Études et dimensionnement des systèmes de refroidissement

Le dimensionnement sur un point de fonctionnement permanent ne suffit pas toujours à caractériser les performances d’un système de refroidissement. Lors d’une perte d’équipement ou d’un changement de configuration, les températures, les débits et les puissances évoluent dans le temps. Nous réalisons des études dynamiques pour quantifier ces transitoires et déterminer, par exemple, le temps disponible après la perte d’un groupe froid avant que la température d’un ballon tampon ou d’un circuit ne dépasse un critère donné.

Ces modèles permettent également d’analyser les phénomènes de cyclage des équipements. En représentant les équipements, leurs régulations et leurs consommateurs, nous pouvons identifier les conditions susceptibles de provoquer des démarrages et arrêts répétés, aussi bien sur les systèmes de climatisation que sur les circuits de refroidissement de groupes électrogènes de secours.

La simulation dynamique constitue enfin un outil d’aide au choix d’architecture. Différentes solutions peuvent être comparées dans des conditions représentatives de leur fonctionnement, par exemple pour évaluer l’intérêt du free cooling ou du free chilling dans un datacenter. Les performances énergétiques, les températures atteintes, les temps de réponse et les marges disponibles peuvent ainsi être comparés avant de figer les choix de conception.

Pour ces études, nous utilisons le langage de modélisation Modelica, adapté à la représentation des systèmes thermo-fluidiques complexes et au couplage de leurs différents composants. SIL3X contribue également au consortium OpenModelica et développe ses propres bibliothèques de modèles afin de répondre aux besoins spécifiques de vos études.

Notre article sur la différence entre le free cooling et le free chilling

Un réseau de refroidissement fonctionne rarement dans une seule configuration. L’isolement d’une branche, la marche partielle des consommateurs ou le basculement sur un équipement de secours modifient la répartition des débits et les pertes de charge. Une pompe sélectionnée sur le seul point nominal peut alors travailler loin de son rendement optimal, ou se révéler incapable de fournir le débit requis dans une configuration dégradée.

Nous réalisons la modélisation hydraulique des réseaux en intégrant les caractéristiques géométriques des circuits, les singularités, les échangeurs et les organes de réglage. Les données fournisseurs — courbes débit/pression, rendement, NPSH, plage de variation de vitesse — sont intégrées aux modèles pour représenter le comportement réel des équipements.

Ces modèles permettent de vérifier l’équilibrage du réseau dans chaque configuration, de quantifier les marges disponibles et de définir un pré-réglage des organes avant les essais de mise en service. Ils permettent également de vérifier l’autorité des vannes de régulation, dont un mauvais dimensionnement dégrade la stabilité de la régulation bien plus sûrement qu’un défaut de puissance installée.

Sur les réseaux de distribution étendus, la longueur des circuits introduit des effets propres : pertes thermiques en transport, temps de propagation entre production et consommateurs, et remontée de la température de retour par mélange. Cette dégradation de l’écart de température disponible réduit la capacité utile du réseau et conduit fréquemment à surdimensionner la production alors que le problème se situe dans la distribution.

La capacité d’un système de refroidissement dépend directement des conditions extérieures. Le dimensionnement s’appuie généralement sur une valeur extrême conventionnelle, mais le comportement réel dépend de la durée des épisodes chauds, de la température humide et du cycle jour/nuit. La disponibilité d’un groupe froid ou d’un groupe électrogène de secours peut dépendre de cette marge, et l’évolution des données climatiques de référence conduit à réinterroger des dimensionnements pourtant validés.

Nous modélisons les aéroréfrigérants secs, adiabatiques et les tours humides en tenant compte des propriétés de l’air humide, de l’approche des échangeurs, de l’encrassement et des phénomènes de recirculation. La simulation sur des données climatiques horaires permet de raisonner en performance saisonnière et en nombre d’heures de dépassement, plutôt que sur un point de dimensionnement unique.

Cette approche permet d’instruire l’arbitrage entre eau et électricité. Les dispositifs adiabatiques et humides consomment de l’eau pour gagner en performance et réduire la consommation électrique : quantifier le nombre d’heures de recours effectif à ces modes permet de chiffrer conjointement le WUE et le PUE, au lieu d’optimiser l’un au détriment de l’autre.

Dans un contexte nucléaire, ces études portent sur la source froide ultime et sur les circuits classés. Le modèle sert alors à justifier la marge disponible dans les conditions de dimensionnement retenues, en intégrant les contraintes propres aux équipements qualifiés.

Notre article sur le calculs PUE et WUE >

L’évolution des réglementations environnementales peut imposer le remplacement d’un fluide frigorigène utilisé sur une installation existante. Pour un industriel, le choix ne se limite alors pas au remplacement du fluide : il s’agit de déterminer si le retrofit permet de conserver les performances attendues, ou si le remplacement complet de la machine frigorifique constitue une meilleure solution.

Nous modélisons le fonctionnement des installations existantes afin d’évaluer l’impact d’un changement de fluide sur les capacités frigorifiques, les températures de fonctionnement, les consommations électriques et les performances saisonnières. Les résultats peuvent être confrontés aux performances mesurées sur site afin de disposer d’un modèle représentatif de l’installation réelle.

Pour ces études, nous disposons notamment de ChillerSysPro, un outil développé en langage Modelica permettant de modéliser le comportement des groupes frigorifiques avec différents fluides et conditions de fonctionnement. Sa représentation sous forme de composants permet d'intégrer le groupe froid dans une modélisation plus globale du système : contrôle-commande, consommateurs, réseaux hydrauliques et conditions aux limites peuvent ainsi être représentés conjointement. Les études peuvent alors être menées en régime permanent comme en dynamique, y compris pour des scénarios de fonctionnement dégradé ou accidentel.

Ces modèles permettent ensuite de comparer différents scénarios : retrofit de l’installation existante, adaptation de certains équipements ou remplacement complet de la machine frigorifique. L’impact sur les OPEX, les CAPEX et les performances de l’installation peut ainsi être quantifié pour éclairer le choix technico-économique et identifier la solution la plus pertinente à long terme.

Recaler un modèle sur les mesures du site pour identifier les gains accessibles sans modification lourde.

Une installation en service fonctionne rarement à son point de conception. Les consignes ont été ajustées au fil de l’exploitation, les charges réelles diffèrent des charges prévues, et certains équipements se sont dégradés. L’écart entre les performances attendues et les performances mesurées se situe le plus souvent dans les consignes et les séquences de régulation, plutôt que dans les équipements eux-mêmes.

Nous construisons un modèle de l’installation recalé sur les mesures disponibles, à partir d’un audit et de la confrontation entre résultats simulés et relevés d’exploitation. Une fois représentatif, ce modèle permet de tester des scénarios sans intervenir sur l’installation : modification des consignes de température, révision des séquences de cascade, ajustement des seuils de bascule en free cooling, passage en débit variable.

Les gains sont alors quantifiés avant décision, en consommation électrique, en consommation d’eau et en indicateurs de performance. Cette démarche identifie aussi les limites physiques de l’installation, c’est-à-dire le point au-delà duquel l’optimisation des réglages ne suffit plus et où un investissement devient nécessaire.

Le même modèle peut être utilisé pour le diagnostic. En comparant les grandeurs mesurées aux grandeurs attendues dans les mêmes conditions, il devient possible de remonter à l’origine d’une dérive ou d’une panne — échangeur encrassé, organe de réglage bloqué, capteur en défaut — là où les seules valeurs mesurées ne permettent pas de distinguer les causes.

L’approche système repose sur des volumes considérés homogènes. Or le comportement de certains composants dépend de la répartition spatiale des écoulements en leur sein, et une hypothèse d’homogénéité peut conduire à surestimer nettement la capacité réellement disponible.

C’est particulièrement vrai pour les ballons tampons, dont la qualité de stratification détermine la réserve utile et donc le temps disponible après la perte d’un équipement. Une géométrie d’entrée mal conçue détruit la stratification par brassage : le volume reste identique, mais la capacité exploitable et le temps de grâce associé diminuent.

Les prises d’air et les rejets constituent le second cas fréquent. La recirculation d’air chaud entre rangées d’aéroréfrigérants, ou d’un rejet vers une prise d’air, peut élever la température d’aspiration de plusieurs degrés et dégrader directement la puissance disponible aux conditions les plus critiques. Les simulations CFD externes, incluant les effets de vent, permettent de quantifier ce phénomène et d’orienter l’implantation des équipements.

Nous utilisons le code EDF Code_Saturne pour ces simulations. Les résultats ne restent pas isolés : ils alimentent les modèles système sous forme de coefficients ou de corrélations ajustées, de manière à ce que les études dynamiques et de dimensionnement s’appuient sur un comportement local représentatif.