Les compresseurs sont la clé de la décarbonisation dans le HVACR

La demande mondiale de refroidissement de confort augmente, ce qui contribue à l'augmentation des émissions de carbone et met à rude épreuve les réseaux électriques du monde entier et des États-Unis. En fait, selon un rapport de l'Agence internationale de l'énergie (AIE), la demande mondiale d'énergie provenant de l'air devrait tripler d'ici 2050, le stock mondial de climatiseurs dans les bâtiments atteignant 5,6 milliards d'ici 2050, contre 1,6 milliard aujourd'hui. Cela équivaut à 10 nouveaux climatiseurs vendus chaque seconde au cours des 30 prochaines années, selon le rapport.

EN SAVOIR PLUS

• Compresseurs

• Décarbonation

• Efficacité énergétique

C'est une préoccupation, car les systèmes CVC, ainsi que les équipements de réfrigération commerciaux, consomment une quantité importante d'énergie, ce qui entraîne une augmentation des émissions de carbone. Pour résoudre ce problème, les fabricants ont travaillé dur pour trouver des solutions, l'une des plus prometteuses étant le compresseur à vitesse variable.

Contrairement aux systèmes CVC traditionnels à vitesse fixe, qui sont conçus pour répondre aux exigences de charge de pointe les jours les plus chauds ou les plus froids, les compresseurs à vitesse variable offrent une solution plus économe en énergie. Grâce à cette technologie, les systèmes CVC peuvent ajuster leur puissance pour répondre précisément aux exigences spécifiques du bâtiment, au climat local et même pour équilibrer les charges sur plusieurs compresseurs ou systèmes, a déclaré Frank Ford, directeur de la gestion des produits des compresseurs Turbocor chez Danfoss.

"Ce faisant, les systèmes de compresseurs à vitesse variable peuvent permettre des économies d'énergie allant jusqu'à 40 % par rapport aux systèmes de compresseurs à vitesse fixe", a-t-il déclaré. "Cette réduction significative de la consommation d'énergie entraîne non seulement des économies de coûts pour les propriétaires de bâtiments, mais contribue également aux efforts de décarbonation en réduisant le besoin de centrales électriques supplémentaires."

Comme les systèmes conventionnels à vitesse fixe sont généralement conçus pour s'adapter aux jours de pointe, ils ont généralement plus de capacité que nécessaire pour une utilisation quotidienne normale. Par conséquent, ces systèmes s'allument et s'éteignent fréquemment, ce qui peut entraîner des fluctuations de température et un contrôle réduit de l'humidité, ainsi qu'une diminution de l'efficacité due au démarrage et à l'arrêt, a déclaré Vickie Blakey, responsable du marketing des produits résidentiels chez Emerson.

"Les compresseurs modulants, d'autre part, donnent aux systèmes la possibilité d'ajuster la capacité en fonction de la charge, ce qui se traduit par des temps de fonctionnement plus longs à un rendement plus élevé pour maximiser à la fois le confort et les économies d'énergie", a-t-elle déclaré. "L'utilisation de compresseurs modulants dans les applications de pompes à chaleur contribue à la réalisation des objectifs de décarbonisation des bâtiments pour le chauffage et le refroidissement en aidant à réduire les émissions, ainsi que la consommation d'énergie."

OPTIONS CVC : Les compresseurs à vitesse variable sont souvent utilisés dans les pompes à chaleur, les unités de toit, les refroidisseurs et les systèmes géothermiques. (Avec l'aimable autorisation de LG Electronics Component Solution)

Les pompes à chaleur remplacent ou complètent également de plus en plus les équipements de chauffage à base de combustibles fossiles tels que les chaudières et les fours, ce qui peut réduire davantage les émissions de carbone d'un bâtiment. Les pompes à chaleur à vitesse variable visent spécifiquement à répondre aux besoins de chauffage des locaux en offrant une capacité supplémentaire par temps extrêmement froid lorsque la température extérieure tombe en dessous de zéro, a déclaré Jerry Edwards, responsable en partie de l'ingénierie des ventes chez LG Electronics Component Solution Business Team.

"La technologie à vitesse fixe ne peut pas s'adapter, donc lorsque les composants sont dimensionnés pour un refroidissement à haute température, ils sont effectivement sous-dimensionnés pour un chauffage à basse température", a-t-il déclaré. "La technologie à vitesse variable permet de compenser les deux extrémités du spectre, en réduisant la puissance du compresseur lorsque ce n'est pas nécessaire et en l'augmentant lorsque cela est nécessaire."

Les compresseurs à vitesse variable peuvent être utilisés dans une large gamme d'équipements CVC, y compris les pompes à chaleur, les unités de toit, les refroidisseurs et les systèmes géothermiques, mais les avantages de la technologie varient en fonction de l'application. Comme l'a noté Edwards, la technologie à vitesse variable est la plus logique dans les systèmes conçus pour fonctionner sur une large gamme de charges de compresseur et de capacités de sortie souhaitées.

"La capacité variable apporte des rendements plus élevés, des capacités potentiellement plus élevées et des niveaux sonores plus faibles lorsque la technologie est ce dont le système a besoin", a-t-il déclaré. "Si le système fonctionne à une gamme assez petite de charges/sorties, un compresseur à vitesse variable ne serait pas nécessaire et n'apporterait pas un avantage considérable. Il pourrait également être trop coûteux à utiliser dans de très grands systèmes, mais pour les pompes à chaleur résidentielles , les toits, etc., il pourrait y avoir des avantages à utiliser la technologie à vitesse variable. »

Les systèmes de compresseurs à vitesse variable coûtent également généralement plus cher que leurs homologues à vitesse fixe, mais comme ils offrent une efficacité énergétique supérieure, ils fourniront un coût total de possession inférieur si l'on considère les économies d'énergie à long terme, a déclaré Ford.

"Pour maximiser les économies de coûts, des conditions de charge variables sont nécessaires, et plus les conditions varient, plus les avantages sont importants", a-t-il déclaré. "Bien que ces conditions de charge variables soient généralement présentes dans la plupart des bâtiments, certaines applications ont des exigences de charge plus cohérentes, de sorte que l'utilisation de la technologie de compresseur à vitesse variable peut entraîner des temps de récupération plus longs."

Dans certains cas, des compresseurs à vitesse variable peuvent être installés dans des systèmes CVC existants pour améliorer l'efficacité énergétique. Cependant, il serait plus avantageux d'installer un nouveau système avec des compresseurs à vitesse variable, a déclaré Blakey, car il serait généralement plus efficace et produirait moins d'émissions de carbone qu'un système existant avec une modification à vitesse variable.

EFFICACITÉ AMÉLIORÉE : Dans certains cas, des compresseurs à vitesse variable peuvent être installés dans des systèmes CVC existants pour améliorer l'efficacité énergétique. (Avec l'aimable autorisation d'Emerson)

Lors de la modernisation d'un système avec des compresseurs à vitesse variable, la principale considération est le contrôle du compresseur, a déclaré Ford. En effet, contrairement aux compresseurs à vitesse fixe qui fonctionnent sur une base marche-arrêt, les compresseurs à vitesse variable nécessitent un signal ou un programme pour contrôler leur vitesse via un VFD ou un contrôleur de compresseur intégré.

"Il est également important de noter que tous les types de technologies de compresseurs à vitesse variable ne conviennent pas à la modernisation", a déclaré Ford. « Par exemple, la technologie de compresseur sans huile lancée par Danfoss avec les compresseurs Turbocor n'est pas recommandée pour la rénovation en raison des difficultés rencontrées pour éliminer complètement l'huile du système. Laisser de l'huile dans le système peut endommager ces types de compresseurs.

PAS DE RETROFIT : La mise à niveau des compresseurs Turbocor sans huile dans un système existant n'est pas recommandée en raison des défis liés à l'élimination complète de l'huile du système. (Avec l'aimable autorisation de Danfoss)

En plus d'économiser de l'énergie, les compresseurs à vitesse variable peuvent aider à améliorer la QAI et le confort en permettant des cycles de fonctionnement plus longs de l'équipement CVC, ce qui réduira l'humidité relative et les fluctuations de température, rendant l'espace intrinsèquement plus confortable, a déclaré Blakey.

"La baisse rapide de la température ambiante et l'ajustement rapide aux demandes sont des facteurs clés pour le confort des clients", a-t-elle déclaré. "Par exemple, les compresseurs scroll à modulation continue peuvent s'ajuster de 10 % à 100 % de capacité (ou vice versa) instantanément en faisant varier les durées relatives des temps de cycle chargés et déchargés. Cela signifie réagir aux changements de la demande du système beaucoup plus rapidement, sans avoir à passer par des changements de vitesse intermédiaires. Les compresseurs scroll modulants qui utilisent la technologie numérique offrent également des contrôles et une protection améliorés ainsi qu'un contrôle plus strict de l'humidité.

Les systèmes à vitesse variable adaptent essentiellement leur rendement à la demande de l'espace conditionné, ce qui conduit à un contrôle plus strict de la température intérieure, a déclaré Edwards. De plus, les systèmes à vitesse variable peuvent être conçus pour fonctionner spécifiquement pour la déshumidification, qui peut être une variable clé dans la définition du confort d'un espace intérieur.

"La déshumidification nécessite d'ajuster la vitesse du compresseur et le débit d'air intérieur pour éliminer principalement l'humidité au lieu de refroidir principalement l'espace, ce que les systèmes à vitesse fixe ne peuvent pas faire", a-t-il déclaré. "Un système à vitesse fixe fournit une déshumidification comme effet secondaire du refroidissement de l'espace, et lorsque les conditions ambiantes sont douces, la déshumidification peut pratiquement être négligeable. Un système à vitesse variable peut apporter une amélioration marquée dans ces climats plus doux."

Un autre avantage est la longévité. Les technologies traditionnelles de compresseurs à vitesse fixe qui s'allument et s'éteignent fréquemment peuvent subir une usure excessive de leurs composants. Cela est particulièrement vrai pour les compresseurs à base d'huile, a déclaré Ford.

"En réduisant le nombre de démarrages et d'arrêts, les systèmes à vitesse variable peuvent aider à prolonger la durée de vie du compresseur et d'autres composants, ce qui permet aux propriétaires de bâtiments et aux utilisateurs finaux d'économiser de l'argent sur les coûts de maintenance et de remplacement", a-t-il déclaré.

Edwards a ajouté que les niveaux sonores sont également plus faibles avec les systèmes à vitesse variable, car la plupart des composants intérieurs et extérieurs, y compris les compresseurs, les moteurs et les ventilateurs, sont plus silencieux lorsqu'ils fonctionnent à des vitesses inférieures.

Les compresseurs à vitesse variable sont également utilisés dans les applications de réfrigération commerciale, où ils peuvent s'attaquer efficacement à deux composants essentiels de la durabilité : l'efficacité énergétique et la transition vers des réfrigérants à faible GWP, a déclaré Joe Summers, chef de produit senior des scrolls et des entraînements pour l'activité Climate Technologies d'Emerson. .

"Par rapport aux compresseurs à vitesse fixe, la technologie de compression à vitesse variable offre généralement des améliorations d'efficacité énergétique de 20 à 30 % dans les applications de réfrigération", a-t-il déclaré. "Les compresseurs à vitesse variable sont également qualifiés pour une utilisation avec des réfrigérants alternatifs à faible GWP, tels que le CO2, le R-290 et les réfrigérants A2L émergents. Parce que les compresseurs à vitesse variable peuvent fonctionner à deux fois la vitesse de leurs homologues à vitesse fixe - ainsi doubler le débit massique du réfrigérant - ils peuvent produire jusqu'à deux fois la capacité de refroidissement du compresseur en utilisant des charges plus petites d'alternatives à faible GWP.Cela signifie qu'un compresseur à vitesse variable R-290 ou A2L à faible charge pourrait potentiellement fournir la même capacité que deux fixes -des modèles de vitesse, éliminant le besoin de plusieurs circuits de réfrigération dans certains cas et, à son tour, réduisant les coûts appliqués et l'empreinte de l'équipement. »

L'intégration de la technologie à vitesse variable dans les systèmes de réfrigération commerciaux offre également d'autres avantages, a déclaré Summers, tels que la réduction du cycle du compresseur jusqu'à 90 % par rapport aux modèles à vitesse fixe ; éliminer l'usure excessive du compresseur ; réduire les dépenses d'entretien ; prolonger la durée de vie de l'équipement; et fonctionnant plus silencieusement.

"L'objectif des compresseurs à vitesse variable est de fonctionner à la vitesse la plus basse possible pendant la durée la plus longue possible. L'un des avantages opérationnels de cela est l'amélioration de la qualité sonore et des harmoniques du compresseur", a-t-il déclaré. "Non seulement le fonctionnement continu à basse vitesse est plus silencieux qu'un compresseur fixe à vitesse unique, mais les sons du cycle du compresseur Copeland sont remplacés par un bourdonnement constant qui devient un bruit blanc presque imperceptible."

Les compresseurs à vitesse variable permettent une adaptation précise de la charge et un meilleur contrôle de la température et peuvent être utilisés dans une large gamme d'applications de réfrigération commerciale à basse et moyenne température, y compris les unités autonomes accessibles ; unités de condensation à distance ; packs de défilement distribués ; et les rénovations de racks. Ils peuvent également être utilisés dans les applications neuves et de rénovation, cependant, Summers prévient qu'il existe des situations de rénovation où un compresseur sous-dimensionné peut ne jamais être en mesure de fonctionner à la capacité de charge partielle (c'est-à-dire toute capacité autre que la pleine), ce qui irait à l'encontre du le but d'utiliser la technologie à vitesse variable.

Lorsque cela a du sens, cependant, la modernisation d'un compresseur à vitesse variable dans un rack de compresseur à vitesse fixe existant peut être un moyen efficace de permettre une modulation à capacité variable, a déclaré Summers. Il a déclaré que cette stratégie consiste à remplacer un compresseur vieillissant par un compresseur à vitesse variable pour servir de compresseur principal dans le rack.

"Il est également possible d'appliquer simplement un VFD à un compresseur à vitesse fixe et de le configurer pour qu'il fonctionne avec la pression d'aspiration du compresseur ou de le lier à une commande de système de réfrigération", a-t-il déclaré. "Le contrôle de supervision E3 d'Emerson, par exemple, dispose d'une programmation native pour prendre en charge ces types d'installations, et même les contrôleurs hérités tels que le contrôle E2 peuvent facilement être mis à jour avec les informations nécessaires pour maximiser les avantages d'un compresseur à vitesse variable dans un scénario de rénovation."

Avec un nombre croissant d'utilisateurs finaux axés sur la réalisation des objectifs de durabilité et de décarbonisation, le besoin de systèmes mécaniques écoénergétiques ne fera que croître. La technologie à vitesse variable offre une solution viable à ce défi en permettant aux équipements HVACR de fonctionner plus efficacement et avec plus de précision, ce qui entraîne une consommation d'énergie réduite et des émissions de carbone inférieures. Par conséquent, l'avenir des équipements HVACR semble être de plus en plus lié à la technologie à vitesse variable.

Joanna Turpin est rédactrice en chef. Elle peut être contactée au 248-786-1707 ou [email protected]. Joanna travaille chez BNP Média depuis 1991, où elle a d'abord dirigé la division des livres techniques de l'entreprise. Elle a obtenu son baccalauréat en anglais de l'Université de Washington et a travaillé sur sa maîtrise en communication technique à l'Eastern Michigan University.