prévenir la corrosion, l'entartrage et la prolifération biologique, garantissant ainsi efficacité et longévité.
   • Tuyauterie: Il relie tous les composants du système de distribution d'eau.
   • Vannes et commandes : Réguler le débit, la température et la pression de l'eau dans l'ensemble du système pour un fonctionnement efficace et un contrôle précis des zones.
   • Réservoirs de stockage d'énergie thermique (TES) : Utilisé dans certains systèmes (notamment le refroidissement urbain) pour stocker l'eau glacée produite pendant les heures creuses afin de l'utiliser pendant les périodes de forte demande, réduisant ainsi les coûts d'exploitation.

Considérations relatives à la conception du système

La conception d'un système d'eau glacée efficace et performant implique plusieurs décisions clés :

1. Températures de fonctionnement

   Il est fondamental de déterminer les températures d'alimentation et de retour de l'eau glacée (et donc la différence de température, ou ΔT). Les conceptions courantes utilisent une température d'alimentation de 6,7 °C (44 °F) et une température de retour de 12,2 °C (54 °F), ce qui donne un ΔT de 5,5 °C (10 °F). Cependant, une conception avec un ΔT plus élevé (par exemple, 8,3 °C ou 15 °F) permet de réduire les débits d'eau nécessaires pour une même charge de refroidissement, ce qui peut potentiellement économiser l'énergie de la pompe, même si cela peut impacter le rendement du refroidisseur et sa capacité de déshumidification.

2. Sélection du type de refroidisseur

   Le choix dépend de facteurs tels que les exigences en matière d'efficacité énergétique, l'espace disponible, le climat, le coût initial, les considérations d'entretien et la disponibilité de possibilités de récupération de chaleur.

   Basé sur le rejet de chaleur :

   • Refroidi à l'eau : Généralement plus économes en énergie, notamment pour les grandes capacités, mais nécessitent des tours de refroidissement et un circuit d'eau de condensation.
   • Refroidi par air : Installation plus simple (pas de tour de refroidissement), coût initial potentiellement inférieur, mais souvent moins efficace et peut être bruyante.
   • Condensation par évaporation / Hybride : Combiner le refroidissement par air avec une pulvérisation d'eau sur le serpentin du condenseur permet d'obtenir une efficacité supérieure aux unités refroidies par air standard.

   Basé sur la technologie des compresseurs :

   • Centrifuge: Performant pour les charges importantes, il utilise souvent des fluides frigorigènes basse pression et peut présenter une marge de manœuvre limitée (efficacité à charge partielle). Des paliers magnétiques sans huile sont disponibles en option.
   • Vis (simple ou double) : Bon rendement à charge partielle, plage de fonctionnement plus large que les centrifugeuses, convient aux charges moyennes à élevées.
   • Rouleau: Courant dans les petits refroidisseurs, fiable, bon rendement, souvent utilisé dans les configurations modulaires de refroidisseurs.
   • Réciproque : Technologie plus ancienne, moins courante aujourd'hui en raison de son efficacité moindre par rapport aux autres.

   Autres types :

   • Refroidisseurs à absorption : Utilisez une source de chaleur (comme la chaleur résiduelle, la vapeur ou le gaz naturel) au lieu de la compression mécanique, ce qui est avantageux là où la chaleur est bon marché ou lorsque le coût de l'électricité est élevé.
   • Refroidisseurs à récupération de chaleur : Conçu pour récupérer la chaleur du condenseur à des fins utiles comme la production d'eau chaude sanitaire ou le chauffage des locaux.

3. Nombre et dimensionnement des refroidisseurs

   Au lieu d'un seul grand refroidisseur, on utilise souvent plusieurs petits refroidisseurs pour assurer la redondance (le système peut continuer à fonctionner même en cas de panne d'un refroidisseur) et améliorer le rendement à charge partielle (en faisant fonctionner moins de refroidisseurs à leur point de rendement optimal). Une stratégie courante consiste à utiliser des refroidisseurs de taille identique, ou parfois à intégrer un petit refroidisseur auxiliaire pour gérer efficacement les faibles charges (par exemple, la nuit).

   Les groupes frigorifiques ont une capacité de fonctionnement minimale (limite de réduction de charge, par exemple 20-30% de pleine charge). L'installation doit être dimensionnée pour répondre à la charge minimale du bâtiment sans provoquer de cycles excessifs ni d'arrêts intempestifs des groupes frigorifiques. L'utilisation de plusieurs unités permet une meilleure adéquation entre la capacité de l'installation et la demande réelle de refroidissement.

4. Agencement de pompage (Configuration du système)

   La configuration des pompes influe sur la stabilité du débit, le contrôle et la consommation d'énergie.

   • Flux primaire-secondaire : Le circuit d'eau glacée utilise deux groupes de pompes. Les pompes principales assurent un débit constant à travers les refroidisseurs, garantissant ainsi un fonctionnement stable. Les pompes secondaires, équipées de variateurs de vitesse, modulent le débit vers le bâtiment en fonction de la demande. Ce système découple le débit des refroidisseurs de celui du bâtiment, assurant la stabilité mais pouvant potentiellement engendrer une complexité et un coût supplémentaires.
   • Débit primaire variable (DPV) : Ce système utilise un seul ensemble de pompes à vitesse variable pour l'ensemble du circuit d'eau glacée. Il peut s'avérer plus économe en énergie et présenter un coût initial inférieur (moins de pompes), mais exige une conception et une régulation précises afin de garantir en permanence le débit minimal requis à travers le ou les refroidisseurs en fonctionnement.

5. Profil de charge et zonage

   Il est essentiel de comprendre le profil de charge de refroidissement du bâtiment (comment la demande varie quotidiennement et saisonnièrement). Les besoins peuvent varier d'une zone à l'autre (par exemple, bureaux et salles serveurs). Les zones nécessitant un refroidissement continu (comme les centres de données) peuvent exiger des systèmes dédiés (éventuellement à détente directe) ou une conception particulière de la centrale de refroidissement, car l'exploitation d'un système central de grande taille pour une charge très faible est inefficace.

Schémas des systèmes d'eau glacée

Différents schémas sont utilisés pour représenter les systèmes d'eau glacée, illustrant différents niveaux de détail et aspects de la conception :

1. Schéma général du système : Ce schéma présente les principaux composants (refroidisseurs, tours de refroidissement, pompes, CTA/ventilateurs représentatifs) et leurs interconnexions par des boucles de tuyauterie (eau glacée, eau de condensation). Il indique les quantités, les principaux types d'équipements et les principes de contrôle de base. (Exemple : une installation avec plusieurs refroidisseurs centrifuges à eau).
2. Schéma d'une centrale de refroidissement urbain : Ce schéma représente une centrale thermique desservant plusieurs bâtiments. Il peut inclure des éléments tels que des réservoirs de stockage d'énergie thermique, des boucles de distribution primaire/secondaire et des échangeurs de chaleur aux interfaces entre les bâtiments. L'accent est mis sur la centrale et la distribution primaire.
3. Schéma de tuyauterie du réseau : Ce schéma illustre le réseau de distribution depuis la centrale thermique jusqu'aux bâtiments desservis, notamment pour les réseaux de refroidissement urbains ou les grands campus. Il peut indiquer le tracé des canalisations, leur diamètre et les raccordements aux interfaces des bâtiments ou aux colonnes montantes principales.
4. Schéma de la colonne montante du bâtiment : Pour les immeubles de grande hauteur, ce schéma illustre la distribution verticale des canalisations d'eau glacée reliant la centrale (souvent située au sous-sol ou sur le toit) aux CTA/ventilateurs situés à différents étages. Il présente le zonage et l'ordre de raccordement.
5. Schéma détaillé de connexion des équipements : Fournit des informations précises sur le raccordement des différents composants tels que les refroidisseurs ou les pompes, en indiquant les vannes d'isolement, les vannes de régulation, les filtres, les manomètres, les capteurs, les lignes de dérivation et les configurations de tuyauterie exactes nécessaires à l'installation et à la maintenance.