Charge partielle et performance saisonnière

Un groupe d'eau glacée se choisit sur son point nominal : pleine puissance, eau de tour chaude, l'heure la plus dure de l'été. Il passe pourtant presque toute l'année ailleurs, à une fraction de sa puissance et avec une eau de condensation plus froide. Ce chapitre suit le groupe du plateau sur toute sa plage de marche, montre comment il règle sa puissance et ce que cela lui coûte, puis compte son électricité de l'année par classes de température, comme le fait l'EN 14825:2022 pour la performance saisonnière.

49.1 Ce que le point nominal ne dit pas

Le groupe du plateau a été dimensionné aux chapitres 43 à 47 : deux compresseurs scroll en tandem au R-32 sur un même circuit, un évaporateur et un condenseur à faisceau tubulaire, une tour ouverte. Au point nominal, il fournit 120 kW d'eau glacée 12/6 °C avec une eau de tour entrant au condenseur à 24,95 °C, la température humide de projet plus une approche de 5 K (chapitre 47). Il absorbe alors 23,01 kW : son EER, rapport de la puissance frigorifique à la puissance électrique, vaut 5,215. C'est la valeur que reprend le chapitre 74 pour estimer la consommation, et celle qu'on compare d'une offre à l'autre.

Ce point est presque absent de l'année. Sur l'année 1 du plateau, avec le climat mensuel d'exemple de Paris-Montsouris du chapitre 74, le groupe marche 1 463 h et produit 63 391 kWh de froid. Sa charge moyenne est de 43,3 kW, soit 36,1 % de sa puissance. Un seul compresseur suffit pendant 1 171 h, 80,0 % des heures de marche, qui portent 62,0 % du froid ; les deux compresseurs ne tournent ensemble en continu que 3,8 h, 0,26 % du temps. L'électricité se dépense donc à charge partielle, par eau de tour tiède, et l'énergie de l'année s'écrit comme une somme sur les conditions réellement rencontrées :

E = Σ_j h_j · Φ_j / EER_j

où h_j est le nombre d'heures passées dans la condition j, Φ_j la charge frigorifique moyenne et EER_j l'efficacité du groupe à cette charge et à cette eau de tour. Un EER unique, pris au point nominal, revient à supposer que toutes les heures ressemblent à la plus chaude.

Un mot sur la pointe, puisque tout part d'elle. Le groupe a été choisi sur la constante de pointe du socle de calcul du cours, 114,71 kW. Ce nombre additionne la pointe de la batterie froide de la centrale à 31 °C et celle des cent bureaux, qui ne surviennent pas à la même heure, et il compte deux fois les 21,3 kW de l'air soufflé, une fois dans la batterie et une fois dans les bureaux. Sans ce double compte, la charge simultanée de la batterie et des ventilo-convecteurs vaut 93,4 kW. La simulation heure par heure de la journée de projet (chapitre 50) culmine, elle, à 113,33 kW entre 11 h et 12 h. Ce chapitre nomme toujours la pointe dont il parle. Les charges de l'année suivent la loi linéaire du chapitre 74, calée sur la somme des pointes de 114,71 kW : elles sont un peu fortes, donc prudentes.

49.2 Suivre la charge : étages, cyclage, vitesse variable

Un compresseur à vitesse fixe ne sait que marcher ou s'arrêter. Pour suivre une charge qui varie de 0 à 120 kW, le groupe dispose de deux étages. Avec un seul compresseur, il fournit 65,37 kW pour 9,90 kW électriques, soit un EER de 6,603, nettement mieux qu'à pleine charge. La raison est physique : un compresseur seul balaie la moitié du volume dans des échangeurs dimensionnés pour deux. Les écarts de température entre fluide et eau se resserrent, l'évaporation remonte de 2,00 à 3,82 °C, la condensation descend de 32,95 à 29,16 °C, et le compresseur travaille entre deux pressions plus proches. Au premier étage, l'eau glacée n'entre plus qu'à 9,27 °C pour en sortir à 6 °C.

Entre les deux étages, le premier compresseur marche en continu et le second démarre et s'arrête : il marche une fraction τ du temps. La puissance électrique moyenne est un mélange des deux étages :

τ = (Φ − Φ₁) / (Φ₂ − Φ₁) P = τ · P₂ + (1 − τ) · P₁

À 75 % de charge, 90,0 kW, τ vaut 0,451 et le groupe absorbe 15,81 kW, EER 5,69. Sous le premier étage, c'est le premier compresseur qui cycle. On note CR le rapport de capacité, quotient de la charge demandée par la puissance du premier étage. Chaque démarrage coûte : les pressions s'égalisent à l'arrêt, le fluide migre, les masses métalliques et l'huile se refroidissent ou se réchauffent, et le compresseur repart pendant quelques dizaines de secondes avec un EER dégradé. L'EN 14825:2022 représente cette perte par un coefficient de dégradation Cc, sans dimension, à mesurer, avec une valeur par défaut de 0,9 pour les groupes d'eau glacée faute d'essai, que reprend aussi le règlement (UE) 2016/2281 :

EER_cyc = EER₁ · CR / (Cc · CR + 1 − Cc)

Le facteur de dégradation reste modéré tant que le compresseur marche la plupart du temps : il vaut 0,909 à un rapport de capacité de 0,5, soit une perte de 9,1 %. Il s'effondre aux faibles charges : 0,769 à 0,25 (perte de 23,1 %), 0,526 à 0,1 (perte de 47,4 %). La courbe d'EER du groupe en fonction de la charge a donc une forme de dos d'âne : 5,22 à 100 %, 5,69 à 75 %, 6,54 à 50 % où le premier compresseur cycle à peine (CR 0,918), puis 5,91 à 25 % (CR 0,459) et 4,57 à 10 % (CR 0,184). Le meilleur point est un compresseur en marche continue, juste au premier étage.

Le cyclage a aussi un coût mécanique. Les règles de l'art, qui viennent des notices de compresseurs, limitent le nombre de démarrages par heure par des temporisations de marche et d'arrêt minimales, et demandent un volume d'eau suffisant dans la boucle pour que le groupe ne batte pas. Le chapitre 51 dimensionne ce volume ; le chapitre 50 montre qu'un stockage peut aussi faire marcher le groupe à pleine charge plus longtemps.

La vitesse variable supprime presque tout le cyclage. Un variateur de fréquence règle le débit balayé du compresseur ; le groupe suit la charge en continu jusqu'à une vitesse minimale, prise ici à 15 % de la puissance nominale, et ne cycle qu'en dessous. À charge réduite, les échangeurs entiers servent un débit de fluide réduit, comme au premier étage, mais sans palier. Le variateur coûte quelques pour cent : le cours prend un rendement de 0,97, de sorte qu'à pleine charge la variante à vitesse variable est un peu moins bonne que les étages. Le modèle garde aussi un rendement isentropique constant du compresseur, ce qui est optimiste aux basses vitesses, où les fuites internes pèsent davantage. Sur les vis, le tiroir de régulation fait la même chose de façon continue en renvoyant une partie du gaz à l'aspiration avant compression : la puissance absorbée baisse moins vite que la puissance frigorifique, et l'EER à charge partielle reste médiocre. C'est un constat d'ordre général, à vérifier sur les courbes de chaque machine.

49.3 L'eau de tour et l'eau glacée

La charge n'est pas le seul paramètre qui varie. L'eau de tour suit la température humide de l'air (chapitre 47) : plus elle est froide, plus la condensation baisse et plus le compresseur travaille facilement. Pour le groupe à deux compresseurs :

Autour du point nominal, chaque kelvin d'eau de tour en moins gagne 3,66 % d'EER et 0,65 % de puissance. À 18 °C, la condensation descend à 26,02 °C. D'où la règle de la haute pression flottante : on laisse l'eau de tour descendre avec la température humide au lieu de la réguler à sa valeur d'été. Il faut une limite basse. Le détendeur a besoin d'un écart de pression pour alimenter l'évaporateur, le compresseur d'un rapport de pression minimal pour bien lubrifier et rester dans son enveloppe de fonctionnement, et une tour qui refroidit trop fait condenser trop bas. Le cours retient 18 °C à l'entrée du condenseur, une valeur usuelle pour des scrolls ; la vraie limite se lit dans l'enveloppe du compresseur et se tient par la vanne de dérivation de la tour ou la vitesse de ses ventilateurs. Dans le modèle de l'année, l'eau de tour ne descend jamais sous 19,54 °C : l'humidité de l'air y est tenue à 10 g/kg toute l'année, ce qui surestime la température humide en mi-saison. Le gain de la HP flottante calculé plus loin est donc par défaut.

L'eau glacée joue dans l'autre sens. Chaque kelvin de départ en plus remonte l'évaporation : de 5 à 8 °C, la puissance passe de 116,74 à 126,71 kW et l'EER de 5,070 à 5,523, soit +2,88 % d'EER et +2,78 % de puissance par kelvin autour de 6 °C. Relever la consigne d'eau glacée en mi-saison est donc rentable, à condition que les batteries froides tiennent encore l'humidité de l'air (chapitre 37) et que les ventilo-convecteurs fournissent leur puissance avec une eau plus tiède. Le plafond théorique de tous ces gains est le cycle de Carnot entre l'eau glacée et l'eau de tour, 14,73 au point nominal : le groupe réel en atteint un peu plus du tiers.

49.4 Les indicateurs

Plusieurs nombres résument la performance d'un groupe. L'EER nominal, mesuré selon l'EN 14511 à pleine charge, ne décrit qu'un point. Les indicateurs saisonniers pondèrent plusieurs points de charge pour approcher la consommation d'une année.

Le SEER de l'EN 14825:2022 est le rapport du froid annuel à l'électricité annuelle sur une année de référence découpée en classes de température extérieure. La méthode, dite des classes, comporte trois étapes. D'abord, la charge de chaque classe suit une droite : nulle à 16 °C, pleine à la température de projet, 35 °C pour le climat moyen. Le taux de charge partielle vaut donc (T_j − 16) / (35 − 16). Ensuite, l'EER est mesuré en quatre points notés A à D, à 35, 30, 25 et 20 °C extérieurs. Pour un groupe à condenseur sur tour, l'eau entre alors au condenseur à 30, 26, 22 et 18 °C. Enfin, ces EER sont interpolés classe par classe, avec la dégradation Cc quand la machine cycle. Le nombre d'heures par classe vient d'une table que ce cours ne reproduit pas. Les points A à D, leurs taux de charge (arrondis à 74, 47 et 21 %) et ces eaux de tour figurent aussi à l'annexe III du règlement (UE) 2016/2281 ; le détail de la méthode reste à lire dans la norme.

L'ESEER est l'indicateur historique d'Eurovent, l'association européenne des industriels du génie climatique, diffusé par son programme de certification avant le SEER réglementaire. Il pondère quatre EER mesurés à 100, 75, 50 et 25 % de charge, avec la même eau de tour que les points A à D, par 3, 33, 41 et 23 % :

ESEER = 0,03 · EER₁₀₀ + 0,33 · EER₇₅ + 0,41 · EER₅₀ + 0,23 · EER₂₅

On le trouve encore sur beaucoup de fiches. L'IPLV américain de l'AHRI 551/591-2026 suit la même idée avec d'autres poids, 1, 42, 45 et 12 %, et une eau de tour qui descend à 19 °C dès 50 % de charge ; ses deux derniers points se trouvent donc tous deux à 19 °C, au lieu de 22 et 18 °C pour l'ESEER. L'AHRI essaie à 7 °C d'eau glacée et corrige le cyclage à sa façon ; l'exemple ci-dessous garde l'eau glacée du plateau et la règle Cc de l'EN 14825, c'est un IPLV calculé à la manière du cours. Les trois indicateurs ne se comparent pas entre eux.

En Europe, le règlement (UE) 2016/2281 d'écoconception fixe un rendement saisonnier minimal aux groupes de refroidissement de confort, exprimé en énergie primaire :

η_s,c = SEER / CC − F(1) − F(2)

avec un coefficient de conversion CC de 2,5, une correction F(1) de 3 % pour la régulation de température et une correction F(2) de 5 % pour les groupes eau/eau. Le seuil des groupes à eau de moins de 400 kW est de 200 % depuis 2021. Le CC de 2,5, le Cc par défaut et ce seuil du second palier ont été lus dans le règlement sur EUR-Lex. Le texte attribue F(2) aux pompes d'eau de nappe des groupes eau/eau ; la pratique la déduit aussi pour les groupes sur tour, et les valeurs de F(1) et F(2), qui viennent des méthodes de calcul associées, restent à vérifier.

49.5 Exemple 1 : EER aux quatre points et indicateurs du groupe

1. Taux de charge partielle. Avec (T_j − 16) / (35 − 16), les points A à D, à 35, 30, 25 et 20 °C, valent 100, 73,7, 47,4 et 21,1 %.
2. Point A, eau de tour 30 °C. Le groupe ne fournit que 116,00 kW à cette eau, au lieu de 120 kW à 24,95 °C. C'est la pleine charge de l'essai, avec un EER de 4,37.
3. Point B, 73,7 % et 26 °C : 85,48 kW. Le second compresseur marche τ = 0,379 du temps, EER 5,55.
4. Point C, 47,4 % et 22 °C : 54,95 kW. Un compresseur cycle à CR 0,825, EER 7,42.
5. Point D, 21,1 % et 18 °C : 24,42 kW, CR 0,358, EER 7,96. Le cyclage mange une partie du gain de l'eau froide : à 18 °C, le premier étage en marche continue ferait 9,39.
6. ESEER. Aux charges rondes de 100, 75, 50 et 25 % de la puissance à 30 °C, avec les mêmes eaux de tour, les EER sont 4,37, 5,52, 7,47 et 8,27, d'où ESEER = 0,03 · 4,37 + 0,33 · 5,52 + 0,41 · 7,47 + 0,23 · 8,27 = 6,92.
7. IPLV. Avec l'eau de tour de l'AHRI (30, 24,5, 19 et 19 °C), les EER valent 4,37, 5,88, 8,72 et 7,82, d'où IPLV = 7,37 (7,38 si l'on refait la somme sur ces valeurs arrondies).
8. Lecture. L'ESEER dépasse l'EER nominal de 5,215 de 32,6 %. Ce n'est pas un défaut de mesure : il donne un poids conventionnel, celui d'un bâtiment et d'un climat européens moyens, aux heures de charge partielle et d'eau de tour tiède.

Le dernier point mérite attention : à 25 % de charge, l'EER de l'IPLV (7,82) est plus faible que celui de l'ESEER (8,27) parce que l'eau de tour y est plus chaude d'un kelvin. À 50 %, c'est l'inverse : 8,72 contre 7,47, avec une eau plus froide de 3 K.

49.6 Exemple 2 : l'année du plateau par classes

La même méthode s'applique aux heures réelles du plateau. Le socle de calcul répartit les 1 463 h de marche de l'année 1 par classes de température extérieure moyenne pendant l'occupation. Il donne à chaque classe sa charge moyenne, par la loi du chapitre 74, et son eau de tour, température humide plus approche avec la limite basse de 18 °C. Le groupe est ensuite calculé classe par classe avec la règle d'étages et de cyclage de la section 49.2. Regroupé en bandes de cinq kelvins :

1. Froid par bande. Heures fois charge moyenne : 8 985, 30 303, 21 240 et 2 863 kWh, soit 63 391 kWh pour l'année.
2. Électricité. Chaque classe à son EER propre : 9 440 kWh pour le groupe seul. Il manque 2,5 kWh de froid, dans la bande de 30 °C et plus, où la charge dépasse parfois la puissance du groupe à son eau de tour.
3. SEER du plateau = 63 391 / 9 440 = 6,72, soit 28,8 % de mieux que l'EER nominal. La meilleure bande, 20 à 24 °C, est celle où un seul compresseur suffit, peu cyclé, sur une eau de tour fraîche. La bande la plus froide perd à cause du cyclage, la plus chaude à cause de l'eau de tour.
4. Estimation à EER constant. Le chapitre 74 divise le froid annuel par l'EER nominal de 5,215 : 12 156 kWh. Il surestime l'électricité du groupe de 2 716 kWh, et la méthode par classes donne 22,3 % de moins. Les auxiliaires du chapitre 74, pompes et tour, ajoutent 5 852 kWh dans les deux cas.

Ce SEER de 6,72 n'est pas le SEER réglementaire : il est calculé à 12/6 °C au lieu de 12/7 °C, sur les heures du plateau et non sur l'année de référence de la norme, et avec la charge du chapitre 74 plutôt que la droite de l'EN 14825. À titre d'illustration seulement, la formule du règlement 2016/2281 donnerait η_s,c = 6,72 / 2,5 − 8 % = 261 %, au-dessus du seuil de 200 %, qui correspond à un SEER de 5,20.

49.7 Exemple 3 : ce que valent la HP flottante, la vitesse variable et le cyclage

1. Eau de tour fixe. La même année, avec l'eau de tour tenue toute l'année à sa valeur de projet de 24,95 °C, donne un SEER de 5,98 et 10 608 kWh. La HP flottante économise donc 1 168 kWh, 11,0 % de l'électricité du groupe. Le gain se fait surtout entre 20 et 24 °C (601 kWh), puis de 15 à 19 °C (331 kWh) et de 25 à 29 °C (236 kWh) ; au-delà de 30 °C, l'eau de tour flottante est de toute façon proche de sa valeur de projet. C'est une valeur par défaut, puisque l'eau de tour du modèle ne descend pas sous 19,54 °C. Elle ne compte en revanche que le groupe : les auxiliaires restent à puissance constante dans les deux cas, alors qu'une tour tenue à 24,95 °C ralentirait son ventilateur en mi-saison. Le bon réglage cherche le minimum de la somme compresseur plus ventilateur de tour (chapitre 47).
2. Vitesse variable. La variante sans étages, à vitesse continue jusqu'à 15 % de charge, atteint un SEER de 7,39 et 8 575 kWh. Elle gagne 865 kWh, 9,2 % : 534 kWh dans la bande de 15 à 19 °C, où les étages cyclent le plus, 339 kWh entre 20 et 24 °C, presque rien au-dessus. Au-delà de 30 °C, elle perd même 9 kWh, à cause du variateur. Ce gain est optimiste, puisque le modèle garde le rendement isentropique de pleine vitesse.
3. Cyclage. Avec un compresseur qui ne perdrait rien au démarrage, Cc = 1, le SEER monterait à 7,08 et l'électricité tomberait à 8 958 kWh. Avec Cc = 0,8, il descend à 6,39 et 9 921 kWh. Avec la valeur par défaut de 0,9, le cyclage coûte au groupe à étages 481 kWh, soit 5,4 % de plus que sans perte au démarrage.
4. Ordre de grandeur. La HP flottante ne demande qu'un réglage de la tour et de sa limite basse, au prix d'un peu plus de ventilation de tour ; la vitesse variable coûte un variateur et se décide à l'achat. L'ordre des priorités en exploitation (chapitres 75 et 76) suit de là : d'abord la consigne d'eau de tour, puis celle d'eau glacée, ensuite seulement le matériel.

Pour retrouver ces gains sur une installation, il faut des mesures, et pas seulement des fiches : un compteur d'énergie frigorifique et un compteur électrique du groupe, relevés par classe de température. Le chapitre 76 décrit la vérification de ce genre d'économie et le chapitre 77 sa valeur sur la durée de vie.

À retenir

• Le point nominal décrit l'heure la plus dure. Le groupe du plateau tourne à 36,1 % de charge en moyenne et sur un seul compresseur 80 % du temps.
• Entre deux étages, le second compresseur cycle ; sous le premier, le premier cycle et l'EER chute selon Cc (0,9 par défaut dans l'EN 14825:2022). Le meilleur point est un compresseur en marche continue.
• Chaque kelvin d'eau de tour en moins vaut environ 3,7 % d'EER, chaque kelvin d'eau glacée en plus environ 2,9 %. La HP flottante a besoin d'une limite basse, ici 18 °C.
• SEER (EN 14825), ESEER et IPLV pondèrent des points de charge partielle, chacun avec ses poids et ses conditions : ils ne se comparent pas entre eux.
• Par classes, l'année du plateau donne un SEER de 6,72 et 9 440 kWh, 22,3 % de moins que l'estimation à EER constant du chapitre 74.
• Toujours dire de quelle pointe on parle : 114,71 kW de pointes additionnées, 93,4 kW de charge simultanée, 113,33 kW de pointe horaire.

Sources publiques : EN 14825:2022, méthode des classes, points d'essai A à D et coefficient de dégradation Cc (valeurs à vérifier sur le texte) ; EN 14511-1 à -4:2022 pour l'essai à pleine charge ; règlement (UE) 2016/2281 de la Commission, groupes de refroidissement de confort, sur EUR-Lex, version consolidée du 9 janvier 2017 (CC, Cc par défaut, points A à D et seuils lus sur le texte ; F(1) et F(2) à vérifier) ; Eurovent, définition de l'ESEER (pondération 3/33/41/23 %, historique) ; AHRI 551/591-2026 (SI), définition de l'IPLV (poids et eau de tour à vérifier sur le texte) ; S. Carnot, Réflexions sur la puissance motrice du feu, 1824, pour la borne ; ASHRAE, Handbook — HVAC Systems and Equipment, chapitres sur les compresseurs et les groupes refroidisseurs, pour la régulation par étages, par tiroir et par vitesse. Calculs : le modèle du cours du chapitre, sur le socle commun du cours, le modèle commun du cours.