Pour les sites industriels en quete d'economies d'energie sur leur chiller, le free cooling, c'est-a-dire le refroidissement libre, est l'un des leviers les plus concrets pour reduire durablement les couts d'exploitation. Dans le cout total de possession d'un chiller, l'electricite absorbee par les compresseurs depasse bien souvent, et de loin, le prix d'achat. Le refroidissement libre s'attaque precisement a ce poste en mettant les compresseurs hors service ou en reduisant leur charge pour evacuer la chaleur lorsque l'air exterieur est suffisamment frais. Dans cet article, nous examinons d'un point de vue d'ingenierie le fonctionnement du refroidissement libre, la logique du chiller hybride et les conditions dans lesquelles les economies se rentabilisent le plus rapidement.
Comment fonctionne le refroidissement libre
Dans un cycle frigorifique classique, la charge de refroidissement est evacuee par le compresseur qui comprime le fluide frigorigene, et c'est precisement la que se concentre l'essentiel de la consommation electrique. Avec le free cooling, la logique s'inverse : lorsque la temperature de l'air exterieur descend suffisamment sous la temperature de l'eau glacee de retour, une batterie de free cooling ajoutee au systeme ou un aerorefroidisseur (dry cooler) entre en action. Cette batterie evacue une partie ou la totalite de la chaleur en cedant directement a l'air exterieur l'eau tiede revenant du procede, sans faire tourner le compresseur.
Le parametre determinant est l'ecart de temperature entre l'air exterieur et l'eau glacee. Des que l'air exterieur passe quelques degres environ sous la temperature d'eau visee, le refroidissement libre partiel demarre ; a mesure que l'ecart se creuse, la chaleur evacuee par la batterie augmente et les compresseurs se delestent progressivement. Lorsque l'air se refroidit davantage, le systeme bascule en mode de refroidissement libre total : les compresseurs s'arretent completement et seules les pompes et les ventilateurs fonctionnent. La puissance electrique absorbee tombe alors a une fraction bien plus faible que celle du refroidissement mecanique.
Le chiller hybride : chiller et refroidissement libre dans une seule enveloppe
Le chiller hybride est la solution qui reunit le cycle de refroidissement mecanique et la batterie de free cooling au sein d'une seule unite. Plutot que d'installer separement un aerorefroidisseur et un chiller, les deux modes cohabitent dans une meme enveloppe et le systeme de regulation commute automatiquement selon la charge et les conditions de l'air exterieur. La majeure partie de l'annee, le systeme fonctionne dans l'un des trois modes : refroidissement mecanique total les jours chauds, mode partiel ou compresseur et batterie travaillent ensemble aux mi-saisons, et refroidissement libre total sans compresseur les jours froids.
Cette structure par paliers reduit fortement les heures de fonctionnement des compresseurs tout au long de l'annee, tout en maintenant la temperature de l'eau glacee du site a sa consigne. Moins d'heures de compresseur, c'est non seulement une facture energetique allegee, mais aussi des intervalles de maintenance espaces et une usure mecanique moindre ; autant d'effets qui se repercutent sur le cout d'exploitation global du chiller.
Ou les economies se rentabilisent le plus vite
Le retour sur investissement du refroidissement libre n'est pas identique d'un site a l'autre ; le gain est directement lie au profil de fonctionnement et au climat. Les conditions typiques d'un amortissement le plus rapide sont les suivantes :
- Des charges de refroidissement continues ou en plusieurs equipes tout au long de l'annee ; plus les heures de fonctionnement augmentent, plus la fenetre de refroidissement libre s'elargit.
- Des temperatures d'eau glacee temperees ou elevees ; par exemple, si le procede peut fonctionner avec une eau a 12-18 °C, le refroidissement libre intervient sur une part bien plus longue de l'annee.
- Des climats frais ou a longues mi-saisons ; dans les regions ou les basses temperatures exterieures sont frequentes, les heures de refroidissement libre total se multiplient.
- Des circuits additionnes de glycol ; grace a la protection antigel, le systeme profite du refroidissement libre en toute securite meme par basses temperatures exterieures.
- Des sites au cout unitaire de l'electricite eleve ; chaque heure ou l'on evite le compresseur se traduit directement en economie.
A l'inverse, dans un procede fonctionnant uniquement en ete et avec des temperatures d'eau tres basses, la fenetre de refroidissement libre est etroite et l'amortissement s'allonge. C'est pourquoi la decision doit se fonder sur la courbe de charge reelle du site et sur la distribution des temperatures du climat concerne.
Attentes realistes d'economies et d'amortissement
Le gain annuel du refroidissement libre est proportionnel au nombre d'heures pendant lesquelles les compresseurs sont mis hors service. Avec des temperatures d'eau glacee adaptees et un climat frais, on peut raisonnablement evoquer, dans des conditions favorables, des economies allant jusqu'a 40 % sur l'energie de refroidissement annuelle ; ce taux varie toutefois sensiblement selon le climat, le profil de charge et la temperature d'eau retenue. Plutot qu'un chiffre unique exagere, la bonne approche consiste a realiser une analyse de la distribution horaire des temperatures propre au site (bin-hour).
La duree d'amortissement depend des memes variables. Sur les sites a forte duree de fonctionnement et a cout energetique unitaire eleve, le surcout de la solution hybride se rembourse relativement vite, tandis que la duree s'allonge sur les sites peu sollicites. La decision doit donc reposer non pas sur une promesse standard, mais sur un calcul mesurable.
Chiller hybride et aerorefroidisseurs Planer
Les gammes Chiller Hybride et Aerorefroidisseurs / Dry Cooler de Planer sont concues pour integrer le refroidissement libre au systeme de refroidissement de procede. Il est possible aussi bien d'ajouter a un systeme de chiller existant un etage de refroidissement libre a base d'aerorefroidisseur que d'opter d'emblee pour une unite hybride ; le bon choix se determine en fonction de la temperature d'eau glacee du site, de sa courbe de charge et de son climat.
Si vous souhaitez connaitre, a partir du profil de charge et des donnees climatiques de votre installation, les economies realistes et la duree d'amortissement qu'apportera le refroidissement libre, l'equipe d'ingenierie de Planer est prete a evaluer avec vous la configuration hybride adaptee.