RÉSUMÉ Le présent mémoire traite de l'optimisation thermodynamique des systèmes frigorifiques. Le but poursuivi est de discerner et comprendre la problématique énergétique liée aux installations commerciales de production de froid et d'étudier le potentiel que représente la modélisation simplifiée pour leur optimisation. Le travail proposé puise son originalité dans la méthode d'optimisation utilisée, c'est à dire la thermodynamique en temps fini. Contrairement aux modèles détaillés, largement utilisés, la modélisation endoréversible, plus simple, est mise à profit pour comprendre le fonctionnement d'un procédé de production de froid dans son ensemble, y compris son interaction avec le bâtiment. La thermodynamique en temps fini permet la formulation de modèles simples, exprimés en fonction des seules variables essentielles ayant en outre une signification physique. Ces variables définissent les paramètres de fonctionnement d'un système ou bien représentent les ressources finies mises à disposition (les dimensions finies du système). De tels modèles sont donc pratiques pour l'optimisation de systèmes réels et ont l'avantage de demander moins de temps de calcul et d'expertise que les modèles détaillés. En outre, il est démontré que l'analyse exergétique est un outil efficace pour comprendre la nature des irréversibilités. En particulier, une méthode de représentation des pertes exergétiques tout récemment développée est utilisée. Elle permet de mener deux types d'optimisation que sont l'amélioration de l'efficacité énergétique et l'intensification. Ainsi, le travail proposé est celui d'une réflexion plutôt théorique et fondamentale mais dont les résultats ouvrent de nouvelles voies pour la conception et l'optimisation de systèmes réels. Un premier chapitre présente la problématique énergétique liée à la production de froid dans les supermarchés. Du point de vue environnemental, une attention toute particulière est portée sur l'impact des fuites de réfrigérant et de la consommation énergétique lié à ce type d'installation. Le fonctionnement du système de réfrigération d'un supermarché typique est décrit. Puis, nous insistons sur une particularité du supermarché en tant que bâtiment commercial, c'est-à-dire, l'interaction évidente qui existe entre le système de Chauffage, Ventilation et Climatisation (CVC) et le système de Réfrigération (R). Du point de vue technologique, nous décrirons les principales avancées faites sur le plan de la gestion de l'énergie consommée, l'efficacité thermodynamique et la récupération de chaleur. Le développement théorique à proprement parlé commence au Chapitre 2 où un modèle simplifié de supermarché est proposé. Ce modèle prend en compte certaines irréversibilités clefs que sont la charge externe passant à travers les parois du bâtiment ainsi que la fuite de chaleur entre l'espace de vente appelé espace chaud et les comptoirs réfrigérés appelés espace froid. L'analyse montre que le besoin énergétique en fonction de la température extérieure dépend de trois paramètres adimensionnels : la récupération de chaleur, l'isolation thermique du bâtiment et la charge interne. Le Chapitre 3 s'attaque à la réalisation technologique des objectifs formulés au Chapitre 2. L'analyse des postes de consommation énergétique dans un supermarché typique révèle tout le potentiel que représente la récupération de chaleur surtout dans un climat froid. Deux technologies de récupération de chaleur sont modélisées utilisant respectivement un serpentin à air et des pompes à chaleur. Dans un premier temps, la modélisation endoréversible est employée parce qu'elle offre un outil de compréhension tout en restant suffisamment précise. De façon complémentaire, un graphique basé sur l'analyse exergétique permet de visualiser les sources d'irréversibilités. On montre de façon théorique que pour obtenir la meilleure efficacité, la technologie utilisée doit être choisie en fonction d'un paramètre adimensionnel appelé charge de chauffage réduite. Dans un deuxième temps, une étude de cas basée sur un supermarché pilote instrumenté est proposée. Pour se faire, une investigation numérique est faite en introduisant les irréversibilités internes des compresseurs de réfrigération. Le modèle est suffisamment précis pour permettre le diagnostic d'un système en place et pour optimiser en fonction du climat local la technologie de récupération d'un supermarché à venir. Finalement, dans un dernier chapitre (Chapitre 4), l'optimisation du froid commercial est étendue aux tunnels de congélation. Une méthode pour l'intensification thermodynamique de la production est proposée. Cette étude se base sur deux indices de performance : la puissance exergétique qui représente un compromis entre la quantité (le débit massique des aliments) et la qualité (la température des aliments en sortie du tunnel); la destruction d'exergie spécifique qui représente la destruction de travail par unité massique de production due à la limitation des ressources (conductance thermique fixe). Un modèle endoréversible est présenté ainsi qu'une description mathématique des irréversibilités internes générées pendant le cycle thermodynamique de réfrigération. Une investigation numérique de la performance du système en fonction des variables de fonctionnement que sont le débit massique et la température d'évaporateur permet de déterminer une zone d'optimisation appelée « zone d'intensification ». Pour conclure sur la portée de nos résultats, il est bon de noter que la thermodynamique endoréversible appliquée à l'optimisation de la production de froid dans les supermarchés offre plusieurs avenues: qualifier de façon fondamentale la performance d'un système intégré de chauffage et de réfrigération en fonction d'une efficacité optimale théorique, jouant le même rôle que l'efficacité de Carnot; • diagnostiquer et prédire la performance d'un tel système; ▪ choisir une technologie d'intégration appropriée des systèmes de réfrigération et de chauffage en fonction des propriétés du climat et du bâtiment, dans une démarche de préconception. En outre, un mode de représentation des pertes basé sur l'exergie a été proposé. Il permet de visualiser et comprendre l'avantage de la récupération de chaleur dans les supermarchés. L'analyse exergétique est aussi employée pour résoudre le compromis quantité/qualité rencontré dans la pratique lorsque l'on produit des aliments congelés. Deux indices de performance ont montré leur pertinence car ils permettent de délimiter une zone d'optimisation appelée « zone d'intensification » en fonction des variables de fonctionnement d'un tunnel de congélation.
CONTENU La problématique du froid commercial -- La réfrigération dans le supermarchés -- Le point de vue technologique -- Un modèle pour l'analyse énergétique dans les supermarchés -- Les techniques de modélisation appliquées aux bâtiments commerciaux -- La performance idéale d'un supermarché -- A model for energy analysis in supermarkets -- The model -- Analysis -- La modélisation endoréversible comme outil de préconception pour l'intégration des systèmes CVC & R pendant le fonctionnement hivernal des supermarchés -- La modélisation détaillée appliquée aux supermarchés -- La modélisation simplifiée des systèmes de réfrigération -- L'intégration des systèmes de réfrigération et de chauffage dans les supermarchés -- Endoreversible modeling as a pre-design tool for the winter integration of HVAC and refrigeration in supermarkets -- Advantage of heat recovery -- Supermarket exergy analysis -- Analysis of ideal refrigeration and heating systems -- An endoreversible model of classic refrigeration and heating systems -- Optimization of heat recovery, comparison with data -- Analysis of an air coil heat recovery system -- Analysis of a heat pump recovery system -- Determination of the irreversibilities of the compressor -- Comparison of the HVAC & R models with data
