Une patinoire est un bâtiment difficile sur le plan thermique. Une partie de l'année, l'énergie thermique circule à travers le toit et les murs vers la patinoire et une partie de l'année, l'énergie thermique s'échappe de la patinoire. Pour gérer les flux d'énergie, la technologie est nécessaire pour prévenir et résoudre les problèmes.

La climatisation, la déshumidification de l'air et la réfrigération font partie de la technologie de la patinoire.  Les conditions optimales sont atteintes lorsque la charge thermique et la puissance de refroidissement sur la glace sont en équilibre. La neige doit être réduite au minimum et la surface de la glace doit être suffisamment dure et glissante pour former un mince film liquide sur la glace. La surface doit également sécher suffisamment après le traitement de la glace pour permettre le début d'un entraînement ou d'un match.

Personne n'aime la glace mouillée.

Il y a quelques années, la Fédération suédoise de hockey sur glace recommandait fortement les systèmes de réfrigération au dioxyde de carbone pour les patinoires, mais aujourd'hui, leur marketing n'est plus aussi fort. La municipalité d'Osby, dans le sud de la Suède, avait décidé que le réfrigérant de la nouvelle patinoire serait le dioxyde de carbone.

L'une des raisons de ce choix était les fortes recommandations de la Fédération suédoise de hockey sur glace. Le bureau d'études PQR International AB, basé à Göteborg, a participé au projet Osby. Le bureau d'études a suggéré au client que la décision d'utiliser le dioxyde de carbone comme réfrigérant n'était peut-être pas la meilleure solution et qu'il serait utile de réaliser une étude plus approfondie des performances énergétiques des différents réfrigérants. Nous avons travaillé avec PQR International AB sur des projets précédents et ils nous ont demandé de les aider dans cette étude.

La municipalité d'Osby a finalement opté pour un système de réfrigération indirecte à l'ammoniac. Le refroidisseur a été équipé d'une automatisation moderne conçue pour les patinoires. 

2. le dimensionnement du refroidisseur

Il est important de dimensionner correctement le refroidisseur. L'installation frigorifique doit être équipée de composants de haute qualité et l'automatisation doit fonctionner correctement. Le système de réfrigération congèle la glace, mais un certain nombre de facteurs affectent le transfert d'énergie en cours de route. La conception doit tenir compte de l'ensemble de la chaîne d'échange thermique. Il est important que la plaque froide soit correctement dimensionnée, conçue et construite. Cependant, ce document se concentre principalement sur les équipements de réfrigération, les réfrigérants et un peu sur les solutions de roue.

Dans le domaine de la réfrigération, le terme "échangeur primaire" est souvent utilisé. L'échangeur primaire est l'échangeur auquel l'énergie est d'abord transférée et, dans une patinoire, c'est la surface de la glace. Des tentatives ont été faites pour contrôler les équipements de refroidissement sur la base des informations fournies par les capteurs de température de la surface de la glace, mais cette technologie n'a pas connu un grand succès. Les propriétés de la glace ne sont pas homogènes sur toute la surface de la glace. La glace et ses propriétés sont influencées par un certain nombre de facteurs différents.

Les différents réfrigérants ont des propriétés différentes et ces propriétés ont une incidence directe sur la consommation d'énergie. Considérons d'abord le réfrigérant lui-même sans le compresseur, c'est-à-dire une comparaison purement théorique sans aucune perte dans le processus. Une telle comparaison et un tel tableau existent et sont tenus à jour par l'ASHRAE, l'association internationale de l'industrie de la réfrigération. Leur manuel "Refrigeration, Chapter 3, Table 2" contient une comparaison entre plusieurs réfrigérants différents. Pour l'ammoniac et le dioxyde de carbone, le tableau donne les valeurs suivantes :

Performance du réfrigérant par kW de puissance frigorifique :

- Dioxyde de carbone CO2 133,0 kJ/kg -> 0,0369 kWh/kg               

- Ammoniac NH3 1100,9 kJ/kg -> 0,3058 kWh/kg            

La quantité de dioxyde de carbone nécessaire pour obtenir un kW de capacité de refroidissement est huit fois supérieure à celle de l'ammoniac. Dans les deux cas, l'évaporation est de -15°C et la condensation de 30°C, ce qui correspond bien aux conditions de température dans une patinoire en début de saison.

Le livre de l'ASHRAE "Fundamentals, Chapter 29, Table 8" donne les efficacités des réfrigérants. Les températures du tableau de -6,7°C d'évaporation et 30°C de condensation sont les plus proches des conditions de la patinoire.

Énergie consommée (kW) par kW de capacité de refroidissement :

- Dioxyde de carbone CO2 COP 3,514

- Ammoniac NH3 COP 6,254       

Le rendement sans perte pour le dioxyde de carbone est de 3,514 et le rendement sans perte pour l'ammoniac est de 6,254. Le COP est l'abréviation de "Coefficient de performance" et la valeur du COP indique la quantité de puissance frigorifique pouvant être produite avec un kilowatt d'électricité. En termes simples, le COP signifie l'efficacité d'un compresseur.  Le dioxyde de carbone peut produire 3,514 kW de puissance frigorifique par kilowatt électrique et l'ammoniac peut produire 6,254 kW de puissance frigorifique par kilowatt électrique. Dans des conditions comparables, l'ammoniac a une efficacité presque deux fois moindre que le dioxyde de carbone.

Les rendements théoriques sans perte présentés ci-dessus se détériorent lorsque l'on inclut les équipements mécaniques, c'est-à-dire les compresseurs, les vannes, la tuyauterie et les échangeurs de chaleur. Les équipements mécaniques ont toujours des pertes, que le réfrigérant soit du dioxyde de carbone ou de l'ammoniac. 

3. problèmes et solutions

Le système de contrôle de la réfrigération doit être adapté spécifiquement à la patinoire et à la patinoire artificielle.

La charge thermique de la patinoire varie tout au long de la journée, en fonction du calendrier des matchs et des variations saisonnières. La patinoire peut avoir une pause en été, lorsque le système de réfrigération ne fonctionne pas non plus. Cependant, pendant la pause estivale, les pompes et les compresseurs doivent être entretenus de temps en temps. Malheureusement, cela n'est pas souvent fait, ce qui entraîne des fuites des joints d'arbre sur les compresseurs et les pompes à roue. Souvent, on ne le découvre qu'au moment de la mise en route de l'installation frigorifique pour la nouvelle saison.

Les logiciels d'automatisation modernes conçus pour les patinoires modernes comprennent également une fonction de veille. La fonction de veille fournit un programme d'entretien pour les composants qui doivent être entretenus en dehors de la saison de fonctionnement. L'automatisation prend en charge les opérations de maintenance lorsque la fonction de veille est mise en place pour la saison estivale.

Le système de réfrigération à l'ammoniac a toujours eu des problèmes de récupération d'huile.

Dans le passé, l'huile était récupérée manuellement de l'évaporateur en la vidant dans un récipient, où elle était soit renvoyée dans le système, soit éliminée. Aujourd'hui encore, des systèmes de réfrigération avec récupération manuelle de l'huile sont fabriqués. Le personnel doit vidanger l'huile de l'évaporateur et le risque d'émissions d'ammoniac est élevé. Dans ce type d'installation, la capacité en ammoniac de l'évaporateur est de 200 à 400 kg et l'installation est souvent aussi un système indirect.

Lorsque les échangeurs de chaleur à plaques ont commencé à être utilisés comme évaporateurs, un système de récupération automatique de l'huile a également été mis au point. C'est désormais plus ou moins la norme chez tous les fabricants nordiques. Le dernier développement consiste à renvoyer l'huile dans les compresseurs à piston d'ammoniac au moyen d'une pompe à huile séparée.

Cette technologie avancée a permis de réduire la quantité d'ammoniac utilisée à environ 50 kg/250 kW de capacité de refroidissement. Les systèmes de refroidissement jusqu'à 350 kW ont une charge d'ammoniac inférieure à 100 kg. La charge d'ammoniac a considérablement diminué depuis les années 1960, époque à laquelle elle était typiquement

2000-4000 kg d'ammoniac dans les systèmes à action directe et 200-400 kg dans les systèmes semi-indirects. Aujourd'hui, l'apport d'ammoniac est généralement inférieur à 100 kg dans les systèmes entièrement indirects où l'ammoniac n'est présent que dans la salle des machines.

Dans les années 1960, un grand nombre de patinoires à écoulement direct ont été construites en utilisant des tubes d'acier de 1 pouce. Le pas des tubes variait entre 100 et 120 mm et les pas étaient principalement de type extérieur. On s'est rapidement rendu compte que l'espacement de 120 mm était trop faible. La glace a fondu entre les tuyaux à des charges thermiques légèrement plus élevées. L'espacement des tuyaux de 100 mm était déjà une pratique standard dans les années 1970. Plus tard, des systèmes de congélation directe de 80 mm ont été construits, ce qui a encore amélioré et égalisé les températures de surface de la glace. Le principal avantage d'une piste de glace directe est que la température de la solution au départ et au retour de la piste était la même. En raison des taux de remplissage élevés de l'ammoniac et de la toxicité de l'ammoniac lui-même, les patinoires ont été construites pour accueillir des systèmes indirects. Les systèmes indirects sont devenus plus courants à la fin des années 1980. 

Le monoéthylène glycol (MEG) ou le chlorure de calcium (CaCl), c'est-à-dire la saumure, était généralement utilisé comme fluide caloporteur. Il n'est pas rare de voir une pompe à pistons radiaux rouillée lorsque le fluide caloporteur utilisé est une solution saline.  Un joint d'arbre fuira toujours dans une certaine mesure et provoquera de la rouille. Si le joint d'arbre a laissé échapper une solution saline, l'eau s'évaporera et le sel restera. Sans entretien, des cristaux de sel subsistent, parfois aussi tranchants que des couteaux. Lorsque la pompe est restée à l'arrêt pendant un certain temps et que des cristaux se sont accumulés dans le joint d'étanchéité de l'arbre, lorsque la pompe est mise en marche, le joint est endommagé et fuit.

Les fluides de transfert de chaleur ont également été développés au fil des ans. Le dernier-né des fluides caloporteurs est l'eau ammoniacale, qui a été présentée à l'Arena Vänersborg en 2009.  L'Arena Vänesborg a été la première patinoire de Suède et des pays nordiques où le transfert de chaleur était basé sur un réfrigérant à base d'ammoniac. Le remplissage de la solution de liquide de refroidissement était d'environ 50 000 litres.  Après 13 ans de fonctionnement, il n'y a pas eu de problèmes de pompes à roue rouillées ou de fuites de joints d'arbre. Bien que tous les joints d'essieu fuient légèrement, les fuites d'eau ammoniacale ne provoquent pas de problèmes de rouille. Lorsque l'eau ammoniacale fuit, l'ammoniac lié à l'eau s'évapore d'abord, puis l'eau s'évapore et il ne reste rien. Il n'y a donc aucun risque d'endommager le produit d'étanchéité. Le joint n'est endommagé que s'il y a un liquide entre le joint et l'arbre qui peut cristalliser ou des contaminants qui peuvent endommager le joint.

L'eau ammoniacale est également un inhibiteur car elle est alcaline. Lorsqu'on utilise de l'eau ammoniacale comme fluide caloporteur, il n'est pas nécessaire d'utiliser un inhibiteur distinct ni de contrôler l'efficacité de l'inhibiteur. Dans les systèmes traditionnels à saumure, l'efficacité d'un inhibiteur séparé doit être contrôlée, ce qui n'est souvent pas fait et pose des problèmes.

4. comparaison du dioxyde de carbone (CO2) et du nouveau

Un système de réfrigération au dioxyde de carbone était une exigence pour la nouvelle patinoire construite dans la municipalité de Gimo. Une autre exigence technique était que l'installation devait être une installation de réfrigération supercritique. Le système de réfrigération est un système de réfrigération à action directe au dioxyde de carbone et utilise des tubes de cuivre de Ø12 mm avec des longueurs de tubes de 100 mm. Supercritique signifie que le refroidisseur de gaz ne condense pas le CO2, mais refroidit seulement la température du gaz. Un compresseur/différentiel de pression peut également être utilisé pour refroidir le gaz. Dans une telle application, l'efficacité du compresseur est en pratique très faible.

Mais une patinoire fonctionnera-t-elle dans des conditions supercritiques ? Oui, mais seulement à certaines périodes de l'année. La plupart du temps, le système de réfrigération au dioxyde de carbone fonctionne dans des conditions dites sous-critiques. C'est alors que le refroidisseur de gaz agit comme un condenseur et que le système de réfrigération atteint une meilleure efficacité. La condition de fonctionnement sous-critique du système de réfrigération est souvent utilisée dans la commercialisation d'un système de réfrigération au CO, en plus de la récupération de chaleur facile et efficace. 

Ensuite, à l'aide des programmes de dimensionnement du dioxyde de carbone développés par les fabricants (Bitzer et Mycom), nous examinerons les conditions de fonctionnement sous-critiques du système de réfrigération de la glacière et les conditions de fonctionnement supercritiques qui se produisent dans la pratique :

Réfrigération au CO2 supercritique -11°C/31°C COP 2,04

Réfrigération au CO2 supercritique -11°C/25°C COP 2,86

Réfrigération au CO2 sous-critique -11°C/20°C COP 3,66

Refroidisseur de CO2 Alicritic -11°C/15°C COP 4,59

Dans cette comparaison, les valeurs de COP semblent très positives.

5. comparaison entre les machines indirectes CO2 et NH3 "CASE Osby".

Dans la comparaison suivante, la même solution de roue est utilisée et n'a aucun effet sur la comparaison. Le point de départ de la comparaison est le système de réfrigération au dioxyde de carbone conçu pour la patinoire d'Osby.

Les conditions supercritiques de 31 °C pour le dioxyde de carbone sont équivalentes à -11 °C/40 °C pour l'installation de réfrigération à l'ammoniac. Avec le compresseur Mycom N6WA, dont la capacité de refroidissement avec 2 compresseurs est équivalente à celle du compresseur de dioxyde de carbone Bitzer 5, le rendement du compresseur dans ces conditions est de COP 3,06.

a. Début de la saison de refroidissement

Le dioxyde de carbone supercritique à 11°C/31°C et l'ammoniac à -11°C/40°C sont ainsi sélectionnés pour la comparaison. Le système de réfrigération fonctionne alors dans des conditions extrêmes, généralement en début de saison.

Bitzer CO2 supercritique Mycom N6WA NH3

-11°C/31°C -11°C/40°C

Température extérieure 28°C Température extérieure 28°C

COP : 2,04 COP : 3,06

Dans ces conditions, le système de réfrigération à l'ammoniac présente une efficacité supérieure de 50 % et consomme 50 % moins d'énergie que le système de réfrigération au dioxyde de carbone dans les mêmes conditions de charge thermique.

b. Températures extérieures en début de saison et au printemps

Le refroidisseur est également utilisé dans des conditions moins extrêmes, généralement au début de l'automne et au printemps. Le CO2 sous-critique est choisi comme référence car la température extérieure contrôle la température du condensat/gaz. Étant donné que, la plupart du temps, le refroidisseur de dioxyde de carbone fonctionne dans des conditions sous-critiques, un refroidisseur d'ammoniac fonctionnant dans des conditions similaires doit être sélectionné pour la comparaison.

Le refroidisseur de gaz carbonique est conçu pour une température extérieure de 28°C. La question est la suivante : quelle température extérieure donnera au refroidisseur de gaz une fonction de condensation de 25°C ? Une température extérieure de 18°C pour un refroidisseur à gaz donne une capacité de 408 kW et à 19°C 353 kW, donc une capacité de refroidissement correctement dimensionnée de 380 kW est obtenue à une température delta d'environ 6,48K ou 18,5°C.  De même, cela signifie qu'un refroidisseur de solution de 12K dans un refroidisseur d'ammoniac donnera une température de condensation de 30,5°C à la même température extérieure.

On obtient la comparaison suivante :

Réfrigération au dioxyde de carbone à -11°C/25°C et à l'ammoniac à -11°C/30,5°C avec un refroidisseur de solution de 12K (température extérieure 18,5°C + 12K = 30,5°C)

Bitzer CO2 sous-critique Mycom N6WA NH3

-11°C/25°C -11°C/30,5°C

Température extérieure 18,5°C Température extérieure 18,5°C

COP : 2,86 COP : 3,92

Dans ces conditions, l'ammoniac a un rendement supérieur de 37 % et consomme 37 % moins d'électricité que le dioxyde de carbone dans les mêmes conditions de charge thermique.

c. Températures extérieures à la fin de l'automne et au début du printemps

Pour la comparaison suivante, nous utilisons une température de condensation de 20°C pour le refroidisseur de dioxyde de carbone, ce qui correspond à une température extérieure de 12,8°C. Cela signifie une température de condensation de 12,8°C + 12K = 24,8°C pour la réfrigération à l'ammoniac. Ces conditions correspondent aux températures de la fin de l'automne et du début du printemps.

Bitzer CO2 sous-critique Mycom N6WA NH3

-11°C/20°C -11°C/24,8°C

Température du gaz : 65,2°C à 98,5°C

Température extérieure 12,8°C Température extérieure 12,8°C

COP : 3,66 COP : 4,54

Dans cette situation, l'usine d'ammoniac est 24 % plus efficace et consomme 24 % moins d'électricité que le dioxyde de carbone au rapport de charge thermique correspondant. De plus, la température du gaz est maintenant plus élevée avec l'ammoniac qu'avec le dioxyde de carbone.

d. Conditions hivernales

Pour la dernière comparaison, nous utilisons un point de condensation de 15°C pour le refroidisseur de CO2, ce qui correspond à une température extérieure de 8°C. Cela signifie une température de condensation de la réfrigération à l'ammoniac de 8°C + 12K = 20°C de température de condensation. Ce dimensionnement correspond bien à la situation en hiver. La température extérieure peut être considérablement plus froide, mais la température de condensation du système de réfrigération ne doit pas être abaissée. 

Bitzer CO2 sous-critique Mycom N6WA NH3

-11°C/15°C -11°C/20°C

Température du gaz : 54,9°C 89,0°C

Température extérieure 8°C Température extérieure 8°C

COP : 4,59 COP : 5,14

Dans cette situation, l'installation à l'ammoniac a un rendement supérieur de 12 % et consomme 12 % d'électricité en moins qu'une installation de réfrigération au dioxyde de carbone dans les mêmes conditions de charge thermique. La température du gaz est maintenant plus élevée avec l'ammoniac qu'avec le dioxyde de carbone. Dans ces conditions, la température du dioxyde de carbone n'est pas suffisante pour produire de l'eau chaude (60°C). Si on le souhaite, la température de condensation du refroidisseur de dioxyde de carbone peut être augmentée pour récupérer la chaleur, mais l'efficacité sera alors encore réduite.

6) Comparaison entre le système direct au CO2 et le système indirect au NH3

Les comparaisons présentées précédemment ont été faites pour des systèmes de réfrigération avec la même solution de roue. Si l'on compare le système dit direct au CO2, qui a été le point de départ de la conception de la patinoire Gimo, et le système NH3, le système de réfrigération à l'ammoniac doit avoir une évaporation plus froide de 3 degrés en raison des pertes de transfert de chaleur dans la tuyauterie de la roue.

Comparaison pour les mêmes températures extérieures :

a. Début de la saison de congélation

Bitzer CO2 supercritique Mycom N6WA NH3

-11°C/31°C -14°C/40°C

Température extérieure 28°C Température extérieure 28°C

COP : 2,04 COP : 2,76

b. Températures extérieures en début de saison et au printemps

Bitzer CO2 sous-critique Mycom N6WA NH3

-11°C/25°C -14°C/30,5°C

Température extérieure 18,5°C Température extérieure 18,5°C

COP : 2,86 COP : 3,52

c. Températures extérieures à la fin de l'automne et au début du printemps

Bitzer CO2 sous-critique Mycom N6WA NH3

-11°C/20°C -14°C/24,8°C

Température du gaz : 65,2°C 98,5°C

Température extérieure 12,8°C Température extérieure 12,8°C

COP : 3,66 COP : 4,05

d. Conditions hivernales

Bitzer CO2 sous-critique Mycom N6WA NH3

-11°C/15°C -14°C/20°C

Température du gaz : 54,9°C 92,0°C

Température extérieure 8°C Température extérieure 8°C

COP : 4,59 COP : 4,55

Les valeurs de COP sont meilleures pour l'ammoniac, sauf pour une valeur. L'ammoniac est moins bon à une température extérieure de 8°C car le gaz carbonique est dilué à 15°C.  Le COP d'un refroidisseur de dioxyde de carbone est environ 1% meilleur que celui d'un refroidisseur d'ammoniac à 8°C.

7. tubes de débit dans les systèmes à CO2 direct et à NH3 indirect 

Le système de réfrigération au CO2 à flux direct est raccordé à un pipeline de la route de la glace constitué de tubes de cuivre de Ø12 mm et rempli de CO2. Cette tuyauterie fait partie d'un système d'équipement sous pression et a une exigence de résistance à la pression de 60 bars.  Le coût d'investissement des tuyaux en cuivre est considérablement plus élevé que celui des tuyaux en plastique.

Souvent, les installations de CO2 à détente directe sont construites avec des tuyaux de 100 mm. Avec un tuyau de cuivre de Ø12 mm, la tuyauterie présente une surface de gaine d'environ 680 m² dans un champ de 30 x 60 m. La surface d'enveloppe correspondante avec un tuyau en plastique de Ø25 mm est de 1414 m². Puisque dans les deux cas, le milieu entre la tuyauterie et la surface supérieure de la glace est le même, le tuyau en cuivre Ø12 devrait avoir un diamètre d'environ 47 mm pour maintenir la même température de surface de la glace que le tuyau en plastique dans les mêmes conditions de charge thermique.

Avec l'ancien diamètre de 47 mm, la longueur totale du pipeline serait d'un peu plus de 38 km. Si la piste de glace est construite avec une section de 100 mm et un tuyau en plastique polyéthylène de Ø25 mm, la surface du pipeline correspond à environ 80% de la surface de la glace en amont. Le pas le plus couramment utilisé pour les tuyaux en plastique est de 80 mm, de sorte que la surface de la gaine du tuyau est presque égale à la surface de la glace supérieure. L'effet sur le coût est faible, mais, en particulier pour les charges thermiques élevées, les performances de la tuyauterie sont nettement meilleures et la température de la surface de la glace est plus uniforme par rapport à un tuyau de 100 mm.

8. Commercialisation de la réfrigération au dioxyde de carbone aujourd'hui

La tendance de ces dernières années est d'utiliser l'eau ammoniacale comme solution de roue, également dans les systèmes CO2 partiellement indirects. Ainsi, les systèmes de réfrigération au dioxyde de carbone ont en fait perdu leur idée originale, à savoir la fusée à glace en cuivre pur.  La raison en est probablement le coût des tubes en cuivre et le fait qu'il a été constaté que les tubes de 100 mm avec des tubes en cuivre de Ø12 mm sont inadéquats.  

Une comparaison de l'efficacité d'un système de réfrigération au dioxyde de carbone partiellement indirect et d'un système de réfrigération à l'ammoniac entièrement indirect révèle de grandes différences en faveur du système de réfrigération à l'ammoniac. La raison du choix du dioxyde de carbone ou de la commercialisation du dioxyde de carbone a changé au fil du temps, passant des arguments initiaux à principalement cet argument de la facilité de production de chaleur ou de récupération de chaleur. L'argument est que la réfrigération au dioxyde de carbone fournit la bonne température pour la récupération de chaleur par rapport à la basse température de la solution de condensat dans la réfrigération à l'ammoniac. C'est peut-être plus facile, mais comme indiqué précédemment, ce n'est certainement pas moins cher. 

Une autre affirmation souvent entendue est que le système de réfrigération au dioxyde de carbone récupère 100 % de la chaleur, ce qui n'est pas vrai. Si la récupération de chaleur n'est pas nécessaire, la chaleur sera de toute façon perdue. La récupération de chaleur utilise un refroidisseur de gaz et consomme de l'électricité. Aucun fabricant de systèmes de réfrigération au dioxyde de carbone ne le mentionne jamais, pas plus qu'il n'indique la quantité d'énergie consommée par l'utilisation d'un refroidisseur à gaz.

Malheureusement, toutes les comparaisons entre la réfrigération au CO2 et à l'ammoniac sont effectuées sur la base d'anciennes installations existantes, en service et construites il y a 25 ans ou plus. Le fait que la technologie a également progressé dans les installations de réfrigération à l'ammoniac est complètement oublié.

9. pompe à chaleur intégrée pour les installations de NH3 

Un problème commun a été le manque d'utilisation des températures basses/condensats dans le refroidisseur NH3. L'installation traditionnelle de réfrigération à l'ammoniac dispose d'une récupération de la chaleur des gaz chauds + la chaleur de condensation si la glacière est également conçue pour une faible récupération de la chaleur. Une récupération de la chaleur à 100 % est possible, mais pour l'eau de traitement chaude, cette méthode n'est souvent pas suffisante. L'objectif est d'obtenir une eau chaude sanitaire de 55-60°C. Aujourd'hui, les pompes à chaleur intégrées dans le refroidisseur sont dimensionnées pour de nombreux projets. L'avantage d'une pompe à chaleur autonome est qu'elle ne fonctionne que lorsque la chaleur est nécessaire. En début de saison, il peut être utilisé pour fournir de la chaleur, puis être éteint. Cela permet d'optimiser la consommation d'énergie de la patinoire.

Il est également important de comprendre l'efficacité globale du froid et de la chaleur. Lorsque la pompe à chaleur et le refroidisseur fonctionnent tous deux, l'énergie absorbée par le compresseur de refroidissement et l'énergie absorbée par la pompe à chaleur doivent être additionnées. Cette énergie est comparée soit à l'effet de refroidissement, soit à l'effet de chauffage. Le dimensionnement typique d'une pompe à chaleur dans une patinoire est de 1:1,5. Si la capacité de refroidissement est de 300 kW, la capacité de la pompe à chaleur est de 200 kW. Dans l'exemple suivant, la capacité de refroidissement a été sélectionnée et l'efficacité est calculée pour correspondre à celle d'un refroidisseur de dioxyde de carbone dans des conditions de fonctionnement similaires.

-14/40°C COP puissance électrique puissance totale (froid-chaleur)

COP froid 2,76 113,2 kW 312,4 kW

COP chaleur 5,3 39,6 kW 210,0 kW

COP total 2,04 152,8 kW (puissance à froid) 312,4 kW

La pompe à chaleur produit 210 kW avec un COP de 5,3 et une capacité de refroidissement de 312,4 kW avec un COP de 2,76. Le rendement total, c'est-à-dire la capacité de refroidissement divisée par la capacité électrique totale, est alors de 2,04 lorsque la pompe à chaleur fonctionne. Nous pouvons comparer cette efficacité avec celle d'un refroidisseur de dioxyde de carbone lorsqu'il fonctionne à 100 % de la demande de puissance, ce qui est généralement le cas en début de saison. L'efficacité du refroidisseur de dioxyde de carbone supercritique -11°C/31°C présenté précédemment était de COP 2,04, ce qui correspond à l'efficacité d'une usine d'ammoniac avec pompe à chaleur.

Après la formation de glace et la baisse de la température extérieure, comparez par exemple la condensation à 25°C, où l'efficacité de la réfrigération est meilleure et le COP de la pompe à chaleur est le même qu'avant.

-13/25°C COP puissance électrique puissance puissance puissance totale (froid-chaleur)

COP froid 4,29 81,1 kW 348,0 kW

COP chaleur 5,3 39,6 kW 210,0 kW

COP coke 2,88 120,7 kW 348,0 kW

Le rendement global de l'installation d'ammoniac est maintenant de 2,88, soit 16 % de mieux que l'installation de CO. Pendant la saison, la charge thermique a également été considérablement réduite et la moitié de la puissance est suffisante pour maintenir et geler la glace en fonctionnement normal. La capacité de refroidissement d'un seul compresseur est suffisante.

 L'étape suivante consiste à équilibrer la capacité de refroidissement avec la charge thermique :

-12/25°C COP puissance électrique puissance totale (froid-chaleur)

COP froid 4,59 37,9 kW 174,0 kW

COP chaleur 5,3 39,6 kW 210,0 kW

COP coke 2,24 77,5 kW 174,0 Kw

La capacité de refroidissement peut également être réduite car la charge thermique a été réduite, avec maintenant une capacité de refroidissement plus faible (174 kW), ce qui améliore l'efficacité globale, même si le COP du compresseur augmente (4,59).

Un système de réfrigération à l'ammoniac avec une pompe à chaleur intégrée consomme moins d'énergie dans toutes les conditions qu'un système de réfrigération au dioxyde de carbone. Les calculs sont théoriques et ne reflètent pas toujours pleinement la situation réelle, mais ils sont comparables. Il ne faut pas oublier non plus que lorsque la demande de chaleur est réduite, la pompe à chaleur à l'ammoniac peut être arrêtée, de sorte qu'elle ne consomme pas d'électricité. Dans un système de réfrigération au dioxyde de carbone, lorsque la demande de chaleur diminue, la consommation d'énergie augmente car le refroidisseur de gaz doit refroidir le dioxyde de carbone à haute pression.

10. charge thermique, efficacité et performance de l'automatisation

La charge thermique du train de glace varie, la charge la plus faible étant enregistrée la nuit. La charge thermique la plus élevée se situe pendant la fabrication de la glace et le soir. La consommation d'énergie de la patinoire est surtout influencée par le contrôle du système de réfrigération. L'utilisation du système de réfrigération et de la pompe à chaleur doit être optimisée en fonction des différentes conditions. L'automatisation des machines peut avoir un mode nuit, ce qui permet de charger les machines de manière très parcimonieuse. Il en va de même pour la pompe à chaleur. Elle ne doit fonctionner que lorsqu'il y a une demande de chaleur. Il est également important que le refroidisseur et la pompe à chaleur disposent d'une fonction qui prévient d'un mauvais rendement. Le contrôle normal ou traditionnel avec des mesures de sécurité standard (pression d'huile, haute pression, etc.) ne suffit plus.  Le refroidisseur doit avoir une fonction qui prévient que le refroidisseur est utilisé de manière inefficace (méthode ETM telle que Climacheck ou similaire). Cette fonction est souvent intégrée aux nouveaux refroidisseurs modernes. 

Les refroidisseurs modernes disposent également d'une fonction qui calcule les intervalles de maintenance en tenant compte des heures réelles de fonctionnement du refroidisseur. Ce logiciel d'optimisation des intervalles d'entretien a permis de prolonger l'intervalle d'entretien d'environ 4000 heures par compresseur.

11. exigences techniques du compresseur

a. Dioxyde de carbone - CO2

Les propriétés du réfrigérant influencent la conception du compresseur. Un compresseur de dioxyde de carbone comporte généralement plusieurs petits pistons à faible course. Cela permet d'atteindre la haute pression (60 bars) requise par le dioxyde de carbone. Le compresseur Bitzer utilisé dans les comparaisons possède 6 pistons dans chaque compresseur, ce qui est une conception de compresseur typique pour les réfrigérateurs à dioxyde de carbone. De nombreux autres fabricants de compresseurs appliquent à peu près le même principe aux compresseurs de dioxyde de carbone.

Les systèmes de réfrigération au dioxyde de carbone comportent généralement plusieurs compresseurs alternatifs et sont entraînés par paliers à une vitesse constante de 1500 tr/min. On démarre d'abord un compresseur, puis un autre et ainsi de suite au fur et à mesure que la capacité de refroidissement augmente. Dans une machine à dioxyde de carbone typique, il y a généralement 5 compresseurs pour atteindre une capacité de refroidissement de 250 kW. Cinq compresseurs signifient un total de 30 pistons et encore plus de segments de piston, ce qui représente une quantité modérée d'entretien.

Le dioxyde de carbone est-il donc un mauvais réfrigérant ? Comme nous l'avons déjà montré au début, dans une comparaison théorique à haute température d'évaporation, le dioxyde de carbone était environ deux fois moins mauvais que l'ammoniac. Alors pourquoi utiliser le dioxyde de carbone ? L'industrie a besoin de conditions beaucoup plus froides que celles d'une patinoire. Lorsque l'évaporation doit être inférieure à -34°C, l'ammoniac n'y parviendra pas, mais le dioxyde de carbone, oui. Le tableau de l'ASRAE (Refrigeration, Chapter 3, Table 1) indique que la température du dioxyde de carbone à 101,3 kPa (10,1 Bar) est de -78,4°C. A la pression correspondante, l'ammoniac a une température de -33,3°C.

Dans les chambres de congélation des grossistes commerciaux et des entrepôts alimentaires, on utilise des évaporateurs à ventilateur lamellaire, dont les tuyaux sont en cuivre. Si l'évaporateur d'une telle soufflerie venait à fuir, cela ne poserait pas de problème lors de l'utilisation de dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone est également utilisé comme gaz protecteur dans les emballages alimentaires. Si le fluide frigorigène du congélateur était de l'ammoniac, tous les produits contenus dans le congélateur devraient être éliminés en cas de fuite.

Le dioxyde de carbone a des utilisations propres et appropriées, mais celles-ci n'incluent pas les patinoires ou les patinoires artificielles.  

b. Ammoniac - NH3

Un compresseur d'ammoniac industriel fonctionne différemment d'un compresseur conçu pour le dioxyde de carbone. Des courses de piston plus longues et des vitesses plus faibles sont courantes dans les compresseurs d'ammoniac. La contre-pression du piston est nettement plus faible avec l'ammoniac qu'avec le dioxyde de carbone, ce qui permet des courses plus longues. En général, les variateurs de vitesse contrôlent la vitesse du compresseur. Lorsque le compresseur est capable de fonctionner à basse vitesse, les vannes fonctionnent également plus efficacement. Cela signifie également que le fonctionnement mécanique des soupapes améliore l'efficacité du compresseur car il y a moins de fuites en retour. Le compresseur WA utilisé dans les comparaisons précédentes est un compresseur d'ammoniac industriel typique et est produit depuis environ 30 ans (depuis 1991). Le compresseur WA est un perfectionnement du compresseur A plus ancien, dont la production a débuté en 1959. Une installation d'ammoniac de 250 kW est généralement équipée de deux compresseurs WA à six cylindres, soit un total de douze pistons et cylindres.

Les compresseurs WA sont en service dans plusieurs patinoires en Suède, au Danemark et également en Finlande. Les nouvelles livraisons de compresseurs ont en standard une mesure de rendement moyen qui est généralement supérieure à COP 4. La raison pour laquelle on obtient un rendement aussi élevé est que le compresseur fonctionne à faible vitesse (670 tr/min) et au maximum jusqu'à 1450 tr/min. Le contrôle des opérations est basé sur l'automatisation intelligente B.O.D. (based-on-demand).

Le fabricant de compresseurs industriels Mayekawa MFG produit le compresseur Mll, qui est un perfectionnement du compresseur M traditionnel. Ce modèle de compresseur a été spécialement conçu pour l'ammoniac et les basses vitesses. Ce modèle à compresseur est parfaitement adapté à une utilisation dans les patinoires. Avec une vitesse de rotation de 600 à 1500 tr/min, il est toujours possible d'équilibrer de manière optimale l'effet de refroidissement par rapport à la charge thermique. Selon les modèles de calcul, une efficacité moyenne de plus de COP 5 peut être atteinte dans un environnement de patinoire. C'est au moins le but et l'objectif. L'efficacité des compresseurs alternatifs d'ammoniac a beaucoup évolué ; il y a 25 ans, l'efficacité d'un compresseur alternatif typique était inférieure à COP 3.

Selon les nouveaux principes de dimensionnement, un groupe frigorifique d'une puissance frigorifique de 320 kW, condensant à 35°C (température extérieure 28°C) et s'évaporant à -15°C est suffisant pour plusieurs patinoires. Un autre critère de dimensionnement couramment utilisé est le W/m². Celle-ci peut être calculée selon le modèle de calcul ASHRAE pour chaque patinoire en fonction de la surface de glace (Réfrigération, chapitre 44). Un tel refroidisseur peut être construit avec deux compresseurs d'ammoniac Mll2 à deux pistons, ce qui signifie un total de 4 cylindres et 4 pistons et 16 segments de piston. Comparé aux 30 pistons et 120 segments de piston d'un système de réfrigération au dioxyde de carbone, la différence est assez importante. Si une capacité de refroidissement supplémentaire est nécessaire, ou dans le cas d'une patinoire à deux pistes, le système de réfrigération peut être mis en œuvre en ajoutant soit des pistons, soit des compresseurs. La mise en œuvre dépend de la volonté de disposer d'un compresseur de secours ou d'une plus grande puissance de refroidissement. 

La différence de pression entre un compresseur d'ammoniac et un compresseur de dioxyde de carbone est énorme. La différence de pression à travers le piston est ce qui use à la fois les roulements et les axes du piston.

12. Comparer équitablement

Lors de la conception, il faut toujours partir du principe de l'utilisation réelle et du temps de fonctionnement de la patinoire. Lorsque l'on compare les systèmes de réfrigération des patinoires, il est important de prendre en compte les variations saisonnières de la patinoire. Certaines patinoires ferment pour l'été et d'autres sont ouvertes toute l'année.

Selon plusieurs études, le coût d'investissement d'un système de réfrigération représente entre 25 et 30% du coût total.  Les coûts d'exploitation constituent le poste de dépenses le plus important du cycle de vie d'un équipement frigorifique. Les coûts d'exploitation sont répartis entre les coûts énergétiques (60-65%) et les coûts de maintenance (5-15%).

L'idée initiale du refroidisseur de dioxyde de carbone était de le construire comme un refroidisseur à flux direct avec des tubes de cuivre de Ø12 mm et une longueur de tuyau de 100 mm. Cette solution s'est avérée inapplicable et coûteuse. Le refroidisseur indirect au CO doit être comparé à un refroidisseur à l'ammoniac avec une pompe à chaleur intégrée. Cela n'a pas été fait dans de nombreux cas. C'est plus ou moins une décision politique ou une autre opinion sous-jacente qui a conduit à la décision de construire un système de réfrigération au dioxyde de carbone. Il a été considéré comme une alternative moderne et respectueuse de l'environnement. 

Un système de réfrigération à l'ammoniac avec une pompe à chaleur intégrée est un investissement plus coûteux qu'un système de réfrigération indirect au dioxyde de carbone, mais certainement moins cher qu'un système de réfrigération direct au dioxyde de carbone avec des tubes en cuivre. En outre, un système de réfrigération indirecte à l'ammoniac consomme moins d'énergie.

Dans les calculs du cycle de vie des systèmes de réfrigération à l'ammoniac, on considère souvent que le cycle de vie est de 15 à 20 ans. Si la méthode de calcul du modèle de cycle de vie (par exemple, le modèle NUTEK) Ainsi, un système de réfrigération à l'ammoniac avec pompe à chaleur intégrée sera nettement moins cher qu'un système de réfrigération au dioxyde de carbone, même si le coût d'investissement est nettement plus élevé.

Dans la pratique, les refroidisseurs à l'ammoniac ont eu un cycle de vie allant jusqu'à 30 ans. La durée de vie des refroidisseurs de dioxyde de carbone dans les patinoires reste à voir, car il n'existe pas encore de données comparatives fiables à long terme.