Quels sont les types de systèmes d'eau glacée pour la réfrigération et la climatisation ?

En tant que composante essentielle des systèmes de climatisation centralisée des bâtiments, une conception raisonnable et un contrôle précis des systèmes d'eau glacée peuvent améliorer considérablement l'efficacité énergétique.

Avec le développement des technologies d'économie d'énergie, les systèmes d'eau glacée sont passés des modes de débit constant traditionnels aux systèmes à débit variable intelligents, permettant ainsi des économies d'énergie tout en répondant aux demandes de charge dynamiques.

La conception des systèmes de climatisation centrale à eau glacée s'articule toujours autour de deux objectifs principaux : l'adéquation à la charge et l'optimisation de la consommation d'énergie.

Actuellement, trois systèmes principaux dominent le marché des systèmes de climatisation centralisée : pompe primaire à débit constant, pompe secondaire à débit variable et pompe primaire à débit variable. Leurs principales différences résident dans les méthodes de régulation du débit et l’efficacité énergétique.

1. Système de pompe primaire à débit constant

Le système à débit constant par pompe primaire est la première forme répandue de système d'eau glacée. Sa principale caractéristique est le maintien d'un débit constant côté évaporateur grâce à des pompes à vitesse fixe, s'adaptant aux fluctuations de la charge terminale uniquement par des variations de la différence de température entre l'eau d'alimentation et l'eau de retour.

Le système comprend des groupes frigorifiques, des circulateurs à vitesse fixe et des conduites de dérivation. Les groupes d'eau glacée sont associés directement aux pompes, et une vanne de dérivation à pression différentielle entre les conduites d'alimentation et de retour principales compense les variations de débit. Lorsque la charge diminue, le débit excédentaire est renvoyé par la conduite de dérivation afin de garantir un débit constant à l'évaporateur et d'éviter tout risque de gel.

Un point essentiel de la conception de ce système réside dans l'adéquation des paramètres entre la conduite de dérivation et la vanne de dérivation à pression différentielle. Le débit nominal doit correspondre au débit d'une seule unité de production d'eau glacée afin de supporter les variations de charge extrêmes.

La logique de démarrage de l'unité est basée sur l'écart de température de l'eau d'alimentation (dépassement de la valeur définie pendant 10 à 15 minutes consécutives), tandis que l'arrêt de l'unité est déclenché lorsque le débit de dérivation atteint 110 % à 120 % du débit d'une seule unité pendant 10 à 20 minutes consécutives.

Ce type de système présente des limitations importantes : les pompes fonctionnent en permanence à leur débit nominal. Même lorsque la charge du terminal chute à 40 %, la consommation d’énergie reste à pleine charge, ce qui entraîne un gaspillage énergétique caractérisé par un débit élevé et une faible différence de température. Par conséquent, il ne convient qu’aux petits systèmes de climatisation ou aux applications présentant des fluctuations de charge minimales.

2. Système de pompe secondaire à débit variable

Pour remédier aux problèmes de consommation d'énergie du système à débit constant de la pompe primaire, le système à débit variable de la pompe secondaire permet de réaliser des économies d'énergie grâce à une conception segmentée de « débit constant côté source froide + débit variable côté charge ».

Le système est divisé en un circuit primaire (côté source froide) et un circuit secondaire (côté charge). Les pompes primaires maintiennent un débit d'évaporation constant, tandis que les pompes secondaires, à fréquence variable, sont reliées aux deux circuits par une conduite d'équilibrage. Lorsque le débit côté charge varie, le sens de circulation de l'eau dans la conduite d'équilibrage s'inverse afin de garantir le fonctionnement stable du circuit côté source froide.

Lors de la conception, la hauteur manométrique des pompes primaires doit surmonter la résistance de l'évaporateur au tuyau d'équilibrage, tandis que les pompes secondaires doivent compenser la résistance de la boucle la plus défavorable du côté de la charge.

Le démarrage et l'arrêt de l'unité calculent la charge totale grâce aux capteurs de température et de débit d'eau d'alimentation et de retour. Lorsque la charge totale dépasse la capacité actuelle de l'unité, le démarrage est lancé ; sinon, l'arrêt est effectué selon le principe que « la capacité restante suffit à la demande ». Les pompes secondaires utilisent une régulation de pression différentielle constante pour adapter le débit aux besoins terminaux en ajustant leur vitesse de rotation.

Comparativement au système à débit constant de la pompe primaire, la consommation énergétique du système à pompe secondaire est réduite de 30 à 50 %. Toutefois, il présente toujours un problème de consommation énergétique non optimisée côté source froide, ainsi qu'une structure complexe, une grande surface au sol et une difficulté de contrôle élevée. Il convient aux applications de refroidissement urbain dans les grands ensembles immobiliers.

3. Système de débit variable de la pompe primaire

Le système à débit variable de la pompe primaire est une conception de nouvelle génération, fruit d'avancées majeures dans la technologie de fabrication des groupes frigorifiques. Ce système de production d'eau glacée convient également aux chambres froides à haute efficacité énergétique. Son innovation principale réside dans l'obtention de débits variables synchronisés, tant côté évaporateur que côté charge.

Le système remplace les pompes à vitesse fixe par des pompes à fréquence variable et est associé à des unités d'eau glacée à débit variable, permettant un réglage continu du débit de l'évaporateur dans une plage de 15 % à 100 %, éliminant ainsi fondamentalement le gaspillage d'énergie causé par les « débits élevés ».

1)Le système comprend trois composantes clés :

Groupes de production d'eau glacée à débit variable : le taux de variation de débit admissible et la plage de fonctionnement de leurs évaporateurs déterminent directement les performances du système. Les groupes de haute qualité maintiennent une température d'eau de sortie stable malgré les fluctuations de débit.

Dispositif de dérivation : Lorsque le débit terminal est inférieur au débit minimal autorisé de l’unité, la vanne de dérivation s’ouvre pour assurer la sécurité de l’évaporateur.

Pompes à fréquence variable : aucune correspondance directe avec les unités n’est requise ; la vitesse de rotation est ajustée par des signaux de pression différentielle provenant de la boucle la plus défavorable.

Lors de la conception, le choix de la pompe doit correspondre à la résistance totale de la boucle la plus défavorable du système, et le débit du tuyau de dérivation est fixé en fonction du débit minimal admissible d'une seule unité.

La logique de démarrage de l'unité est basée sur le courant de fonctionnement du compresseur (dépassant 90 % de la valeur nominale pendant 10 à 15 minutes consécutives), tandis que l'arrêt est déclenché par le calcul du courant moyen (valeur moyenne inférieure à 80 % de la valeur nominale).

En éliminant les pompes secondaires, la structure du système peut être simplifiée de 30 %, la surface au sol réduite de 20 % et la consommation énergétique globale diminuée de 40 à 60 % par rapport au système à débit constant avec pompe primaire, ce qui en fait actuellement la solution privilégiée pour les grands bâtiments publics.

Technologies de contrôle de base du système à débit variable de la pompe primaire

Les avantages en matière d'économie d'énergie du système à débit variable de la pompe primaire reposent sur des stratégies de contrôle efficaces. Les principales technologies de contrôle actuelles se concentrent sur deux paramètres clés : la différence de température et la pression différentielle, permettant ainsi d'adapter la charge et d'assurer la stabilité du système grâce à un ajustement dynamique.

2) Contrôle de la différence de température

La régulation par différence de température assure l'adéquation entre le débit et la charge en maintenant une différence de température stable entre l'eau d'alimentation et l'eau de retour. Son effet théorique d'économie d'énergie est supérieur à celui de la régulation par pression différentielle, mais elle exige une répartition de charge plus uniforme sur le réseau de canalisations.

Des études ont montré que lorsque des vannes de régulation marche/arrêt sont installées aux terminaux, l'applicabilité du contrôle de la différence de température dépend de deux points : premièrement, une répartition uniforme de la charge du réseau de canalisations, et deuxièmement, des modèles de variation de charge similaires entre les différents utilisateurs.

Dans les scénarios avec une répartition de charge uniforme (comme les salles de données), le degré de déséquilibre hydraulique de chaque branche peut être contrôlé à ±10% près, et les fluctuations de température et d'humidité intérieures répondent aux exigences de confort (variation de température sèche ≤1℃, fluctuation d'humidité relative ≤0,5%).

Cependant, en cas de répartition concentrée de la charge, une surintensité peut se produire dans les branches à faible charge, entraînant un déséquilibre hydraulique important.

La régulation par différence de température variable constitue une autre voie d'optimisation. La méthode traditionnelle, qui consiste à régler les différences de température par segments en fonction de la charge totale, présente des inconvénients : à faible charge, la capacité de déshumidification du refroidisseur de surface diminue, entraînant des fluctuations excessives de l'humidité intérieure. Le schéma amélioré propose de privilégier la capacité de déshumidification et la température sèche, en utilisant le coefficient de déshumidification ξ comme paramètre connu, et en autorisant des fluctuations d'humidité appropriées pour garantir la stabilité de la température.

3) Contrôle de la pression différentielle

La différence de pression entre l'eau d'alimentation et l'eau de retour est un paramètre essentiel qui garantit l'équilibre hydraulique du système. Le système de débit variable de la pompe principale utilise un régulateur PID (Proportionnel-Intégral-Dérivé) qui corrige les erreurs du système par trois méthodes de contrôle (proportionnel, intégral et dérivé) afin d'obtenir une régulation précise.

Suzhou Pharma Machinery Co., Ltd.

2026/03/04

Gino