Introduction
Dans les bâtiments industriels, il est essentiel de maîtriser la température dans les locaux. C'est pourquoi les installations de CVC (Chauffage Ventilation Climatisation) sont un volet important de la conception et de l'opérationnel d'un bâtiment qu'il est nécessaire de bien dimensionner et d'optimiser.
Pour limiter les consommations liées au conditionnement d’une installation il est souvent intéressant de pouvoir faire du free cooling, mais cela peut avoir plusieurs significations, essayons d’y voir plus clair.
Freecooling, freechilling ?
Dans tous les cas l’idée est d’utiliser directement l’air extérieur (ou une source froide) pour refroidir l’installation sans faire appel à une machine frigorifique.
Il n'existe pas de norme concernant le vocabulaire précis dans l'utilisation de l'air extérieur pour l'optimisation énergétique de la climatisation mais il faut bien distinguer deux cas :
L'air extérieur est directement envoyé dans une pièce car il est plus froid que l'air de la pièce. Il s'agit du free cooling direct
L'air extérieur est utilisé via un échangeur pour refroidir de l'eau (qui ira in fine dans une unité locale de refroidissement, CRAH). C'est du free cooling indirect
Et le free chilling ?
Parfois le terme de free chilling est employé lorsque l'on pré-refroidit l'eau entrant dans un chiller. Il s'agit bien d'un free cooling indirect qui peut être total (le chiller est à l'arrêt) ou partiel (le chiller complète le besoin en froid). Le terme chilling est généralement utilisé quand on parle d'une production d'eau glacée tandis que le terme cooling concerne les systèmes "tout air".
Dans cet article nous utiliserons la dénomination suivante afin d'éviter les ambiguïtés :
Free cooling : free cooling direct
Free chilling total : refroidissement d'un circuit d'eau glacée sans faire fonctionner le chiller
Free chilling partiel : pré-refroidissement d'un circuit d'eau glacée avant l'entrée dans un chiller
Schéma fluide du fonctionnement d’une installation en free chilling partiel :
On voit dans ce schéma que l’eau de process à refroidir se fait d’abord refroidir grâce au freecooling puis passe dans l’évaporateur du chiller qui complète le besoin en froid. L’utilisation d’un chiller refroidi à eau comme représenté ci-dessus n’est pas forcément nécessaire mais est une pratique commune pour les installations de fort puissance comme les datacenter.
Différences fondamentales
Dans le cadre de la conception des systèmes de ventilation d’un local on peut avoir à choisir (en fonction de l’installation, des dissipations, etc…) avec du conditionnement par l’air de soufflage uniquement, ou par des unités locales de refroidissement. En fonction on pourra faire du free cooling (en soufflant directement l’air frais) ou du free chilling (via les unités de refroidissement). Chaque solution ayant ses avantages et inconvénients (installation, taille des gaines, réseau d’eau…).
Si on considère un local pour lequel on cherche à maintenir 20°C, avec un point de consigne de soufflage à 16°C (lié au débit maximum des ventilateurs) la limite théorique de fonctionnement en free cooling total sera de 16°C, au-delà la pièce commencerait à se réchauffer et il faudrait utiliser un refroidissement mécanique en complément. Au-delà de 20°C l’apport d’air extérieur devient contre-productif et il est préférable de faire recirculer l'air (avec souvent un talon minimal d'air neuf pour assurer la fonction d'assainissement-renouvellement).
Dans le cas du free chilling, ce sont plutôt les tailles d'échangeur (température de pincement*) qui définissent les limites. En effet l'utilisation d'une boucle d'eau glacée nécessite deux échangeurs pour transférer la chaleur de l'intérieur vers l'extérieur. Un échangeur qui prélève les calories dans la pièce à climatiser, et un échangeur dehors qui rejette les calories à l'air libre.
Sur un échangeur air-eau on peut raisonnablement atteindre un pincement de 6K pour des échangeurs air-eau. On suppose également une augmentation de 5K du circuit d'eau glacée.
T eau froide = 16-6 = 10°C (eau en entrée de l’unité locale)
Régime d’eau = 10+5=15°C
T free chilling total =10-6 = 4°C (température de l’air pour free chilling total)
T eau chaude = 10+5 = 15°C (température limite de free chilling partiel, au-delà l’air réchauffe l’eau)
En résumé, d'un point de vue matériel, le free cooling est limité par la puissance des ventilateurs et la taille des gaines là où le free chilling est limité par les températures de pincements des échangeurs de chaleur.
*température de pincement : différence entre la température d'entrée du fluide froid et la température de sortie du fluide chaud. Pour un fluide froid (eau) qui entre à 14°C et un fluide chaud (air) qui sort à 20°C, la température de pincement est de 6K.
Influence des températures de consigne
Au vu de ce qui a déjà été dit précédemment, il apparaît clairement que plus la température de consigne de conditionnement est haute (que cela soit de l’air ou de l’eau qu’on refroidisse), plus le temps de fonctionnement possible en free cooling/free chilling est élevé.
C'est pourquoi dans le monde du datacenter, l'augmentation des températures supportables par les processeurs (et donc des régimes d'eau) rend de plus en plus intéressant la mise en place d'architecture intégrant des systèmes de free cooling. Ce levier est d'autant plus important dans le cas du DLC (Direct Liquid Cooling) qui implique des régimes d'eau encore plus élevés que pour le refroidissement à air classique. D’autant plus que cela facilite la récupération de chaleur.
Dans le contexte du datacenter, la mise en place de free chilling prend de plus en plus de valeur, réduisant fortement les consommations électriques liées au refroidissement.
Conclusion : comment choisir ?
Dans les locaux à fortes densités de charges thermiques (comme un datahall de datacenter, un local électrique de centrale nucléaire) il est souvent impossible et déraisonnable de conditionner directement avec l’air extérieur. On privilégiera donc le free chilling qui ne sera possible que si le régime d’eau est assez élevé (mais dans ce cas les échangeurs des locaux sont nécessairement plus encombrants).
Si on met en place du conditionnement local avec des régimes d’eau très bas (par exemple 5-10°C encore couramment utilisé dans les installations nucléaires) alors on se prive de la possibilité de faire du free chilling et l’on augmentera significativement les temps de fonctionnement des chillers et donc les coûts énergétiques du conditionnement.