Applications de réfrigération et types de réfrigérants

Dans un contexte de baisse des valeurs de PRG due aux réductions progressives et de renforcement des exigences en matière d'efficacité énergétique (normes MEPS, Minimum Efficiency Performance Standards, normes minimales de rendement énergétique), les professionnels du secteur HVAC-R veilleront à utiliser des composants permettant la charge la plus faible possible et des technologies ayant le meilleur rapport coût/performance pour un type de réfrigérant donné.

En savoir plus sur les applications importantes :

Refroidisseurs

Les refroidisseurs sont généralement divisés en deux catégories pour ce qui est des réfrigérants : les modèles à basse/moyenne pression (B/M) et les modèles à moyenne/haute pression (M/H). Les refroidisseurs B/M peuvent fonctionner avec des HFO purs (R1233zd et R1234ze), pour un PRG quasi nul. Leur potentiel d'inflammabilité est très faible et maîtrisable, surtout lorsque les systèmes sont installés en extérieur ou en salle des machines. À court et moyen terme, ce type de systèmes devrait adopter des réfrigérants à très faible PRG. Le PRG maximum pour les grands refroidisseurs B/M pourrait descendre à 630, soit celui du mélange HFO R513A, figurant sur la liste EPA-SNAP de juillet 2015 (le R134a disparaîtra quant à lui de cette liste en 2024).

Pour les refroidisseurs M/H, les solutions alternatives à PRG moyen offrent des valeurs allant de 125 à 750, mais l'inflammabilité de niveau A2L peut susciter certaines réserves, même si elle reste acceptable pour les systèmes installés en extérieur ou en salle des machines. Le marché s'orientera probablement vers des fluides offrant un équilibre optimal entre coûts et performances. Nous prévoyons que le choix se portera sur des réfrigérants à haute densité/haute pression avec un PRG d'environ 500-750.

Systèmes VRF

Les systèmes VRF utilisent des quantités relativement importantes de fluide frigorigène par unité comparé aux systèmes canalisés en raison de leurs évaporateurs décentralisés et de la tuyauterie qui y est reliée. La réduction de la taille des tubes nécessite des réfrigérants de densité moyenne à élevée ; les seules solutions alternatives au R410A sont alors les réfrigérants A2L comme le R32 ou le DR55.

L'utilisation des réfrigérants A2L est étroitement liée aux normes de sécurité comme EN378 et ISO5149, qui en ont considérablement augmenté les quantités autorisées dans leurs dernières éditions. Le groupe de travail ASHRAE15 se penche également sur le futur besoin de réfrigérants à faible PRG. Mais si ces normes de sécurité sont indispensables, elles ne sauraient suffire. De nombreuses réglementations locales de lutte contre les incendies ont constitué de sérieux obstacles à l'utilisation de réfrigérants A2L. Des fluides de substitution innovants pour la circulation sont en développement constant ; l'eau est un choix évident pour la circulation et même le CO₂ a été proposé. La récente réduction progressive des HFC en vertu du Protocole de Montréal a par ailleurs obligé à identifier les possibilités et les risques associés à l'utilisation de réfrigérants A2L. La voie à suivre pour le choix des réfrigérants pour systèmes VRF devrait se dessiner plus clairement au cours des années à venir.

Réfrigération industrielle

Au premier abord, la réfrigération industrielle (RI) semble ne présenter aucune difficulté pour les réfrigérants à faible PRG. Pourtant, nous voyons toujours dans ce secteur de potentiels écueils, mais aussi matière à innover. Le NH₃ (l'ammoniac) est depuis longtemps le réfrigérant de prédilection dans la RI en raison de son excellente efficacité et il continue d'être utilisé à mesure que la demande de réfrigérants durables augmente. Les préoccupations liées à l'innocuité pourraient toutefois limiter le succès du NH₃. Il s'agit en effet d'une substance toxique. De graves accidents sont survenus au cours de la dernière décennie et notre industrie en a tiré de précieux enseignements ; nous savons désormais que nous devons éviter les charges élevées et planifier soigneusement l'emplacement des installations les plus grandes. Cela a permis à la RI de trouver de nouveaux moyens innovants de réduire la taille des charges. Une solution pour diminuer la taille des charges tout en augmentant l'efficacité consiste à associer le NH₃ et le CO₂ : le CO₂ joue le rôle de vecteur thermique et circule à l'intérieur des installations de stockage les plus grandes.

Réfrigération commerciale et alimentation au détail

Les applications de réfrigération commerciale et d'alimentation au détail utilisent des systèmes et réfrigérants très divers. Citons par exemple les chambres froides, les distributeurs de boissons et produits frais, et les vitrines réfrigérées et îlots centraux, dans des systèmes centralisés ou intégrés – des circuits de refroidissement autonomes ou hermétiques avec groupes de condensation. 

Les applications de réfrigération commerciale et d'alimentation au détail sont regroupées en trois grandes catégories. 

En raison des faibles charges utilisées, les applications scellées hermétiquement sont considérées comme sûres et sont particulièrement adaptées aux réfrigérants à faible PRG. Nombre de ces systèmes utilisent déjà des hydrocarbures comme le R600a et le R290. Les restrictions imposées par l'UE exigent des valeurs de PRG inférieures à 150 depuis 2016.

La charge de réfrigérant des groupes de condensation est généralement comprise entre 5 et 20 kg et la sécurité en matière d'inflammabilité est impérative car ces systèmes sont souvent accessibles au public.

Les réfrigérants à PRG élevé comme le R404A sont utilisés depuis de nombreuses années, mais les nouveaux HFC de substitution classés A1 ont un PRG inférieur à 60 % de celui du R404A. L'impact sur la plage de fonctionnement de températures de refoulement plus élevées du compresseur et l'incidence du glissement du réfrigérant sur l'efficacité du refroidissement posent toutefois problème. Nous pensons que le marché passera rapidement à un niveau moyen de PRG d'environ 1 500, puis prendra le temps de rechercher d'autres solutions à PRG plus faible comme le CO₂, le R290 (hydrocarbures) ou les mélanges HFO.

Les systèmes DX centralisés sont de loin les plus gros consommateurs de réfrigérant en raison de la grande taille de leurs charges et de leur taux de fuite élevé. On estime ainsi qu'ils utilisent plus de 40 % de la quantité de fluide frigorigène totale de référence recommandée dans le cadre de l'élimination progressive dans l'UE. Le CO₂ est devenu ces dix dernières années un réfrigérant viable pouvant être utilisé dans diverses configurations de système :

  • Des systèmes transcritiques dans lesquels le CO₂ est utilisé dans tous les circuits (MT et BT). Les systèmes transcritiques au CO₂ ont également favorisé le développement des systèmes intégrés de chauffage et de refroidissement, liant le choix du réfrigérant au type de système.
  • Des systèmes indirects dans lesquels un rack de type refroidisseur utilisant des HFC, des HC ou du NH₃ refroidit le CO₂ dans un récepteur, qui circule ensuite dans le circuit MT pour le refroidir. Le CO₂ concerne également la BT ; il se condense alors soit directement dans le refroidisseur sur le dessus, soit dans le circuit MT de CO₂. 
  • Des systèmes en cascade où le CO₂ est utilisé uniquement dans le circuit BT et cascadé dans le circuit MT utilisant le HFC. Ce type de système utilise encore environ 80 % du fluide frigorigène HFC consommé par un système traditionnel.

La situation géographique influe sur l'efficacité énergétique de tout système en raison de la température ambiante extérieure. Les systèmes transcritiques au CO₂ sont réputés pour leur extrême sensibilité aux températures extérieures. Les dernières innovations dans les technologies d'injection ont toutefois permis d'augmenter considérablement l'efficacité des systèmes au CO₂, même dans des climats très chauds, et nous prévoyons leur percée sur le marché au cours des prochaines années.

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