Ammoniac

L'Electric Power Research Institute (EPRI) basé aux États-Unis a découvert que le remplacement d'un système de climatisation hydronique traditionnel par un refroidisseur à faible charge d'ammoniac (R717) et une boucle de convection au CO2 (R744) peut réduire les coûts, la consommation d'énergie et les émissions de gaz à effet de serre.

EPRI s'est associé à la société de services publics Southern California Edison (SCE) et au fabricant japonais HVAC&R Mayekawa pour développer un prototype et tester le concept. Les résultats de l'étude - "Développement et évaluation de la compression de vapeur d'ammoniac couplée à une boucle de convection de CO2" - ont été présentés par Ron Domitrovic, responsable de programme à l'EPRI lors de la 14e conférence sur les pompes à chaleur de l'IEA à Chicago, du 15 au 18 mai.

Selon l'étude, le concept s'est avéré techniquement faisable, la « maniabilité du système » ayant été démontrée avec succès.

Poussée par les restrictions croissantes sur les réfrigérants synthétiques, la recherche de l'EPRI s'est concentrée sur la façon dont les réfrigérants naturels – en particulier l'ammoniac et le CO2 – pourraient être utilisés dans les applications de climatisation commerciales.

"Nous cherchions spécifiquement à remplacer les refroidisseurs qui utilisent des réfrigérants traditionnels et [les systèmes de boucle d'eau] dans les grands bâtiments pour la climatisation", a expliqué Domitrovic. "L'idée était d'imiter ce qui se fait parfois dans les systèmes de supermarchés où vous pourriez avoir un refroidisseur d'ammoniac couplé à un système de distribution de CO2."

"L'idée était d'imiter ce qui se fait parfois dans les systèmes de supermarchés où vous pourriez avoir un refroidisseur d'ammoniac couplé à un système de distribution de CO2."

Il a noté que pour une utilisation dans cette application, l'équipe du projet examinait une pression élevée et des températures pour la boucle de CO2, car ces systèmes sont généralement utilisés pour des températures beaucoup plus basses.

Le système de climatisation prototype, qui a été développé et testé dans le laboratoire d'EPRI à Knoxville, Tennessee, comprend un refroidisseur d'ammoniac Mayekawa de 28 kW (8TR) pour la compression de vapeur, une boucle de convection au CO2 et trois unités intérieures de traitement d'air à distance (AHU).

Selon Domitrovic, le refroidisseur standard a été adapté avec un échangeur de chaleur pour assurer la compatibilité avec le refroidissement au CO2 plutôt qu'à l'eau.

Comme le système est le premier du genre, tous les composants n'étaient pas facilement disponibles, a-t-il expliqué.

"Il n'y avait pas de détendeurs appropriés, nous avons donc utilisé des vannes à pointeau à la place", a-t-il déclaré. "Nous avions également une confiance limitée dans la capacité de pomper du CO2 dans ces conditions, mais nous avons trouvé une pompe [à basse température] que nous pensions également appropriée pour la température et la pression plus élevées."

Des bobines spéciales ont également été fabriquées pour les AHU pour s'adapter à la climatisation au CO2, a-t-il ajouté.

Du point de vue de la sécurité, la faible charge de réfrigérant - moins de 130 g d'ammoniac par kW de capacité de refroidissement (1 lb/TR) - combinée au fait que le refroidisseur a été installé à l'extérieur contribue à limiter le risque de fuite d'ammoniac, a déclaré Domitrovic.

La boucle de CO2 fonctionne à 31-38 bars (450-550 psi), et des techniques ont été utilisées pour garantir que le système puisse résister à des pressions beaucoup plus élevées, a-t-il ajouté.

"C'est un système relativement simple et relativement facile à installer", a déclaré Domitrovic.

Par rapport à un système traditionnel de refroidisseur et de boucle d'eau, l'utilisation d'un refroidisseur à base d'ammoniac et d'une boucle de convection au CO2 offre de multiples avantages, a déclaré Domitrovic lors de sa présentation. Les avantages incluent des coûts réduits, une efficacité accrue, un GWP inférieur et une flexibilité améliorée.

Les économies de coûts potentielles proviennent de la réduction des dépenses de tuyauterie, d'installation et d'énergie, qui sont toutes rendues possibles grâce à la capacité calorifique plus élevée du CO2 à changement de phase par rapport à l'eau, a-t-il expliqué.

La réduction des besoins de pompage entraîne une réduction par cinq de la consommation d'énergie, a-t-il ajouté.

Bien que l'analyse suppose peu de différence entre un refroidisseur à base d'ammoniac ou de HFC en termes de coût en capital par unité de capacité installée, les chercheurs ont déclaré que l'ammoniac à faible charge offre une alternative moins chère aux réfrigérants à fort GWP.

"La plus petite taille de tuyauterie requise pour la convection du CO2 offre un potentiel d'économies de matériaux et d'installation qui pourrait aider à compenser toute prime de capital pour ce nouveau type d'équipement", a déclaré l'équipe de recherche.

"La plus petite taille de tuyauterie requise pour la convection du CO2 offre un potentiel d'économies de coûts de matériel et d'installation qui pourrait aider à compenser toute prime de capital pour ce nouveau type d'équipement."

Les gains d'efficacité proviennent de l'efficacité élevée de l'ammoniac et de la capacité calorifique élevée du CO2, qui peut transférer dix fois plus de chaleur que l'eau.

Selon Domitrovic, un COP de 2 à 3 a été atteint avec peu d'optimisation du système. Cela offre la possibilité d'améliorer considérablement l'efficacité du système à l'avenir, a-t-il ajouté.

Bien que le système n'ait été conçu et testé que pour le refroidissement, l'équipe de recherche a déclaré que le concept pouvait être étendu pour inclure le chauffage avec des considérations supplémentaires, telles que la prise en charge du CO2 à haute pression pour la convection de la chaleur.