Qu'est-ce que le Free cooling et quels sont les avantages ?
Le Free cooling (« rafraîchissement gratuit » en anglais) désigne les technologies qui mettent à profit une source de refroidissement naturelle (air frais extérieur, eau fraîche souterraine, eau profonde d’une mer ou d’un lac…) pour soulager ou supplanter les systèmes de climatisation/refroidissement. En utilisant la différence de température cette source de fraîcheur naturelle et le milieu à refroidir, on peut éviter d’utiliser un système classique de type groupe froid. Ce principe est utilisé dans le refroidissement de logements, de bureaux, de locaux à fort apport thermique interne (data centers, magasins fortement éclairés…) ainsi que dans l’industrie.
Les systèmes de refroidissement standards étant énergivores et fonctionnant à l’aide de fluides frigorigènes polluants, le Free cooling permet des économies d’énergie significatives.
Quels sont les différents systèmes de Free cooling ?
On distingue deux applications majoritaires :
- Le Free cooling en ventilation : cela consiste à utiliser une ventilation mécanique (CTA ou caisson d’insufflation) de manière intensive pour injecter de l’air frais dans un bâtiment, généralement la nuit lorsque la température extérieure est plus basse. Ce fonctionnement nocturne permet de « pré-rafraîchir » un bâtiment (notamment en été) et ainsi de retarder voire d’éviter le démarrage du système de climatisation le lendemain, et ainsi réaliser des économies d’énergie. Lorsque la température extérieure est suffisamment basse en journée, il est également parfois possible de fonctionner en Free cooling diurne pour évacuer la chaleur du bâtiment.
- Le Free cooling en refroidissement d’eau (aussi appelé Free chilling) : dans les réseaux d’eau glacée ayant une température de consigne relativement haute (généralement au-delà de 12°C), il est possible de refroidir le fluide par échange thermique avec l’air directement lorsque celui-ci est suffisamment frais. Ceci évite de démarrer les compresseurs, qui représentent 90 % de la consommation du groupe froid, et donc permet de réaliser des économies d’énergie significatives ! Le Free chilling peut être réalisé :
- Pour les groupes à condensation par air, directement au niveau du condenseur du groupe froid si ce dernier embarque cette option de régulation,
- Pour les groupes à condensation par eau associés à un aérocondenseur ou une tour aéroréfrigérante (TAR), par la mise en place d’une régulation qui met à l’arrêt les compresseurs du groupe froid et favorise l’aérocondenseur/la TAR (bypass).
- Le Free cooling naturel : refroidissement d’un local par amenée d’air sans ventilateur mécanique (en créant des mouvements d’air naturels via :
- L’ouverture des fenêtres,
- L’utilisation de la différence de température air chaud/air frais, aussi appelée effet cheminée
- La différence de pression engendrée par le vent.
- Le Free cooling hybride : toute combination de plusieurs types de Free cooling parmi ceux exposés précédemment.
Il existe également d’autres sources de Free cooling / Free chilling que l’air extérieur : le refroidissement à l’aide d’eaux souterraines ou de lacs, mers ou rivières, ou encore à l’aide d’air rafraîchi par le sol (c’est le principe du puits canadien par exemple).
Quelles sont les conditions d'utilisation et les limites ?
La réalisation de Free cooling passe par la mise en place d’une régulation qui :
- Mesure en continu la température de la source naturelle
- Détecte lorsqu’il est pertinent d’utiliser cette source
Dans tous les cas sauf celui du Free cooling naturel, l’utilisation d’un air frais pour refroidir implique des surconsommations de ventilation (au niveau de la CTA ou de l’aérocondenseur dans le cas des applications précédentes).
Le gain thermique lié au Free cooling ne devient supérieur à ces surconsommations que lorsque la différence de température entre la source et le milieu à refroidir est suffisamment grande.
Par exemple, pour refroidir un bâtiment de bureau en ventilation nocturne, le Free cooling par CTA devient généralement efficace à partir de 5°C à 10°C d’écart entre la température extérieure et la température intérieure, selon les caractéristiques du bâtiment.
Pour le refroidissement d’une boucle d’eau glacée, le Free chilling devient généralement efficace à partir d’un écart de 3°C entre la température extérieure et la température de la boucle d’eau glacée.
Quels sont les coûts associés ?
- Pour le Free cooling en ventilation, les coûts associés sont relativement faibles car il s’agit de travaux de régulation. Sur beaucoup de machines récentes, cette fonctionnalité est généralement prévue d’usine, il suffit alors de la paramétrer. Sur les machines plus anciennes, un bypass de l’échangeur de récupération de chaleur (pour les CTA double flux) doit être possible.
- Pour le Free chilling d’eau glacée, il arrive parfois qu’il faille installer un aérocondenseur plus puissant pour assurer que la puissance thermique soit suffisante, ce qui peut engendrer des coûts plus élevés.
Les Certificats d'Economies d'Energie (CEE) financent la mise en place ou l’intégration dans une installation de froid d’un système de type aérocondenseur/tour aéroréfrigérante pour toutes les installations qui refroidissent une boucle d’eau glacée comprise entre 12°C et 21°C.
Le système doit être capable d’assurer 100 % des besoins en froid dès lors que la température extérieure est inférieure d’au moins 3°C à la température de consigne de la boucle d’eau glacée.
La fiche CEE concernée est la BAT-TH-156 dans le bâtiment et IND-UT-135 dans l’industrie.
Pour le Free cooling naturel, son utilisation repose sur une conception architecturale pensée pour utiliser le phénomène, et doit donc se prévoir à la conception du bâtiment.
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