Évaluation de performance basée sur l'exergie et potentiel d'optimisation des installations de réfrigération dans les applications de conditionnement d'air

Exergy-based performance assessment and optimization potential of refrigeration plants in air-conditioning applications

• Auteur / Autrice : Lorenz Brenner
• Direction : Christian Ghiaus
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique énergétique
• Date : Soutenance le 24/02/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône) - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon / CETHIL
• Jury : Président / Présidente : Ursula Eicker
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Ghiaus, Ursula Eicker, Adrian Badea, Patrice Joubert, Frank Tillenkamp
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Adrian Badea, Patrice Joubert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Climatisation -- Appareils et matériel

Réfrigération et appareils frigorifiques

Mots clés libres

Bâtiment

Conditionnement air

Installations frigorifiques

Potentiel d'optimisation

Optimisation de système

Analyse exergétique

Réfrigération à compression de vapeur

Efficacité énergétique

Performance des systèmes

Energetics

Air conditioning

Refrigeration plants

Optimization potential

System Optimization

Exergy analysis

Vapor compression refrigeration plants

Energy Efficiency

Systems performance

Résumé

Une grande partie de la consommation d'énergie dans les bâtiments est due aux systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation. Entre autres systèmes, les systèmes de réfrigération font l'objet de mesures d'amélioration de l'efficacité. Néanmoins, les conditions opérationnelles réelles de ces installations et leurs performances doivent être connues, ainsi que tout potentiel d'optimisation éventuel, avant que des améliorations puissent être réalisées. Les analyses exergétique et énergétiques ont été largement utilisées pour évaluer la performance des systèmes de réfrigération. Entre autres, l'efficacité exergétique est utilisée comme indicateur pour déterminer la performance du système, mais les valeurs réalisables dans la pratique sont inconnues. Par conséquence, ce travail propose une méthode d'évaluation pratique des systèmes de réfrigération basée sur une analyse exergétique et des normes techniques comme base de référence. L'identification des améliorations possibles est pertinente dans la pratique, car les mesures qui améliorent l'efficacité du système permettent probablement d'éviter de fréquentes déficiences pendant l'usage. Avec l'optimization potential index (OPI) introduit dans cet ouvrage, les améliorations réalisables par rapport à l'état de l'art de la technologie et la performance sont identifiées d'un seul coup d’œil, quelle que soit la complexité du système. En divisant l'installation en sous-systèmes, chacun peut être évalué individuellement. Les non-spécialistes peuvent facilement déterminer l'état de fonctionnement du système et ensuite, si nécessaire, lancer une analyse détaillée ainsi que des contre-mesures appropriées. De plus, la modélisation est considérée comme une méthode appropriée pour déterminer des valeurs de référence. Parmi les différentes techniques, les modèles artificial neural network révèlent les meilleures performances pour l'application présentée. L'application, la fonctionnalité et l'objectif de la méthode présentée sont illustrés par deux cas numériques et sur une installation réelle. La recherche révèle un fonctionnement approprié de l'installation étudiée en général, où trois des sept espaces conditionnés ont des problèmes de performance. La raison devrait être identifiée dans une étude détaillée ultérieure. Dans l'ensemble, l'apport d'exergie électrique auxiliaire est du même ordre que l'apport d'exergie thermique. Cela souligne l'importance de réduire la consommation d'énergie électrique au minimum, car elle constitue le facteur principal dans le coût d'exploitation des installations de réfrigération et permet également d'augmenter la performance du système. En outre, les concepts de mesure des systèmes réels sont analysés et les coûts de mise à jour correspondants pour l'application de l'approche présentée sont identifiés. Il est démontré qu'une mise à jour de l'instrumentation peut être rentable, si l'installation frigorifique comprend déjà un concept de mesure proche de l'état de la art.

A significant amount of energy consumption in buildings is due to heating, ventilation and air-conditioning systems. Among other systems, refrigeration plants are subject of efficiency improvements. However, actual operating conditions of such plants and the performance must be known as well as any eventual optimization potential identified before enhancements can take place. Energy and exergy analyses have been widely used to assess the performance of refrigeration systems. Among others, exergy efficiency is used as an indicator to determine the system performance; however, the practical achievable values are unknown. Therefore, this work proposes a practice-oriented evaluation method for refrigeration plants, based on exergy analysis and technical standards as baseline. The identification of possible enhancements is highly relevant in practice, as measures which improve the system effectiveness most likely prevent frequent shortcomings during refrigeration plant operation. With the introduced optimization potential index (OPI), the achievable enhancements compared to the state of the art in technology and the performance are identified at a glance regardless the complexity of the system. By dividing the plant into different subsystems, each of them can be assessed individually. Laypersons can easily determine the system operating state and subsequently, if needed, initiate a detailed analysis as well as appropriate countermeasures by specialist. Moreover, modeling is seen as an appropriate method to determine additional reference values for refrigeration machines if none are available according to technical standards. Among different modeling techniques, artificial neural network models reveal the best performance for the present application. The application, functionality and purpose of the presented method is exemplified on two numerical test cases and on a real field plant as a case study. The investigation reveals an adequate operation of the studied field plant in general, where three out of seven cooling locations have performance issues. The reason should be identified in a subsequent detailed study. Overall, the auxiliary electrical exergy input shows the same magnitude as the thermal exergy input. This emphasizes the importance of minimizing the electrical energy usage, as it is the main overhead in the operating cost of refrigeration plants and also to achieve an increase in system performance. Moreover, measuring concepts of real systems are analyzed and the corresponding retrofitting costs for the application of the presented approach are identified. It is shown that a retrofit of the instrumentation can be worthwhile if the refrigeration plant already comprises a measuring concept close to the state of the art.