Systèmes de refroidissement
Polysun propose deux modèles appareil frigorifique différents :
Refroidisseurs à compression et appareils frigorifiques à énergie thermique. Les opérations respectives de ces machines sont représentées sur les figures suivantes. Comme on peut le constater, la principale différence entre les deux machines est que le compresseur du modèle à compression est remplacé dans l’appareil frigorifique à énergie thermique par un absorbeur, une pompe et un générateur, ce qui signifie que ce dernier a une consommation électrique inférieure à celle de l’autre cycle. Un autre avantage des appareils frigorifiques à énergie thermique est que l’énergie thermique peut être utilisée comme l’énergie solaire à une température moyenne à élevée, même avec une très bonne adéquation entre le rayonnement solaire disponible et le besoin en énergie de refroidissement en été. Cependant, les appareils frigorifiques à énergie thermique ont un coefficient de performance inférieur à celui des refroidisseurs à compression.
Refroidissement à compression
Le refroidissement à compression peut être simulé en utilisant les pompes à chaleur eau-eau avec quatre raccords. La Figure suivante montre trois options qui peuvent être sélectionnées dans le menu. Comme pour le modèle classique de pompe à chaleur, la puissance frigorifique et la consommation électrique sont calculées par interpolation linéaire des points mesurés.
La Figure suivante explique un modèle inclus dans Polysun où le chauffage, l’eau chaude et le besoin en énergie de refroidissement peuvent être simulés par la pompe à chaleur en mode chauffage et refroidissement. La sonde géothermique est utilisée comme une source d’énergie thermique à basse température en mode chauffage et comme un absorbeur d’énergie en mode refroidissement. Les valeurs de mauvais fonctionnement de la pression ont également été saisies pour le mode refroidissement.
Appareils frigorifiques
Le modèle d’appareil frigorifique à énergie thermique dans Polysun est basé sur le principe du refroidissement par absorption. Diverses méthodes théoriques ou empiriques ont été proposées par les scientifiques pour développer des modèles de refroidisseurs à absorption et simuler les processus. Une solution analytique pour les équations essentielles des refroidisseurs à absorption fermés à un niveau a été proposée par Kim, entre autres, et est utilisée dans Polysun. Le principal avantage de ce modèle est qu’il peut fournir une simulation rapide d’un système de réfrigération par absorption avec des informations minimales sur les fluides caloporteurs et les états opérationnels. Le modèle est basé sur la définition de l’efficacité des échangeurs thermiques, l’équation de Dühring et les principes thermodynamiques des principaux composants. Le refroidisseur à absorption possède trois paires de raccords qui permettent l’échange de chaleur entre la source d’énergie de chauffage, l’absorbeur d’énergie et le côté refroidissement. Les symboles du refroidisseur à absorption et de la tour de refroidissement (un absorbeur d’énergie qui dissipe la chaleur du condensateur du refroidisseur à absorption dans l’environnement en faisant circuler l’eau de refroidissement) sont illustrés à la figure suivante.
Différentes configurations de systèmes de refroidissement par absorption peuvent être simulées avec Polysun. Par exemple, l’un de ces systèmes est illustré à la figure suivante, dans lequel des capteurs solaires thermiques et une chaudière à gaz sont utilisés pour couvrir le besoin en énergie de chauffage en hiver et le besoin en énergie de refroidissement en été à l’aide d’un appareil frigorifique à absorption. De même, le besoin en eau chaude est couvert toute l’année par un tel système. Dans ce système, une tour de refroidissement à évaporation est utilisée, mais elle peut être remplacée par une tour de refroidissement à sec, une sonde géothermique ou une piscine. Deux réservoirs de chauffage et d’eau chaude séparés sont représentés dans ce modèle.
Les appareils frigorifiques à absorption et adsorption
Le fonctionnement d’un appareil à absorption avec six raccords est illustré à la figure suivante. L’appareil frigorifique est connecté à trois domaines de fluide, le domaine d’eau de chauffage (côté gauche, raccords rouges), le domaine d’eau de refroidissement (côté supérieur, raccords roses) et le domaine d’eau froide (côté droit, raccords bleus). Les principaux paramètres variables des appareils frigorifiques sont les températures d’entrée de l’eau de chauffage, de l’eau de refroidissement et de l’eau froide, ainsi que les débits. Les paramètres constants du modèle sont les valeurs d’efficacité de l’absorbeur, du condensateur, de l’évaporateur, du générateur et de l’échangeur thermique de la solution, ainsi que le débit de la solution à l’intérieur de la machine. Ces valeurs sont spécifiées dans le catalogue d’appareils frigorifiques à absorption. Par conséquent, si nécessaire, les paramètres constants doivent être soigneusement modifiés conformément aux instructions du fabricant d’appareils frigorifiques à absorption. Les appareils frigorifiques à absorption peuvent être connectés à différentes sources de chaleur telles que des capteurs solaires thermiques, des absorbeurs d’énergie tels que des tours de refroidissement à évaporation/sec, des piscines et des sondes géothermiques, ainsi que des charges telles que des ventilateurs, des plafonds froids, etc.
Diverses combinaisons de réfrigérant/solution telles que eau/LiBr, ammoniac/eau, eau/LiCl, eau/Ca Cl2 peuvent être définies dans le catalogue. Les températures de l’eau et les débits de conception peuvent également être définis. Les quatre valeurs de mauvais fonctionnement de la température, telles que le mauvais fonctionnement à cause de la température élevée, le mauvais fonctionnement à cause de la température basse, le mauvais fonctionnement à cause de la température élevée du générateur et le mauvais fonctionnement à cause de la température basse de l’eau froide, ont été implémentées et peuvent être définies par l’utilisateur. Ces températures permettent d’éviter des conditions de fonctionnement anormales telles que des phénomènes de glace ou une puissance de travail très faible d’appareil frigorifique. Dès qu’une ou plusieurs de ces températures apparaissent en cours de fonctionnement, l’appareil frigorifique s’arrête automatiquement pour un certain temps, qui peut être réglé par l’utilisateur. Tous les paramètres de contrôle ci-dessus doivent être réglés conformément aux instructions du fabricant.
Le déroulement typique du programme des calculs de transfert d’énergie du modèle d’appareil frigorifique à absorption et les critères de réglage des différents états opérationnels sont présentés à la figure suivante. Il est important que les réglages appropriés soient utilisés pour l’appareil frigorifique et les circuits raccordés. Les critères de réglage respectifs doivent être définis dans les réglages eux-mêmes en relation avec le concept de refroidissement. Il est recommandé de lire les info-bulles respectives sur les entrées et les sorties des régulateurs.
Tours de refroidissement
Comme décrit ci-dessus, différentes tours de refroidissement peuvent être raccordées au appareil frigorifique comme absorbeurs d’énergie. La figure suivante montre la boîte de dialogue « tour de refroidissement à évaporation » ou « tour de refroidissement par évaporation ». Les tours de refroidissement utilisent le principe de l’évaporation ou du refroidissement par « bulbe humide » pour évacuer la chaleur. Les principaux avantages par rapport aux échangeurs thermiques classiques sont les suivants :
- Ils peuvent atteindre des températures de l’eau inférieures à celles de l’air utilisé pour le refroidissement.
- Ils sont plus petits et moins chers pour une même charge frigorifique.
Le principal inconvénient des tours de refroidissement est qu’elles doivent faire l’objet d’un entretien régulier pour éviter le risque de contamination de l’eau et la présence d’organismes aquatiques tels que les légionelles.
Il existe deux types de tours de refroidissement : avec ventilation par aspiration et avec ventilation naturelle. Néanmoins, le principe de base du fonctionnement est le même dans les deux cas. Dans Polysun, il s’agit de la ventilation par aspiration.
Le modèle est basé sur une puissance frigorifique constante en tenant compte du bilan énergétique, du bilan massique et du rapport de diffusion massique du volume croissant. Les équations différentielles associées sont simplifiées en utilisant le modèle d’approximation de l’efficacité et l’hypothèse de Merkel, qui ignore l’effet de la perte d’eau par évaporation. En outre, les conditions suivantes sont supposées :
- Conductibilité thermique et de masse uniquement dans la direction normale du débit.
- Conductibilité thermique et de masse négligeable à travers les parois de la tour dans l’environnement.
- Conductibilité thermique négligeable entre les ventilateurs de la tour de refroidissement et les débits d’air ou d’eau.
- Température constante dans le débit d’eau à chaque interface.
- Section transversale constante de la tour.
Pour obtenir des résultats précis, il est important de choisir ou d’entrer la bonne tour de refroidissement, en fonction de la dimension d’appareil frigorifique à absorption. En règle générale, la capacité de refroidissement d’une tour de refroidissement est presque le double de la capacité de refroidissement d’appareil frigorifique à absorption qui y est raccordé. Normalement, les tours de refroidissement sont déterminées par la capacité de refroidissement de conception, le débit d’eau de conception, le volume d’air de conception, la température d’entrée et de sortie d’eau de conception et la température d’approche de conception.Les deux points les plus cruciaux pour les performances d’une tour de refroidissement sont la température d’approche et l’efficacité thermique.
La températur d’approche : Température de sortie de l’eau de refroidissement – Température humide de l’entrée d’air
L’éfficacité thermique : Température d’entrée de l’eau de refroidissement – Température de sortie de l’eau de refroidissement / Température d’entrée de l’eau de refroidissement – Température humide de l’entrée d’air * 100 (%)
On peut observer que l’efficacité thermique augmente lorsque la température de sortie de l’eau de refroidissement atteint la température humide de l’entrée d’air. En d’autres termes, des températures d’approche plus basses signifient une meilleure efficacité thermique. La température d’approche généralement acceptable est supérieure à 2. Comme on peut le voir sur la figure suivante, il est possible d’utiliser un ventilateur à vitesse variable. Cela aurait l’avantage de réduire la consommation des ventilateurs en chargement partiel.
Validation
La validation est une étape importante dans le développement d’un modèle. Un ensemble de puissances frigorifiques mesurées d’un appareil frigorifique à absorption existant a été comparé aux résultats de simulation calculés avec le modèle implémenté dans Polysun. Les données de conception de l’appareil sont listées dans le tableau suivant :
Tableau: Données de projet d’appareil frigorifique à absorption
| Type d’appareil frigorifique à absorption | À étage unique, Réfrigérant/Solution: Eau/LiBr |
| Puissance de l’étude refroidissement (kW) | 35,14 |
| COP de l’étude refroidissement | 0,65 |
| Température d’entrée/de sortie d’étude eau froide (°C) | 12,5/7 |
| Débit d’étude eau froide (l/hr) | 5496,4 |
| Température d’entrée d’étude eau de refroidissement (°C) | 31 |
| Débit d’étude eau de refroidissement (l/hr) | 18351,7 |
| Température d’entrée d’étude eau chaude (°C) | 88 |
| Débit d’étude eau chaude (l/hr) | 8630,7 |
La figure suivante montre un bon rapport entre la puissance mesurée et calculée à différentes températures d’entrée de l’eau de chauffage et de l’eau de refroidissement.
