Brevet FR2516637A1 — publié le 19830520

Cette invention s'applique en général aux domaines techniques utilisant le froid produit par des machines frigorifiques àcondensation à air, directe ou indirecte, d'une part et aux machines utilisées pendant les heures pleines selon la tarification électrique d'autre part, et en particulier au condition nement d'air. Le procédé traditionnellement utilisé est le suivant Les besoins en froid d'une installation de conditionnement d'air qu'elle soit utilisée pendant les heures du jour (séjour temporaire des personnes) ou 24 heures sur 24 (séjour continu des personnes, conditionnement des objets) sont les plus importants pendant la période diurne qui se caractérise par une haute température extérieure ainsi que par des apports caloriques importants dus au flux solaire. Les agents de l'installation tels que échangeurs de chaleur, débits d'air, gaines et bouches de distribution sont choisis pour correspondre aux besoins maximum, le choix de la puissance des machines frigorifiques se faisant en fonction du foisonnement des besoins Le rendement d'une machine frigorifique est fonction des températures de la source froide et chaude. I1 est notoire que son utilisation pendant la péridc nocturne, toutes choses étant égales par ailleurs, est moins onéreuse du point de vue énergétique. que pendant les heures du jour.En plus, il est intressant dans les pays industrialisés d'équilibrer dans la mesure du possible la production d'énergie électrique journaliere. L'incitation se faisant par a pénalisation tarifaire d'utilisation de l'énergie pendant les heures pleines. D'où l'idée d'accumuler le froid pendant la nuit sous forme de chaleur latente et de le reconstituer le jour. La réalisation de ce procédé apporte les avantages suivants 1) L'abaissement de la température et par conséquent de la pression de condensation du fluide frigorigène ce qui diminue l'énergie absorbée par le compresseur. 2) Delestage de la production électriquediurne se traduisant pratiquement par l'abaissement des tarifs sur l'énergie consommez. 3) Possibilité de l'installation de machines frigorifiques dont la puis -sance correspondrait aux besoins pondérés et non maximum. Ces machines auraient une puissance nettement inférieure à celle fournissant le froid aux installa- tions traditionnelles avec tout l'impact sur l'importance des installations auxilières : hydrauliques et électriques. 4) Simplification des dispositifs de production de froid par la suppres sion de la régulation de puissance, celle-la pouvant se faire par simple ajustement de leur temps d'utilisation aux besoins en froid. Autrement dit les machines frigorifiques peuvent etre mises en marche a une puissance constante pendant le temps adéquat. I1 va de soi que pour des raisons d'accroissement imprévisible des besoins en froid rien ne s 'oppose à leur mise en marche pendant les heures du jour pour reconstituer le stock de froid. 5) Diminution des surfaces d'échange des condenseurs à air, ainsi que des débits d'air donc d'énergie absorbée. 6) Possibilité de fournir une surpuissance pour les jours exceptionnellement chauds ou pour des apports calorifiques exceptionnels par l'abaissement de la température du départ du fluide frigoporteur et par la relance de la production de froid le jour. 7) Simplification des calculs thermiques par la suppression du besoin de choisir la puissance optimum des machines frigorifiques en fonction du foisonnement des apports calorifiques. La figure I représente le schema fonctionnel dlune installation de conditionnement d'air avec l'accumulation de froid. Son fonctionnement est le suivant Les éléments tels que l'évaporateur 3, le compresseur 4, le condenseur 5, le détendeur 5, l'installation de conditionnement d'air 1 ont des caractéris- tiques de fonctionnement traditionnelles. Les vannes d'isolement 10 étant fermées, les vannes d'isolement 9 - ouvertes la pompe de circulation 8 renvoie l'eau glicolée refroidie dans l'évaporateur 3 dans le dispositif d'accumulation 2 en constituant un stock de froid sous la-forme de la chaleur latente de solidification de l'eau.Les vannes d'isolement 9 étant fermées, les vannes d'isolement 10 ouvertes la pompe de circulation 8 renvoie l'eau glicotée refroidie' dans le dispositif d'accumulation 2 dans l'installation de conditionnement d'air 1 pour son utilisation selon les besoins. La régulation- se fait au moyen d'une vanne trois'voies motorisée--7. La figure 2représente une façon d'accumulation de froid dans une cuve. L'eau glicolée refroidie dans l'évaporateur arrive par la tuyauterie ] dans une cuve d'accumulation 4 et solidifie l'eau contenue dans des billes sphériques en matière extensible a faible coëfficient de frottement 3. Le retour de l'eau glicolée vers l'évaporateur se fait par la tuyauterie 7. La reconstitution du froidaccumule se fait par l'eau glicolée arrivant de 4'installation de conditionnement d'air par la tuyauterie 1 et le départ par la tuyauterie 6. La cuve d'accummulation est protégée thermiquement par l'isolation 2. La figure 3 représente une façon d'accumulation de froid dans le sol. Dans le premier temps le sol imbibé d'eau sur la périphérie choi-sie est solidifié par de l'eau glicolée refroidie dans l'evaporateur arrivant par la tuyauterie 1. Dans un réservoir ainsi réalisé on injecte de l'eau jusqu a la saturation du sol. L'accumulation du froid se fait par l'arrivée de l'eau glicoléerefroidie dans l'évaporateur par la tuyauterie 1 et son retour par la tuyauterie 2. La reconstitution du froid accumulé se fait par l'inversion du circuit. Le réservoir dans le sol est protégé thermiquement par l'isolation 3. I1 est à noter que l'accumulation du froidpeut se réaliser pendant la période hivernale avec sa reconstitution pendant l'été. Les pertes de chaleur par transmission vers le sol environnant étant compensés par le bon rendement de la production du froid. Exemples de realisation Préambule Il n'est pas possible de fixer les conditions de base générales correspondant aux installations de conditionnement d'air. En effet, elles dépendent d'une multitude de parametres tels que : - conditions climatiques extérieures - conditions climatiques intérieures - caractéristique thermique du bâtiment - ori-entation géographique des façades - temps d'utilisation de l'installation etc. Pour ces raisons les exemples détaillés ci-apràs, sont choisis arbitrairement. Symboles utilisés Pi-puissance frigorifique installée (fvh) E-énergie frigorifique dégagée, accumulée (fg,kWh) Ec-énergie absorbée par le compresseur (kWh) a-coëfficient d'utilisation journalière réélle d'énergie frigorifique K-rendement des machines frigorifiques (fg/kWh) hf-temps de marche des machines frigorifiques (h) hi-temps d'utilisation de l'installatfon de conditionnement d'air (h) V-volume du stockage de froid (m3) b-partie du volume de la cuve remplie de billes glacées c-partie du réservoir rempliedu sol glace C-chaleur latente de l'eau (Kcal/l) Exemples de réalisat-ions industrielles A. Climat tempéré-centre de France a) Installation traditionnelle puissance frigorifique installée Pi = 106 fg/h = 1163kW énergie frigorifique dégagée pendant une journée très chaude pour une ins tallation de conditionnement d'air utilisée 10 h. E = a.Pi.hi = 0,6.106.10 = 6#106fg = 6.976 kWh énergie absorbée par le compresseur EC = E 6.106 K 2200 Cette énergie est payée au tarif jour b) Installation proposée puissance frigorifique installée Pi = 0,6#106 fg/h = 700 kW énergie frigorifique accumulée pendant la marche nocturne de 10 h des machines frigorifiques et dégagée dans l'installation de conditionne- ment d'air pour des conditions analogues. E = Pi.hf = 0,6.106.10 = 6.106 fg = 6.976 kWh énergie absorbée par le compresseur Ec = E 6.106 = 2500 kWh K 2400 Cette énergie est payée au tarif nuit Volume du stockage a) cuve à billes E 6#106 V = = = 167m3 b#C#103 0,5#72#103 Les pertes par transmission calorifique étant insignifiantes. b) sol E 6#106 V = = = 417 m3 c#C#103 0,2#72#103 B. CLIMAT SEC - SAHARA, CERTAINES REGIONS DES ETATS UNIS a) Installation traditionnelle Puissance frigorifique installée Pi = 106 fg/h = 1163 kW énergie frigorifique dégagée pendant une journée très chaude pour une installation de conditionnement d'air utilisée -14 h. E = a.Pi.hi = 0,6.106.14 = 8,4.106 fg =-9.767 kWh énergie absorbee par le comprgsseur E 8,4#10@ Ec = = = 4.667 kWh K 1800 Cette énergie est payée au tarif jour b) Installation proposée puissance frigorifique installée Pi = 0,84.106 fg/b = 977 kW énergie frigorifique accumulée pendant la marche nocturne de 10 h des machines frigorifiques et dégagée dans l'installation de condition nement d'air pour des conditions analogues. E = Pi.hf = 0,84.106.10 = 8,4.1-06 fg = 9.767 kWh énergie absorbée par le compresseur E 8,4#106 Ec = = = 3360 kWh K 2500 Cette énergie est payée au tarif nuit Volume du stockage a) cuve à billes E 8,4#106 V = = = 233 m3 c#C#103 0,5#72#103 b) sol E 8,4#106 V = = = 583 m3 c#C#103 0,2#72#103 REltENDICATIONS Le Le procédé caractérisé par la production du froid pendant les périodes de basses températures extérieures ainsi que de la tarification préférentielle de l'énergie électrique et son accumulation (stockage) sous forme de chaleur latente de l'eau. L'utilisation de ce procédé pour l'optimisation des réalisations, indus trielles en général et du conditionnement d'air en particulier.