PROGRÈS DANS LES SYSTÈMES DE RÉFRIGÉRATION DES SUPERMARCHÉS Van D. Baxter, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN 37831-6070 RÉSUMÉ Les systèmes de réfrigération actuels des supermarchés nécessitent des charges de réfrigérant très importantes pour leur fonctionnement et peuvent consommer jusqu'à 1-1,5 million de kWh par an. Plusieurs nouvelles approches, telles que les systèmes de réfrigération distribués à boucle secondaire, à faible charge et à faible charge et autonomes, sont disponibles et utilisent beaucoup moins de réfrigérant. Les analyses montrent que s'ils sont correctement conçus et mis en œuvre, ces systèmes avancés peuvent réduire la consommation annuelle d'énergie de plus de 10% et l'impact total équivalent au réchauffement (TEWI) jusqu'à 60%. L'intégration du fonctionnement de la réfrigération et du stockage CVC est également possible grâce à l'utilisation de pompes à chaleur. Les analyses montrent que l'intégration des fonctions de réfrigération et de CVC de cette manière peut potentiellement réduire les coûts d'exploitation combinés de plus de 10 %. Des programmes d'essais sur le terrain sont en cours pour vérifier s'il est pratique de réaliser ces économies prévues. 1. INTRODUCTION AND BACKGROUND Supermarkets are one of the most energy-intensive types of commercial buildings. Une énergie importante est utilisée pour maintenir les aliments réfrigérés et congelés dans les vitrines de produits et les réfrigérateurs de stockage. Les systèmes de réfrigération produisent également une grande quantité de chaleur rejetée qui peut être récupérée et utilisée par des pompes à chaleur ou d'autres équipements pour chauffer les locaux et l'eau en fonction des besoins du magasin. Les supermarchés typiques avec environ 3700 à 5600 m2 de surface de vente consomment de l'ordre de 2 à 3 millions de kWh par an pour la consommation totale d'énergie en magasin. L'une des plus grandes utilisations de l'énergie dans les supermarchés est pour la réfrigération. Les produits périssables doivent être conservés au réfrigérateur pendant l'exposition et pour l'entreposage. La consommation d'énergie typique pour la réfrigération des supermarchés est de l'ordre de la moitié du total du magasin. Les compresseurs et les condenseurs représentent 60 à 70 % de la consommation d'énergie de réfrigération. Le reste est consommé par les ventilateurs de refroidissement de l'écran et du stockage, l'éclairage de la vitrine, le dégivrage de l'évaporateur et les appareils de chauffage anti-transpiration utilisés pour empêcher la formation de condensat sur les portes et les surfaces extérieures des vitrines. La figure 1 montre une disposition représentative pour un supermarché montrant des vitrines réfrigérées et des aires d'entreposage situées généralement autour du périmètre du magasin. Le système de réfrigération le plus couramment utilisé pour les supermarchés aujourd'hui est le système à détente directe multiplex. Toutes les vitrines et les chambres froides utilisent des serpentins de réfrigérant à détente directe qui sont connectés aux compresseurs du système dans une salle des machines distante située à l'arrière ou sur le toit du magasin. Cela nécessite des milliers de mètres de tuyaux avec des raccords de boîtier qui ont historiquement été conçus pour la facilité et la rapidité du service plutôt que pour une faible fuite. Cette pratique est en train de changer pour les nouveaux supermarchés en mettant davantage l'accent sur la réduction des fuites. Le rejet de chaleur se fait généralement avec des condenseurs refroidis à l'air, car ce sont les moins coûteux à installer et à entretenir. Des condenseurs évaporatifs peuvent également être utilisés et réduiront la température de condensation et la consommation d'énergie du système. Cependant, ils portent le fardeau de l'augmentation des efforts et des coûts de maintenance. Dans les deux cas, les commandes du système sont généralement réglées pour permettre à la température de condensation de flotter avec l'ambiance extérieure, généralement à un niveau minimum d'environ 21 ° C (environ la température de condensation la plus basse pour les compresseurs alternatifs qui sont le type le plus couramment utilisé dans les supermarchés). 2 La quantité de réfrigérant nécessaire pour charger ce type de système de réfrigération de supermarché est très importante - généralement 1300 à 2500 kg. La grande quantité de tuyauterie et de joints de tuyauterie requise peut également entraîner d'importantes pertes de réfrigérant – historiquement 30% ou plus de la charge totale annuelle. Les nouveaux systèmes peuvent atteindre des taux de fuite d'environ 15 % ou un peu moins (Sand, et al, 1997). Figure 1 – Disposition d'un supermarché moderne typique La figure 2 montre les principaux éléments d'un système de réfrigération multiplex. Plusieurs compresseurs fonctionnant à la même température d'aspiration saturée sont montés sur un skid ou un rack et sont canalisés avec des conduites de réfrigération d'aspiration et de refoulement communes. L'utilisation de plusieurs compresseurs en parallèle fournit un moyen de contrôle de la capacité, car les compresseurs peuvent être sélectionnés et cyclés selon les besoins pour répondre à la charge de réfrigération. Compte tenu des préoccupations croissantes concernant l'impact des fuites de réfrigérant sur le réchauffement climatique, un certain nombre de nouvelles configurations de systèmes de réfrigération de supermarchés nécessitant une charge de réfrigérant nettement inférieure sont envisagées. Afin d'aider à promouvoir le développement de systèmes avancés et d'élargir la base de connaissances sur la technologie des supermarchés économes en énergie, l'Agence internationale de l'énergie (AIE) a établi l'annexe 26 de l'AIE (Systèmes avancés de réfrigération/récupération de chaleur dans les supermarchés) dans le cadre de l'Accord de mise en œuvre de l'AIE sur les technologies de pompage à chaleur. L'annexe 26 met l'accent sur la démonstration et la documentation des économies d'énergie et des avantages environnementaux de la conception de systèmes avancés pour la réfrigération des aliments et le chauffage et la climatisation des locaux pour les supermarchés. Les progrès réalisés dans ce contexte signifient des systèmes qui consomment moins d'énergie, nécessitent moins de réfrigérant et produisent moins d'émissions de réfrigérant. En d'autres termes, l'objectif est d'identifier les options technologiques de réfrigération et de CVC des supermarchés qui réduisent l'impact total équivalent du réchauffement (TEWI) des supermarchés et leur impact potentiel sur le réchauffement climatique 3. L'annexe compte actuellement cinq pays participants : le Canada, le Danemark, la Suède, le Royaume-Uni et les États-Unis. Figure 2 – Système de réfrigération multiplex Les participants à l'annexe étudient plusieurs approches de conception de systèmes candidats afin de déterminer leur potentiel de réduction de l'utilisation de réfrigérant et de la consommation d'énergie. Les types de systèmes sont les suivants : systèmes de compresseurs distribués – les petits racks de compresseurs sont situés à proximité des vitrines alimentaires qu'ils servent, ce qui raccourcit considérablement la longueur des conduites de réfrigérant de raccordement; systèmes à boucle secondaire – un refroidisseur central est utilisé pour réfrigérer un liquide de refroidissement secondaire (p. ex. saumure, boue de glace ou CO2) qui est pompé vers les vitrines d'exposition des aliments sur le plancher de vente; vitrines autonomes – chaque vitrine d'alimentation a sa propre unité de réfrigération; Extension directe à faible charge – similaire aux systèmes de supermarchés conventionnels, mais avec des contrôles améliorés pour limiter les frais. Des moyens d'intégrer les systèmes CVC des magasins pour le chauffage et la climatisation des locaux au système de réfrigération sont également à l'étude. Une approche consiste à utiliser des pompes à chaleur pour récupérer la chaleur résiduelle de réfrigération et l'élever à un niveau suffisant pour répondre aux besoins de chauffage des magasins. 4 Un atelier sur la réfrigération avancée des supermarchés a eu lieu du 2 au 4 octobre 2000 à Stockholm. Des rapports ont été présentés par les participants à l'Annexe et d'autres experts invités sur l'état d'avancement des activités de recherche-développement dans le domaine de la réfrigération aux États-Unis et en Europe. Un compte rendu est disponible auprès du Centre des pompes à chaleur de l'AIE qui résume les résultats de l'atelier (Lundqvist, ed, 2000). Cet article présente les résultats des analyses de plusieurs systèmes de réfrigération à faible charge ainsi que certains résultats préliminaires des essais sur le terrain des systèmes. Figure 3 – Système de réfrigération distribué 2. DESCRIPTIONS AVANCÉES DES SYSTÈMES Systèmes de compresseurs distribués. La figure 3 illustre les composants typiques du système. Plusieurs compresseurs sont disposés dans des armoires situées à proximité des charges qu'ils servent. Le rejet de chaleur 5 des compresseurs peut être réalisé par l'utilisation de condenseurs refroidis à l'air situés sur le toit au-dessus des armoires ou par une boucle de glycol qui relie les armoires à un refroidisseur de fluide. Pour permettre aux armoires d'être situées dans ou à proximité de la zone de vente, ce système de réfrigération utilise des compresseurs scroll en raison de leurs très faibles niveaux de bruit et de vibrations. Les compresseurs Scroll n'ont pas de vannes et, en général, ne sont pas aussi efficaces que les unités alternatives pour les applications de réfrigération. Cependant, cet inconvénient d'efficacité est compensé par le fait que la fonction novalve leur permet de fonctionner à des températures de condensation plus basses – jusqu'à environ 15 ºC. La charge de réfrigérant requise pour un système de réfrigération distribué est de l'ordre de 30% ou 50% de celle requise pour un système multiplex conventionnel refroidi par air selon que la condensation refroidie à l'eau ou à l'air est utilisée, respectivement. Lorsque des condenseurs refroidis à l'eau sont utilisés, une boucle de glycol est utilisée pour transmettre la chaleur rejetée à un refroidisseur de fluide, généralement situé sur le toit du supermarché. L'utilisation de la boucle de glycol augmente la consommation d'énergie du processus de réfrigération en raison de l'énergie nécessaire à la pompe et la température de condensation plus élevée en raison de l'augmentation de la température supplémentaire de la boucle de fluide. Une grande partie de cette pénalité énergétique peut être annulée si un refroidisseur de fluide par évaporation est utilisé où le rejet de chaleur peut avoir lieu à une température proche de la température ambiante du thermomètre humide. Systèmes de boucle secondaire. Ces systèmes utilisent des refroidisseurs situés dans une salle des machines éloignée (voir la figure 1) pour réfrigérer une solution de saumure qui est pompée dans chaque vitrine ou chambre froide. La consommation d'énergie la plus faible pour les systèmes à boucle secondaire est obtenue lorsque les échangeurs de chaleur de vitrine sont conçus spécifiquement pour l'utilisation de saumure, de sorte que la différence de température entre la saumure et l'air est minimisée. Le choix de la saumure est également important, car la consommation d'énergie pour le pompage est une composante importante de la consommation globale d'énergie. L'utilisation de saumures à haute capacité calorifique et à faible viscosité à basse température est souhaitable. Le nombre de boucles de saumure utilisées aura également un impact sur la consommation d'énergie. En règle générale, 2 températures de boucle sont utilisées, telles que -30 et -7 °C. Si des portions importantes de la charge frigorifique peuvent être traitées par des boucles de température plus élevées, des économies d'énergie peuvent être obtenues. Par exemple, les charges frigorifiques à -10 °C pourraient être traitées par une boucle à -18 °C, plutôt que d'inclure cette partie de la charge avec la boucle de -30 °C. Pour l'analyse donnée ici, 4 boucles sont considérées, fonctionnant à des températures de -30, -18, -7 et -1 °C avec une solution de saumure de formiate de potassium dans les deux boucles de température inférieure et une solution de propylène glycol dans les boucles de température supérieure. Il convient toutefois de préciser que plus il y a de boucles, plus de coûts d'installation sont élevés. Chaque boucle nécessite ses propres commandes et moyens de maintenir la température de la boucle (refroidisseur séparé, etc.). Les systèmes de refroidissement central sont construits de la même manière que les racks multiplex, en utilisant plusieurs compresseurs parallèles pour le contrôle de la capacité. L'utilisation de compresseurs à haut rendement est hautement souhaitable pour aider à compenser une partie de la consommation d'énergie supplémentaire associée au pompage de la saumure. En raison de l'emplacement de l'évaporateur sur le patin du refroidisseur, les compresseurs du système de boucle secondaire sont considérés comme étroitement couplés à l'évaporateur. La perte de charge et le gain de chaleur du gaz de retour sont minimisés dans cette configuration. Ces deux facteurs contribuent à réduire la consommation d'énergie du compresseur. Ces systèmes de refroidissement peuvent également être équipés d'un dégivrage de saumure chaude où la saumure est chauffée par sous-refroidissement du réfrigérant du refroidisseur. Le rejet de chaleur peut être réalisé avec des condenseurs refroidis à l'air, à l'eau ou par évaporation. Les températures de condensation les plus basses sont obtenues avec des condenseurs évaporatifs. La charge de réfrigérant du système sera de l'ordre de 15 à 25% de celle requise pour les systèmes multiplex conventionnels refroidis par air avec condenseurs refroidis par air ou par évaporation et environ 7% de la charge multiplex lorsque des condenseurs refroidis à l'eau et une boucle de fluide 6 sont utilisés. Comme la réfrigération distribuée, l'utilisation du rejet de chaleur par évaporation pour la boucle de fluide est recommandée pour réduire la consommation d'énergie. Systèmes multiplex à faible charge. Plusieurs fabricants de systèmes de réfrigération offrent maintenant des systèmes de contrôle pour les condenseurs qui limitent la quantité de charge de réfrigérant nécessaire au fonctionnement de la réfrigération multiplex. La charge de liquide réfrigérant est limitée à celle nécessaire pour alimenter tous les évaporateurs de vitrine. Cette technique de contrôle permet de réduire la charge nécessaire au système de réfrigération de 1/3 ou plus. Certaines approches de contrôle de la charge liquide peuvent également offrir un certain potentiel d'économie d'énergie en permettant aux compresseurs de fonctionner à des températures de condensation plus basses. Les valeurs minimales de température de condensation suggérées sont respectivement de 4,5 et 15 °C pour la réfrigération à basse et moyenne température. Systèmes de réfrigération autonomes. Dans ce type, chaque vitrine et salle de stockage a son propre compresseur et condenseur (généralement refroidi à l'eau). Une boucle de glycol est utilisée pour rejeter la chaleur des unités de réfrigération individuelles vers l'extérieur du magasin. Pour un fonctionnement économe en énergie d'un système autonome, le contrôle de la capacité du compresseur est nécessaire. Dans la modélisation de ce système, le déchargement du compresseur pour le contrôle de la capacité a été modélisé comme un processus continu; et la puissance du compresseur a été modélisée à l'aide de la relation standard pour le changement de puissance avec le déchargement du compresseur. Pour l'analyse, la température minimale de condensation a été fixée à 4,5 et 15 °C pour la réfrigération à basse et moyenne température, respectivement (Walker et Baxter, 2002). 3. RÉSULTATS DE L'ANALYSE Un supermarché de 3720 m2 basé sur la disposition de la figure 1 a été simulé et des estimations de la consommation d'énergie ont été faites pour un système de réfrigération multiplex refroidi par air de référence et les systèmes avancés à faible charge (Walker et Baxter, 2002). La charge frigorifique totale était de 328 kW (82 kW pour les aliments congelés et 246 kW pour les aliments frais). La charge de base du système était de 1360 kg ou 4,15 kg/kW de charge. Les résultats de cette analyse pour un emplacement à Washington, DC sont présentés dans le tableau 1. Le système distribué et le système à boucle secondaire avec condensation par évaporation ont obtenu des résultats similaires avec des économies d'énergie annuelles de 11,3 % et 10,4 %, respectivement, par rapport à la base de référence. Le système de réfrigération multiplex à faible charge a enregistré des économies d'énergie annuelles de 11,6 % par rapport au système de référence. Aucune économie d'énergie n'a été estimée pour le système autonome avancé. 7 Tableau 1 - Consommation d'énergie prévue pour les systèmes de réfrigération à faible charge Rejet de chaleur du système Énergie annuelle (kWh) Économies d'énergie (kWh) % d'économies par rapport à la base de référence Condenseur multiplexe (de base) refroidi par air 976 800 - - Evap multiplexe. Condenseur 896 400 80 400 8,2 Evap multiplex à faible charge. Condenseur 863 600 113 100 11,6 Condenseur distribué refroidi à l'eau, rejet d'évap 866 100 110 700 11,3 Evap de boucle secondaire. Condenseur 875 200 101 600 10,4 Condenseur autonome avancé refroidi à l'eau, Rejet d'Evap 1 048 300 - - Condenseur refroidi à l'eau à boucle secondaire, rejet d'Evap 987 900 - - Résultats pour un supermarché à Washington, DC L'utilisation du rejet de chaleur par évaporation (condenseur évaporatif ou tour de refroidissement) a été le principal moteur des économies d'énergie pour tout système. La consommation d'énergie du système de base multiplex a été réduite d'environ 8,2 % lorsqu'un condenseur évaporatif a été remplacé par le condenseur refroidi à l'air. La consommation d'énergie du système à boucle secondaire était inférieure à celle du système multiplex de base, principalement en raison de l'utilisation de la condensation par évaporation. Les économies d'énergie du système à boucle secondaire peuvent également être attribuées au couplage étroit des compresseurs aux évaporateurs du refroidisseur, au sous-refroidissement associé au schéma de dégivrage de la saumure chaude utilisé et à l'utilisation de quatre boucles de saumure pour augmenter la température moyenne effective de l'évaporateur du système. Trois systèmes ont été modélisés avec des condenseurs refroidis à l'eau et des boucles de glycol pour le rejet de la chaleur. Ces systèmes avaient la charge de réfrigérant la plus faible et pouvaient être couplés à des thermopompes à eau pour la récupération de chaleur pour le chauffage des locaux. De ces trois systèmes, le système distribué affichait la plus faible consommation d'énergie. Une évaluation environnementale de ces systèmes de réfrigération a également été réalisée au moyen d'une analyse TEWI pour une durée de vie de 15 ans. Le tableau 2 présente les résultats de cette enquête. Une gamme de taux de fuite est supposée pour les systèmes multiplex pour représenter à la fois les pratiques de conception historiques et modernes, à faible fuite. Les TEWI les plus faibles ont été atteints par le système distribué et les systèmes de boucle secondaire avec des réductions estimées des émissions de CO2 par rapport au système multiplex de référence (multiplex avec condensation refroidie par air) de 13 à 14 millions de kg, soit environ 57 à 60%. Le système multiplex à faible charge a estimé les réductions de TEWI d'environ 24 % ou 43 % par rapport au système de référence, selon que l'on suppose un taux annuel de perte de réfrigérant de 30 % ou de 15 %. Le remplacement du condenseur refroidi à l'air par un condenseur évaporatif sur le système de base entraîne une réduction estimée de la TEWI d'environ 3% en raison des économies d'énergie réalisées grâce au fonctionnement à des températures de condensation plus basses. Le système autonome analysé a eu le plus faible impact direct sur le réchauffement (des pertes de réfrigérant) au cours de la période d'étude de 15 ans. Cependant, sa consommation d'énergie (8 plus élevées des systèmes étudiés) a fait en sorte que sa TEWI globale était de 4 % à 12 % supérieure à celle des systèmes à boucle distribuée et secondaire. Tableau 2 - Impact total équivalent au réchauffement (ETWI) pour la charge de condensation du système de réfrigération des supermarchés, TEWI (millions de kg de CO2) kg/kW Fuite de réfrigérant primaire (%) Annuel kWh direct indirecta Total multiplex refroidi à l'air (ligne de base) 4..15 30 (15) 976 800 13,62 (6,81) 9,52 (9,52) 23,14 (16,33) Évaporation 4,15 R404A /R-22B 30 896 400 13,62 8,74 22,36 Charge faible 30 863 600 9,08 8,42 17,50 Multiplex Évaporation 2,77 R404A /R-22 b 15 863 600 4,54 8,42 12,96 Distribué refroidi à l'eau, Evap 1,24 R404A 5 866 100 1,00 8,44 9,44 Évaporatif de boucle secondaire 0,69 R507 10 875 200 1,13 8,54 9,67 c 5 875 200 0,56 8,54 9,10 Refroidi à l'eau, 5 987 900 0,23 9,63 9,86 Evap 0,27 R507 c 2 987 900 0,09 9,63 9,72 Avancé Autonome Refroidi par eau, Evap 0,14 R404A 1 1 048 300 0,02 10,22 10,24 Résultats pour l'emplacement de Washington, DC – Durée de vie utile de 15 ans Facteur de conversion = 0,65 kg CO2/kWh b 1/3 R404A (basse température), PRP = 3260; 2/3 R22 (température moyenne), PRP = 1700 cR507, PRP = 3300 En général, des efforts supplémentaires visant à réduire les impacts totaux du réchauffement climatique pour les systèmes à boucle distribuée et secondaire bénéficieraient davantage d'une réduction de la consommation d'énergie (par des augmentations d'efficacité ou des réductions de charge) que d'une réduction supplémentaire de l'impact direct (des pertes de réfrigérant). Il en va de même pour le système multiplex à faible charge et, dans une moindre mesure, pour le système multiplex conventionnel dont les pertes annuelles de réfrigérant peuvent être maintenues à 15% ou moins. 4. ANALYSE CVC DES SUPERMARCHÉS L'utilisation de thermopompes à eau représente un excellent moyen d'utiliser la chaleur de rejet de réfrigération pour le chauffage des locaux où des condenseurs refroidis à l'eau et des boucles d'eau / glycol sont utilisés pour le rejet de chaleur du système de réfrigération. Les pompes à chaleur peuvent être installées dans la boucle glycol/eau et utiliser la chaleur rejetée pour chauffer les locaux. Cette méthode permet de récupérer une très grande partie de la chaleur rejetée sans nécessiter d'élévation de la température de condensation et de la pression de charge du système de réfrigération, comme c'est le cas avec les approches conventionnelles de récupération de chaleur. Les économies d'énergie du système de réfrigération obtenues grâce à un fonctionnement à basse pression de charge peuvent être réalisées en même temps que les avantages énergétiques observés grâce à la récupération de chaleur. Une analyse a été effectuée pour un système CVC de supermarché où les unités de toit conventionnelles, la récupération de chaleur réfrigérante et les thermopompes à eau ont été examinées et comparées. Le coût d'exploitation le plus bas a été obtenu grâce à la combinaison de la réfrigération distribuée et des thermopompes à eau, ce qui a permis d'économiser environ 13 % par rapport au système de réfrigération multiplex refroidi par air de base avec les unités CVC conventionnelles sur le toit. Les tarifs locaux des services publics pour le gaz, l'électricité et l'eau (pour tenir compte de la consommation d'eau de remplacement des tours d'évaporation) à Washington, DC ont été utilisés dans cette comparaison des coûts. 9 5. RÉSUMÉ DES TRAVAUX PRÉVUS À L'ANNEXE ET DES RÉSULTATS DES ESSAIS SUR LE TERRAIN À CE JOUR Canada. Trois systèmes sont à l'essai, dont un système multiplex conventionnel. Une approche de système avancé utilise un système de réfrigération multiplex avec une utilisation intensive de la récupération de chaleur pour le chauffage des locaux et de l'eau et utilise l'eau souterraine pour compléter le rejet de chaleur. La deuxième approche avancée est également un système multiplex qui a plusieurs pompes à chaleur intégrées pour fournir le chauffage des locaux pour le magasin et le sous-refroidissement pour le système de réfrigération. Les premiers essais de référence effectués en 1999-2000 ont montré que les deux approches avancées permettaient de réduire d'environ 6 % la consommation d'énergie spécifique (kWh/m2/an) par rapport au stockage de référence (Minea et al., 2002a). Des améliorations aux systèmes d'essai, y compris un concept de dégivrage plus rapide et un pompage de réfrigérant liquide pour le contrôle de la pression de la tête, sont en cours d'évaluation. Les améliorations apportées au dégivrage ont permis de réduire le temps de dégivrage d'environ 85 % (Minea et al., 2002b). En plus de ce qui précède, une vitrine technologique devrait être installée dans un supermarché de la région de Montréal au début de 2002. Cette vitrine technologique devrait démontrer l'intégration de plusieurs technologies pour répondre aux exigences du supermarché en matière de chauffage, de ventilation, de climatisation et de réfrigération (CVCA&R). Les études de préfaisabilité indiquent que la consommation d'énergie peut être réduite de 18 % et la charge de réfrigérant de 87 % grâce à l'intégration des fonctions CVC et réfrigération et à l'utilisation d'une approche de système de boucle secondaire. Ensemble, ces mesures devraient réduire la TEWI d'environ 75 % (Giguere, 2001). Danemark. Dans un petit supermarché danois, l'ancienne installation frigorifique a été remplacée par une usine de cascade. Le propane est utilisé comme réfrigérant à haute température (-14/+30°C) tandis que le dioxyde de carbone est utilisé à basse température (-32/-11°C). Le dioxyde de carbone est utilisé directement pour effectuer le refroidissement dans les congélateurs tandis qu'un circuit de saumure avec du propylène glycol est utilisé dans les refroidisseurs. La consommation totale d'énergie a diminué de 10% avec la nouvelle usine, mais il faut noter que l'ancienne usine était usée. D'après les résultats de la première usine de démonstration, une deuxième usine de démonstration de propane et de dioxyde de carbone a été construite dans un supermarché de taille moyenne et vient d'être mise en service à la fin de 2001. Le supermarché choisi fait partie d'une chaîne d'environ 250 magasins, il sera donc possible de comparer l'usine de propane / dioxyde de carbone avec une usine traditionnelle plus récente avec la même capacité de refroidissement. On estime que le coût supplémentaire d'une usine de cascade de propane/dioxyde de carbone pour un supermarché danois de taille moyenne (charge de congélation de 30 kW et charge de refroidissement de 60 kW) représentera environ 15 % de l'installation totale (Knudsen, 2001). Suède. Le travail de la Suède pour l'annexe fait partie de son programme national Klimat 21 dans le cadre d'un projet intitulé « Solutions écoénergétiques pour les supermarchés en théorie et en pratique ». Des essais sur le terrain de systèmes avancés sont en cours dans trois supermarchés (surface au sol allant de 720 à 2700 m2). Deux utilisent des conceptions de systèmes à boucle secondaire en cascade avec un réfrigérant primaire R404A et une solution de saumure de formiate de potassium comme réfrigérant secondaire. L'autre a des unités de réfrigération à boucle secondaire individuelles dans chaque vitrine qui sont toutes connectées à un refroidisseur central du bâtiment pour le rejet de la chaleur. Un résultat significatif est que les revêtements de nuit testés dans l'un des magasins ont permis de réduire de 10 à 20 % la consommation d'énergie du système, avec seulement 70 % des revêtements de caisse opérationnels (Arias et Lundqvist, 2000). Royaume-Uni. Le Royaume-Uni a mis en place une solide équipe collaborative entre le gouvernement et l'industrie pour travailler sur les technologies des supermarchés. Quatre études de cas sont en cours. Ces 10 comprennent 1) une évaluation de la viabilité économique et environnementale des systèmes combinés de refroidissement, de chauffage et d'alimentation pour les supermarchés, 2) une comparaison de divers concepts de systèmes de boucle secondaire par rapport aux systèmes à expansion directe standard, 3) une étude analytique et expérimentale de l'effet de divers systèmes CVC sur la performance des boîtiers (y compris les problèmes d'allées froides) et 4) une étude analytique et expérimentale de trois stratégies de dégivrage différentes (Shaw, 2001). États-Unis. Deux systèmes sont testés sur le terrain dans des supermarchés en exploitation près de Boston, MA – un système de réfrigération à compresseur distribué et un système de réfrigération multiplex de base. Le système distribué utilise une boucle de glycol pour le rejet de chaleur et comprend des pompes à chaleur à eau qui récupèrent la chaleur rejetée pour le chauffage du magasin. Le CVC pour le magasin de base est fourni par des unités de climatisation conventionnelles sur le toit avec chauffage au gaz. Les résultats des essais effectués de décembre 1999 à juillet 2000 ont indiqué que la consommation moyenne d'énergie du réseau distribué était supérieure d'environ 14 % au niveau de référence (2760 kWh/j contre 2410 kWh/j). Il y a trois raisons principales pour lesquelles la consommation réelle d'énergie a été plus élevée que ce qui était attendu de l'étude de modélisation. Tout d'abord, l'exploitant du magasin a choisi d'utiliser une tour de refroidissement sèche plutôt qu'une tour d'évaporation pour éviter le fardeau d'entretien supplémentaire. Deuxièmement, les condenseurs refroidis à l'eau dans les armoires de compresseur étaient sous-dimensionnés (température d'approche de 14 °C contre une valeur nominale de 8 °C). Enfin, des problèmes opérationnels avec la boucle de rejet de chaleur en janvier ont permis à la température de la boucle de tomber en dessous de la valeur minimale pour les pompes à chaleur entraînant une perte de chauffage dans le magasin. Comme solution temporaire pour maintenir la capacité de chauffage, la température minimale de la boucle a été augmentée d'environ 12 °C et maintenue à ce niveau jusqu'en avril. L'impact combiné de ces problèmes a fait en sorte que la température de condensation du système de réfrigération distribué était de 6 à 16 ºC plus élevée que prévu par rapport aux hypothèses d'analyse préalable et d'environ 8 à 10 ºC supérieure à celle du système d'essai de base multiplexe. Le fabricant du système distribué a fourni des condenseurs correctement dimensionnés et le problème de fonctionnement de la boucle a été corrigé, mais la tour de refroidissement sèche reste. Le système distribué modifié et le système de référence feront l'objet d'une surveillance de nouveau au cours de l'hiver 2001-2002. L'analyse des données de la thermopompe à eau a révélé que le magasin d'essai de systèmes distribués a réalisé des économies estimées pour le chauffage des locaux d'environ 10 000 $ par rapport à ce qu'il en aurait coûté si des systèmes de chauffage au gaz conventionnels sur le toit avaient été utilisés (voir le tableau 3). Les tarifs locaux en vigueur de 0,09 $/kWh et de 0,265 $/m3 de gaz naturel ont été utilisés pour estimer les économies de coûts de chauffage. Des économies substantielles ont été observées pour tous les mois, sauf en janvier. Des températures de boucle très basses ont été observées pendant cette période (comme mentionné ci-dessus) et les pompes à chaleur ont fonctionné avec seulement le chauffage électrique supplémentaire pendant la plupart du temps. (Walker et Baxter, 2000). Tableau 3 – Résultats des essais sur le terrain des pompes à chaleur hydroélectriques pour l'hiver 1999-2000, Boston, MA, États-Unis Mois Chaleur fournie (kWh) Énergie de la pompe à chaleur1 (kWh) Utilisation équivalente de gaz (m3) Économies2 ($) Décembre 157 900 26 784 17 420 2 200 Janvier 157 900 39 878 16 220 706 Février 187 950 22 480 18 050 2 760 Mars 148 180 21 854 15 200 2 064 Avril 154 450 23 184 15 350 1 980 1 Énergie pour compresseurs et radiateurs électriques d'appoint; ventilateurs non inclus 2 Calculé sur la base de coûts énergétiques de 0,09 $/kWh et de 0,265 $/m3 11 6. CONCLUSIONS Quelques conclusions et observations importantes sont notées dans cette section à partir des analyses et des programmes d'essai discutés. Avant de poursuivre, cependant, il convient de noter que ces conclusions sont assujetties aux hypothèses utilisées dans les analyses et aux emplacements et installations particuliers des systèmes d'essai sur le terrain. Ces résultats spécifiques ne doivent pas être considérés comme généralisables à toutes les tailles et à tous les emplacements de magasins. Cependant, ils fournissent une bonne indication relative des économies d'énergie et du potentiel de réduction TEWI des systèmes de réfrigération à faible charge discutés dans le présent document. Les analyses effectuées dans le cadre du projet Annexe 26 et des programmes nationaux individuels ont montré que des économies d'énergie (plus de 10%) et des réductions TEWI (jusqu'à 60%) sont possibles avec des systèmes de réfrigération à faible charge par rapport à un système multiplex de base avec condenseurs refroidis par air. Des économies sont possibles avec les systèmes de compresseurs distribués, les systèmes de boucle secondaire et les systèmes multiplex à faible charge. L'utilisation d'approches de rejet de chaleur par évaporation (condenseurs ou tours de refroidissement) pour réduire les températures de condensation est essentielle pour obtenir des économies d'énergie maximales. Cependant, les condenseurs évaporatifs (ou tours de refroidissement) imposeront des efforts et des coûts d'entretien plus importants. La conception et la mise en œuvre appropriées de systèmes avancés à faible charge sont essentielles si l'on veut réaliser des économies d'énergie. Les premiers essais sur le terrain d'un système distribué aux États-Unis ont montré une consommation d'énergie plus importante que prévu en raison de températures de condensation excessives causées par l'utilisation d'une tour de refroidissement sèche, de problèmes liés au rejet de chaleur, d'insuffisances de contrôle de la boucle de refroidissement du glycol et de condenseurs réfrigérant à eau sous-dimensionnés. Les essais sur le terrain sont répétés avec des tailles de condenseur correctes et des commandes révisées de la boucle de rejet de chaleur sur le système distribué. La démonstration initiale d'un nouveau système en cascade dans un petit magasin danois a montré une consommation d'énergie inférieure de 10% par rapport à ce que le magasin avait utilisé avec l'ancien système de réfrigération conventionnel. Il a été démontré que l'utilisation de revêtements de nuit pour réduire la charge de la vitrine entraîne une réduction d'au moins 10 % de la consommation d'énergie du système de réfrigération dans un magasin de démonstration suédois. Les systèmes de réfrigération de supermarché présentant les plus faibles ETWI estimés étaient le système distribué et les systèmes à boucle secondaire pris en compte dans les analyses - réduction d'environ 57 à 60% par rapport au système multiplex de base. En général, des efforts supplémentaires visant à réduire les impacts totaux du réchauffement planétaire pour tous les systèmes avancés à faible charge examinés ici bénéficieraient davantage d'une réduction de la consommation d'énergie (par des augmentations de l'efficacité ou des réductions de charge) que d'une réduction supplémentaire de l'impact direct (des pertes de réfrigérant) à condition que les pertes annuelles de réfrigérant soient maintenues à 15% ou moins de la charge totale du système annuellement. On estime que l'utilisation de pompes à chaleur à eau avec des systèmes de réfrigération utilisant des boucles de glycol pour le rejet de la chaleur a permis de réaliser des économies de coûts d'exploitation d'environ 13 % par rapport au système de réfrigération de base avec CVC conventionnel dans un magasin de 3720 m2 situé à Washington, DC.