Il y a une raison pour laquelle les grandes installations utilisent presque toujours des refroidisseurs à eau. Ce n'est pas une question de complexité ou de coût initial, mais d'efficacité. Un refroidisseur industriel à eau bien conçu peut consommer beaucoup moins d'électricité qu'une unité refroidie à l'air faisant le même travail. Au fil des années de fonctionnement, cette différence se traduit par de l'argent réel.
Après avoir examiné les factures d'énergie d'usines qui sont passées du refroidissement par air au refroidissement par eau, il est difficile d'ignorer les économies réalisées. Mais pourquoi ces installations sont-elles plus efficaces ? La réponse tient à la façon dont la chaleur est rejetée et dont les compresseurs fonctionnent.
Voici un aperçu de la physique et de l'ingénierie qui expliquent pourquoi un refroidisseur industriel à eau gagne en efficacité.
Les principes physiques de base de l'efficacité des refroidisseurs industriels refroidis par eau
L'efficacité d'un refroidisseur dépend d'une chose : l'effort que doit fournir le compresseur pour transférer la chaleur de l'évaporateur au condenseur. Plus la température du condenseur est basse, moins le compresseur travaille.
L'air et l'eau en tant que fluide caloporteur
L'air est un très mauvais fluide caloporteur par rapport à l'eau. Sa conductivité thermique et sa chaleur spécifique sont faibles. L'eau, en revanche, est excellente pour évacuer la chaleur. C'est pourquoi les radiateurs des voitures utilisent de l'eau (ou du liquide de refroidissement) plutôt que de l'air.
Un refroidisseur industriel refroidi à l'eau tire parti de cette situation. Le condenseur utilise de l'eau - qui est pompée d'une tour de refroidissement à une température de 85°F - pour absorber la chaleur du réfrigérant. Un refroidisseur à air utilise l'air ambiant qui, par une chaude journée d'été, peut atteindre 95°F ou plus, et l'air n'absorbe pas la chaleur aussi efficacement.
Température du bulbe humide ou du bulbe sec
C'est le concept clé. Un refroidisseur à air est limitée par la température du bulbe sec, c'est-à-dire la température réelle de l'air. Par une journée à 100°F, l'air a une température de 100°F. La température de condensation du refroidisseur sera d'au moins 100°F, généralement plus élevée.
Un refroidisseur à eau est toutefois limité par la température du bulbe humide, c'est-à-dire la température que l'air aurait s'il était saturé d'humidité. Les tours de refroidissement refroidissent l'eau par évaporation, et l'évaporation peut ramener la température de l'eau à un niveau proche de la température du bulbe humide. Par une journée où la température du bulbe sec est de 100°F, la température du bulbe humide peut n'être que de 75°F. Cela représente une température de condensation inférieure de 25°F.
Une température de condensation plus basse signifie un rapport de pression du compresseur plus bas. Un rapport de pression plus faible signifie moins de travail. Moins de travail signifie moins d'électricité.
Comment la température de condensation affecte-t-elle un refroidisseur industriel refroidi par eau ?
Chiffrons ce phénomène. Un refroidisseur industriel typique refroidi à l'eau peut fonctionner avec une température de condensation de 95°F lors d'une journée chaude. Le même jour, un refroidisseur à air peut fonctionner à une température de condensation de 115°F.
| Paramètres | Refroidissement par eau | Refroidissement par air | Différence |
|---|---|---|---|
| Température de condensation | 95°F (35°C) | 115°F (46°C) | 20°F de plus |
| Pression de condensation (R134a) | ~120 psig | ~170 psig | 50 psig plus élevé |
| Puissance du compresseur (relative) | 1.0 | 1.25-1.35 | 25-35% plus d'énergie |
Cette différence de 20°F dans la température de condensation se traduit directement par une puissance plus élevée du compresseur. Le refroidisseur à air travaille plus fort pour pousser le réfrigérant contre une pression plus élevée.
L'impact des fortes chaleurs
L'écart d'efficacité se creuse à mesure que la température extérieure augmente. Par une douce journée de 75°F, un refroidisseur à air peut être raisonnablement efficace. Par contre, par une température de 105°F, il a du mal à s'en sortir. La pression de condensation augmente. Le compresseur travaille plus dur. Le refroidisseur peut même dérailler, c'est-à-dire produire moins de capacité de refroidissement tout en consommant plus d'énergie.
En revanche, un refroidisseur industriel refroidi à l'eau ne subit qu'une faible baisse d'efficacité les jours de grande chaleur. La température du bulbe humide augmente beaucoup moins que celle du bulbe sec. Lors d'une journée avec un bulbe sec à 105°F, le bulbe humide peut être à 78°F. La tour de refroidissement continue à fournir de l'eau à une température de 85°F. Le refroidisseur perçoit à peine la vague de chaleur.
D'un point de vue observationnel, c'est la raison pour laquelle les centres de données et les hôpitaux - des installations qui ont besoin d'un refroidissement fiable même pendant les vagues de chaleur - choisissent presque toujours le refroidissement à l'eau.
Efficacité à charge partielle et avantage du refroidissement par eau
Les refroidisseurs fonctionnent rarement à pleine charge. La plupart du temps, ils fonctionnent à 40-70% de leur capacité. Les performances d'un refroidisseur à charge partielle sont plus importantes que son efficacité à pleine charge.
Comment les refroidisseurs à eau gèrent-ils une charge partielle ?
Un refroidisseur industriel à eau équipé d'un variateur de vitesse sur le compresseur et de ventilateurs de tour à vitesse variable peut maintenir une excellente efficacité jusqu'à une charge de 20-30%. La température de l'eau du condenseur peut être augmentée à faible charge pour économiser l'énergie des ventilateurs de la tour, mais le refroidisseur fonctionne toujours à faible pression de condensation.
Les refroidisseurs à air ont plus de mal à fonctionner à charge partielle. Les ventilateurs du condenseur se mettent en marche et s'arrêtent ou fonctionnent à des vitesses fixes. Le refroidisseur peut devoir faire tourner les ventilateurs plus que nécessaire pour maintenir une pression de condensation minimale, en particulier par temps frais.
Valeur intégrée de la charge partielle (IPLV)
L'industrie mesure l'efficacité à charge partielle avec l'IPLV (Integrated Part Load Value). Un bon refroidisseur industriel à eau peut avoir une IPLV de 0,35-0,45 kW/tonne. Un refroidisseur à air de taille similaire peut avoir un IPLV de 0,70-0,85 kW/tonne. L'unité refroidie à l'eau consomme environ la moitié de l'électricité dans des conditions de fonctionnement typiques.
Économies d'énergie dans le monde réel
Prenons un exemple. Un refroidisseur de 300 tonnes fonctionnant 4 000 heures par an (typique d'une usine de fabrication ou d'un centre de données). Électricité à $0,12 par kWh.
| Type de refroidisseur | Pleine charge kW/tonne | IPLV kW/tonne | kWh annuels | Coût annuel |
|---|---|---|---|---|
| Refroidissement par eau | 0.55 | 0.45 | 540,000 | $64,800 |
| Refroidissement par air | 0.85 | 0.75 | 900,000 | $108,000 |
Le refroidisseur à eau permet d'économiser $43.200 par an en électricité. Sur une durée de vie de 20 ans, cela représente $864 000 en coûts énergétiques évités. Cela permet de payer une grande partie de la maintenance de la tour de refroidissement.
Le premier compromis sur les coûts
Les refroidisseurs à eau sont plus coûteux au départ. Le refroidisseur lui-même est plus cher. Ajoutez une tour de refroidissement, des pompes pour l'eau du condenseur, la tuyauterie et le traitement de l'eau. Le coût d'installation d'un système refroidi à l'eau peut être 30-50% plus élevé que celui d'un système refroidi à l'air.
Mais la période d'amortissement est souvent courte. Dans l'exemple ci-dessus, si le système refroidi à l'eau coûte $150 000 euros de plus au départ, le retour sur investissement est d'environ 3,5 ans grâce aux seules économies d'énergie. Après cela, il ne s'agit plus que d'économies.
Autres facteurs influençant l'efficacité
Au-delà de la thermodynamique de base, quelques autres éléments contribuent à l'efficacité d'un refroidisseur industriel refroidi à l'eau.
Type de compresseur
Les refroidisseurs à eau utilisent souvent des compresseurs centrifuges ou à vis, qui sont intrinsèquement plus efficaces à grande échelle que les compresseurs à spirale courants dans les unités refroidies à l'air. Les compresseurs centrifuges n'ont pas de pièces frottantes et peuvent atteindre des niveaux de kW/tonne très bas, en particulier pour les grandes capacités.
Conception des échangeurs de chaleur
Les refroidisseurs à eau utilisent des échangeurs de chaleur à calandre. Ceux-ci ont d'excellents coefficients de transfert de chaleur, bien meilleurs que les serpentins à tubes à ailettes des unités refroidies par air. Cela signifie que des différences de température plus faibles sont nécessaires pour transférer la chaleur, ce qui réduit encore le travail du compresseur.
Potentiel de refroidissement libre
Par temps frais, certains systèmes refroidis par eau peuvent utiliser directement la tour de refroidissement pour fournir de l'eau glacée sans faire fonctionner le compresseur du refroidisseur. C'est ce qu'on appelle le free cooling. Un dispositif de dérivation envoie l'eau de la tour à travers un échangeur de chaleur (ou directement à la charge) lorsque la température du bulbe humide est suffisamment basse. Les refroidisseurs à air ne peuvent pas faire cela : ils doivent faire fonctionner les compresseurs à chaque fois que le refroidissement est nécessaire.
Le refroidissement par eau est-il toujours plus efficace ?
Presque toujours, mais il y a des exceptions.
Un refroidisseur industriel refroidi à l'eau nécessite des pompes pour déplacer l'eau du condenseur. Ces pompes consomment de l'électricité.
Une tour de refroidissement utilise des ventilateurs. Le traitement de l'eau utilise des produits chimiques et parfois de l'électricité. Ces charges auxiliaires réduisent légèrement l'avantage net en termes d'efficacité.
Dans les climats très froids, un refroidisseur à air peut tirer parti des basses températures ambiantes pour obtenir un bon rendement. Par une journée de 40°F, un refroidisseur à air peut fonctionner presque aussi bien qu'une unité refroidie à l'eau.
Mais sur une année complète, dans la plupart des climats, c'est le refroidissement par eau qui l'emporte. L'écart est le plus important dans les climats chauds et humides, où les performances du refroidissement par air sont les plus faibles.
Le bilan pour votre établissement
Le choix d'un refroidisseur ne se limite pas à l'efficacité. La disponibilité de l'eau, les possibilités de maintenance, l'espace, le bruit et le coût initial sont autant d'éléments qui entrent en ligne de compte.
Mais si l'efficacité énergétique est la priorité - et pour de nombreuses installations, c'est le cas -, le refroidisseur industriel à eau est le choix qui s'impose. La physique est claire. Les chiffres s'additionnent. Et sur la durée de vie de l'équipement, les économies sont substantielles.
Un refroidisseur industriel à eau est l'un des éléments d'un ensemble plus vaste. système de refroidissement industriel qui comprend les tours de refroidissement, les pompes, la tuyauterie et les commandes. Toutes ces pièces doivent fonctionner ensemble pour que le système atteigne son efficacité potentielle. Mais le refroidisseur lui-même, lorsqu'il est correctement sélectionné et entretenu, offre des performances que l'air refroidi ne peut tout simplement pas égaler.
Si vous souhaitez en savoir plus sur les refroidisseurs industriels à eau, veuillez lire le document suivant Qu'est-ce qu'un refroidisseur industriel à eau ? Comment cela fonctionne-t-il ?.
FAQ
Quelle est l'efficacité d'un refroidisseur à eau par rapport à un refroidisseur à air ?
À pleine charge par temps chaud, un refroidisseur à eau est généralement plus efficace de 25 à 40%. À charge partielle, la différence peut être de 40 à 50%, voire plus.
La consommation d'eau d'une tour de refroidissement annule-t-elle les économies d'énergie ?
L'eau a un coût, mais il est généralement bien inférieur aux économies d'électricité. Dans la plupart des régions, l'eau utilisée par une tour de refroidissement ne coûte qu'une fraction de l'électricité économisée.
Puis-je transformer un système existant refroidi à l'air en système refroidi à l'eau ?
Pas dans la pratique. Le refroidisseur lui-même devrait être remplacé. Cependant, il est parfois possible d'ajouter une tour de refroidissement et un nouveau refroidisseur à eau tout en conservant l'unité existante refroidie par air comme solution de secours.
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