Étude comparative de systèmes de réfrigération pour les arénas - Version HTML

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CanmetÉNERGIE à Varennes
1615, boul. Lionel-Boulet, P.O. Box 4800
Varennes, Québec, J3X 1S6
Canada

Cat. No. : M154-72/2013F
ISBN : 978-0-660-21079-7

Une version électronique de ce guide est disponible à l’adresse suivante :
Site Web : http://www.rncan.gc.ca

Cette publication, diffusée à des fins didactiques, ne reflète pas nécessairement le point de vue du gouvernement du Canada. De plus, pour ce qui est de son contenu, le gouvernement du Canada, ses ministres, ses fonctionnaires et ses employés ou agents  n’offrent aucune garantie et n’assument aucune responsabilité.

©Sa Majesté la Reine du chef du Canada, 2013

Préambule

Cette étude technico-commerciale a été réalisée par le Centre de recherche CanmetÉNERGIE de Ressources naturelles Canada avec la participation technique et financière des organismes et entreprises suivants :

  • Ville de Montréal;
  • Ville de Québec;
  • Ministère de l’Éducation, du Loisir et du Sport du Québec (MELS);
  • Ministère des Finances et de l’Économie du Québec (MFÉ);
  • Hydro-Québec;
  • Association québécoise des arénas et des installations récréatives et sportives (AQAIRS);
  • Fixair inc.;
  • Cimco réfrigération;
  • Carnot réfrigération;
  • Kube Solutions;
  • Mayekawa Canada Inc.;
  • Smart Ref;
  • Trane.

CanmetÉNERGIE…en bref

Mission

CanmetÉNERGIE de Ressources naturelles Canada constitue un chef de file en matière de développement technologique et de recherche se rapportant à l'énergie propre. Trois centres offrent des compétences expertes sur la recherche énergétique, lesquels sont situés à Devon (Alberta), à Ottawa (Ontario) et à Varennes (Québec).

CanmetÉNERGIE à Varennes, près de Montréal, offre une expertise scientifique et technique dans les domaines suivants : 

  • Analyse de projets d'énergies propres : RETScreen International;
  • Smart Grid : pour faciliter l'intégration des énergies renouvelables;
  • Énergie solaire photovoltaïque dans les bâtiments;
  • Énergie solaire photovoltaïque;
  • Optimisation des procédés industriels;
  • Réfrigération;
  • Pompes à chaleur;
  • Recommissioning (RCx);
  • Commissioning (Cx);
  • Commissioning (Cx) en continu

Environ 110 scientifiques, ingénieurs, technologues, gestionnaires et employés de soutien gèrent des programmes et offrent des services de science et technologie (S&T). Ces ressources travaillent avec les membres du secteur de l'énergie, du monde universitaire et de la protection environnementale en ayant recours à des ententes à frais partagés pour la réalisation de travaux effectués par les experts du Centre. En plus de constituer une fenêtre pour du financement fédéral, le Centre obtient aussi une large part de soutien financier du secteur privé et des autres organismes publics et parapublics.

Plus amples renseignements sur CanmetÉNERGIE-Varennes peuvent être obtenus sur le site Web suivant : http://www.rncan.gc.ca/energie/bureaux-labos/canmet/14495

Expertise en réfrigération

Le sujet de la réfrigération est traité à la Direction Bâtiments du Centre. Celle-ci compte environ 30 personnes-ressources composées de chercheurs, d’experts technologiques, de chargés et gestionnaires de projets de même que de personnel de soutien. Leurs travaux en réfrigération sont orientés principalement sur les sujets suivants :

  • Développer et promouvoir une approche intégrée de la réfrigération pour réduire la consommation d’énergie et les émissions de GES;
  • Une aide de la conception à l’implantation;
  • Le développement et l’optimisation de technologies émergentes de réfrigération.

Toutes les ressources du Centre ayant participé à la présente étude appartiennent à la Direction Bâtiments.
Des renseignements complémentaires, des rapports et des outils scientifiques peuvent être consultés par le lien suivant :
http://www.rncan.gc.ca/energie/efficacite/batiments/recherche/refrigeration/3842

Source : site Web de CanmetÉNERGIE

 
Table des matières
  1. CONTEXTE
    1. Situation actuelle des systèmes frigorifiques
    2. Rappel des grandes orientations environnementales
    3. Rappel de la réglementation en matière de réfrigération pour les arénas
    4. Efficacité énergétique et récupération de la chaleur
    5. Progrès technologiques et inventaire des options actuelles
  2. LES SYSTÈMES DE RÉFRIGÉRATION
    1. Introduction
    2. Méthodologie de réalisation
      1. Le bâtiment de référence
      2. Le choix des systèmes étudiés
      3. L’évaluation de la performance
      4. L’évaluation des coûts d’acquisition
      5. L’évaluation des coûts d’énergie
      6. L’évaluation des coûts d’entretien et de réparation
      7. La formation du personnel d’exploitation
      8. L’évaluation de la valeur résiduelle après 20 ans
      9. Durée de vie
      10. L’évaluation des appuis financiers
      11. L’évaluation de la valeur actuelle globale d’achat et d’exploitation sur 20 ans
      12. Les coûts non inclus
    3. Tableaux résumés des résultats
    4. Analyse des risques en fonction du type de réfrigérant
    5. Analyse des résultats de l’étude
    6. Fournisseurs potentiels

Liste des tableaux

Liste des figures

SOMMAIRE DE DIRECTION

CanmetÉNERGIE à Varennes a réalisé cette étude pour répondre aux interrogations des propriétaires d’arénas et de plusieurs organismes publics concernés par la vétusté et la désuétude de la majorité des systèmes de réfrigération présentement dans les arénas du Québec. Les principaux équipementiers qui fabriquent et installent ces systèmes se sont également intéressés à cette étude pour que soient véhiculées, dans le milieu, des évaluations objectives sur les options offertes.

Un grand nombre de critères techniques, financiers, environnementaux et de sécurité sont pris en compte dans ces évaluations. En plus d’avoir été financée en quasi-totalité par le milieu, l’étude a constitué un vaste chantier d’échanges et de mise en commun d’informations dans certains cas confidentielles, et ce, avec un nombre important de participants.

Plus précisément, les critères suivants sont considérés :

  1. Les types de systèmes à l’étude, au nombre de 12, correspondent à l’offre actuelle dans le marché.
  2. La performance de chaque système a été évaluée en considérant que chacun d’eux répond aux besoins d’utilisation d’un aréna réel. Il s’agit de l’aréna Camillien-Houde à Montréal. Ces évaluations ont permis de comparer les consommations et les coûts d’énergie, sur une période de 9 mois, avec précision.
  3. Les analyses financières ont été faites sur un horizon de vingt ans en considérant les éléments de coûts suivants :
    1. L’acquisition d’un système, en tenant compte des subventions et incitatifs disponibles présentement;
    2. Le coût des travaux connexes tels le démantèlement, la mise aux normes de la salle mécanique, si requise, et dans certains cas, les équipements de sécurité requis par les lois et règlements en cette matière;
    3. Les coûts d’énergie en tenant compte de la puissance, de la consommation et du tarif d’électricité en vigueur;
    4. Les coûts de l’entretien préventif et des entretiens réguliers incluant, lorsque requis, la surveillance périodique des systèmes par des mécaniciens de machines fixes;
    5. Les coûts de remplacement d’équipement, de travaux de réfection ou de remise au point survenant au cours des 20 ans;
    6. Une formation spécifique initiale et continue en matière de réfrigération à l’intention du personnel de l’aréna, c.-à-d. le gérant, l’ouvrier d’entretien et le mécanicien de machine fixe ou du frigoriste.

Les comparaisons financières sont effectuées à l’aide du calcul de la valeur actuelle (VA) de tous les coûts ainsi que le calcul de l’annuité correspondante. Des facteurs d’indexation, d’actualisation ainsi que des taux d’intérêt ont été pris en compte. Ces facteurs sont précisés dans le corps du rapport. Les résultats d’une analyse de sensibilité sur les facteurs les plus incertains dans le temps tel le taux d’indexation du prix de l’énergie sont également présentés dans l’étude.

Une analyse de gestion des risques fut confiée à un expert, JP Lacoursière inc., pour chacune des trois familles de réfrigérants considérées soit l’ammoniac, le CO2 et les HFC ou réfrigérants de synthèse. Les recommandations que ces études contiennent sont prises en compte à la fois comme mesure de prévention ou d’atténuation en cas d’accident.
Enfin, les experts de CanmetÉNERGIE ont analysé les résultats et formulé des constats et des commentaires dans le but de mieux assister les propriétaires d’arénas dans les choix qui s’offrent à eux aujourd’hui, en matière de réfrigération.
Voici les tableaux synthèses des résultats. LeTableau 1 résume le choix des 12 options retenues, le Tableau 2 se concentre sur les performances des 12 systèmes alors que le Tableau 3 affiche les résultats financiers. Les principaux constats et commentaires des experts les accompagnent. Plus de précisions sur les caractéristiques techniques des systèmes de réfrigération peuvent être obtenues dans le corps du rapport.

Tableau 1 : Les 12 options des systèmes retenus
réfrigérant fluide dans la dalle particularités exemple de réalisation avec ce concept
A1 Ammoniac
(R717)
Saumure Système ouvert monobloc à accumulateur d’énergie stratifié Aréna St-Ambroise par Cimco (Eco Chill)
A2 Ammoniac
(R717)
Saumure Système ouvert assemblé avec pompe à chaleur, concept ville de Montréal Aréna Camillien-Houde, Montréal
A3 Ammoniac
(R717)
Saumure Système ouvert assemblé avec pompe à chaleur, concept ville de Québec Aréna Bardy,
Ville de Québec
A4 Ammoniac
(R717)
Éthylène glycol Système ouvert monobloc avec port économiseur sur les compresseurs Aréna de Louiseville, par Fixair inc.
A5 Ammoniac
(R717)
Éthylène glycol Système ouvert monobloc avec compresseurs à pistons efficaces Aréna inconnu. Compresseurs Mayekawa.
C1 CO2
(R744)
CO2 Système semi-hermétique bibloc à évaporation dans la dalle Aréna de St-Gédéon de Beauce par CSC/CIMCO
C2 CO2
(R744)
Saumure Système semi-hermétique bibloc avec chauffage de l’air au CO2 Centre civique de
Dollard-des-Ormeaux
par Carnot Réfrigération
H1 HCFC – R22 Saumure Système ouvert traditionnel assemblé avec chauffage électrique Aréna Camillien-Houde avant le remplacement par un système à l’ammoniac
H2 HFC – R507A Saumure Système semi-hermétique monobloc sur base avec port économiseur sur compresseurs Aréna Olympia de Longueuil par Fixair Inc.
H3 HFC– R410A Méthanol Système hermétique modulaire de pompes à chaleur Aréna de Val-des-Monts, sans géothermie, par The Kube Solutions
H4 HFC – R507A Éthylène glycol Système semi-hermétique modulaire avec accumulateur d’énergie stratifié Aréna Lunenburg County lifestyle Complex par Cimco
H5 HFC – R134A Saumure Système semi-hermétique monobloc avec pompe à chaleur pour le chauffage de l’eau Aréna Centre Meredith de Chelsea par Trane
Tableau2 (a) : Sommaire des données techniques et de la performance des systèmes étudiés
n° de système identification principales caractéristiques techniques performance  
type d'assemblage réfrigérant charge (kg) compresseur
(type)
évaporateur (type) rejet de chaleur ext.
(type)
cop consommation d’énergie
(kwh/année)
écart puissance maximum
(kw)
émissions ges
(kg)
Annuel réfrigération Annuel chauffage Combiné Réfrigération Chauffage Total %
A1 Monobloc R717 45 OV PCT-N TED 2,4 7,6 3,2 407 000 77 100 484 100 -11 % 180 1 000
A2 Sur place R717 114 OP PT-N TEI 2,5 3,7 2,9 383 400 159 000 542 400 0 % 198 1 100
A3 Sur place R717 273 OP PI-N TEI 2,2 3,2 2,5 453 600 183 600 637 200 17 % 210 1 300
A4 Monobloc R717 320 OV PI-N TED 2,3 7,8 3,2 412 200 75 600 487 800 -10 % 179 1 000
A5 Monobloc R717 230 OP PI-N TED 2,1 21,5 3,3 446 400 27 400 473 800 -13 % 171 900
C1 Bibloc R744 1591 SHP TD-N RG 3,1 6,5 3,9 291 100 90 500 381 600 -30 % 181 800
C2 Bibloc R744 500 SHP PC-DD RG 2,6 19,8 3,8 374 500 29 700 404 200 -25 % 188 800
H1 Sur place R22 409 OP TC-DD CA 1,8 1,3 1,6 550 200 469 300 1 019 500 88 % 381 76 100
H2 Monobloc R507A 114 SHV PT-DD RF 2,0 5,8 2,7 468 400 101 300 569 700 5 % 197 10 300
H3 Modulaire R410A 45 HV PI-DD RF 1,7 5,9 2,3 554 600 100 400 655 000 21 % 225 2 900
H4 Modulaire R507A 100 SHV PI-DD RF 2,0 3,8 2,5 485 500 153 000 638 500 18 % 192 9 300
H5 Monobloc R134A 166 SHVV TC-TA RF 1,8 9,5 2,7 518 600 61 800 580 400 7 % 208 5 900
Tableau 2 (b) : Base de comparaison
Types de compresseurs Types d'évaporateurs et d'évaporations Types d'équipement de rejet de chaleur GES Écart
OP Ouvert à piston PCT-N Plaques/calandre/titane Noyé TED Tour d'eau directe Gaz à effet de serre: fuites réfrigérant + 0.002 kg/kWh Calculé par rapport au système A2
OV Ouvert à vis PT-N Plaque/titane Noyé TEI Tour d'eau indirecte
SHP Semi-hermétique à piston PI-N Plaque inox Noyé RG Refroidisseur de gaz
SHV Semi-hermétique à vis TD-N Tuyaux dans la dalle Noyé recirculé CA Condenseur à air
HV Hermétique à volute (scroll) PC-DD Plaque/calandre Détente directe RF Refroidisseur de fluide
SHVV Semi-hermétique à vis à capacité variable PT-DD Plaque/titane Détente directe    
    PI-DD Plaque/ inox Détente directe    
    TC-DD Tube/calandre Détente directe    
    TC-TA Tube/calandre Tuyaux arrosés    
Tableau 3 : Sommaire des données financières sur les systèmes étudiés
No. de système Identification Investissements Coûts d'exploitation Coût Global
Type d'assemblage Réfrigérant Coûts d'achat1 Moins
subvention2
Investissement initial net Énergie Entretiens annuels Entretiens + réparations périodiques Formation
initiale et
continue
Valeur
actuelle3
erreur sur les taux 95 % certitude5 Annuité Écarts4
      ($) ($) ($) ($) ($) ($) ($) ($) ($) ($/an) %
A1 Monobloc R717 912 000 596 300 315 700 930 400 307 400 45 800 32 100 1 631 400 ±170 000 109 700 -44 %
A2 Sur place R717 2 347 500 831 600 1 515 900 1 044 200 282 100 54 900 32 100 2 929 600 ±184 000 196 900 0 %
A3 Sur place R717 2 177 000 817 400 1 359 600 1 160 200 267 600 63 500 32 100 2 884 000 ±199 000 193 800 -2 %
A4 Monobloc R717 909 800 594 700 315 100 933 800 265 800 63 200 32 100 1 611 100 ±168 000 108 300 -45 %
A5 Monobloc R717 949 400 616 600 332 800 888 300 278 800 52 600 32 100 1 585 400 ±162 000 106 600 -46 %
C1 Bibloc R744 1 286 000 600 700 685 300 825 600 267 600 35 500 32 100 1 850 500 ±149 000 124 400 -37 %
C2 Bibloc R744 719 500 512 100 207 400 857 600 253 100 41 900 32 100 1 392 800 ±152 000 93 600 -52 %
H1 Sur place R22 82 000 0 82 000 1 843 300 289 300 106 000 18 100 2 373 800 ±305 000 159 600 -19 %
H2 Monobloc R507A 751 900 102 600 649 300 1 054 900 214 600 42 500 18 100 1 980 100 ±177 000 133 100 -32 %
H3 Modulaire R410A 399 300 98 000 301 300 1 205 900 179 000 51 800 18 100 1 756 400 ±196 000 118 100 -40 %
H4 Modulaire R507A 682 000 88 300 593 700 1 119 100 291 100 40 500 18 100 2 063 200 ±193 000 138 700 -30 %
H5 Monobloc R134A 649 000 108 200 540 800 1 111 200 90 400 40 400 18 100 1 801 300 ±174 000 121 100 -38 %

Base de comparaison:

  1. Coûts d'achat inclus salle mécanique classe T pour l'ammoniac et, pour 11 systèmes, les honoraires professionnels (No. H1 (R22) n'a pas de travaux majeurs)
  2. Inclus la somme des contributions du Mels, d'Hydro-Québec et du BEIE (programme OPTER)
  3. VA: valeur actuelle calculée sur 20 ans, les valeurs résiduelles ne sont pas incluses dans ce tableau
  4. Écart par rapport au système de référence A2 (R717)
  5. Les taux financiers qui ont servis à calculer les valeurs globales sont listés dans le Tableau 8 avec les incertitudes correspondantes. Les variations probables  ont été obtenues en faisant varier aléatoirement les valeurs des incertitudes sur les taux. L'échantillon comporte 500 combinaisons aléatoires de ces taux. Chaque valeur montre une erreur qui englobe 95 % des combinaisons.

Principaux constats des experts en réfrigération de CanmetÉNERGIE

À l’examen des données présentées dans les tableaux 1 à 3, plusieurs types de systèmes présentent des caractéristiques de performance et de coûts similaires. Le système au CO2 identifié C1 s’avère être le plus performant et le C2 comme le moins coûteux. Les systèmes au CO2 présentent néanmoins un certain nombre d’inconnus pour les propriétaires d’arénas en raison de leur nouveauté au Québec. Ces systèmes fonctionnent depuis moins de dix ans, ce qui rend difficile l'estimation de l’espérance de vie des équipements au CO2. De plus, les charges élevées de CO2 lorsque la tuyauterie se rend jusqu’à l'enceinte de la patinoire pourraient représenter un risque pour les occupants. Ce dernier aspect suscite d’ailleurs des réflexes de prudence auprès de l’expert en gestion de risques retenu dans cette étude. Pour les qualités intrinsèques que les systèmes CO2 au  offrent en matière environnementale et du peu de toxicité du réfrigérant, ils intéressent malgré tout plusieurs propriétaires innovateurs ou acheteurs précoces.

Par ailleurs, les systèmes à l’ammoniac offrent des valeurs sûres en termes de fiabilité et de performance à long terme. Le savoir-faire des équipementiers est reconnu et est source de confiance. L’ammoniac demeure cependant un produit dangereux et pour minimiser les risques d’accident, il faut mettre en place des mesures de sécurité exigeantes et parfois coûteuses. De la surveillance par des mécaniciens de machines fixes et des équipements de dispersion et d’absorption de l’ammoniac en cas de fuite dans la salle mécanique ou d’ouverture de la soupape de sûreté peuvent entraîner des coûts initiaux et récurrents significatifs.

Les HFC sont utilisés dans la grande majorité des nouveaux projets de climatisation résidentielle, commerciale et institutionnelle. Ils sont utilisés dans presque toutes les applications quotidiennes grand public, tels que les automobiles, les réfrigérateurs et les thermopompes. Cependant, les HFC font l’objet de débats sur des projets de proposition visant à réduire la production à moyen terme de ce type de réfrigérant à cause de son impact négatif en matière d’effet de serre. Les fuites de HFC dans l’atmosphère sont responsables d’environ 2 % des gaz à effet de serre, contre 84 % pour le CO2, 9 % pour le CH4 et 5 % pour le N2O (Source : U.S. EPA. 2009. Inventory of U.S. Greenhouse Gas Emissions and Sinks: 1990-2007. EPA Report #430-R-09-004, U.S. Environmental Protection Agency). Aussi, les systèmes de réfrigération pour les arénas comportant des HFC, plus à l’abri du caractère novateur des systèmes au CO2 et du danger des produits toxiques que présentent les systèmes à l’ammoniac, offrent des solutions moins coûteuses lorsque les capacités d’investissement des propriétaires sont limitées.

Enfin, la seule solution qui n’en est pas une est le statu quo ou la conservation des installations au R22, surtout lorsque celles-ci sont clairement parvenues à la fin de leur vie utile. Les coûts des réparations et du remplacement d’équipements vétustes, les coûts d’énergie ainsi que ceux associés aux réfrigérants de plus en plus rares à compter de 2015 sont des facteurs qui rendent cette option la moins avantageuse, en plus de constituer une source de pollution importante et préoccupante pour un propriétaire d’aréna.

En définitive, le choix final pourrait dépendre des facteurs suivants :

  1. La capacité financière du propriétaire;
  2. L’importance accordée à réduire les impacts environnementaux;
  3. La volonté et la capacité de gérer avec rigueur les risques que peuvent présenter certaines options;
  4. L’ouverture à l’innovation technologique et la confiance vis-à-vis certains risques technologiques.

Une fois les grandes orientations choisies, il sera possible de choisir parmi plusieurs options, celles qui permettront d’établir les critères des appels d’offres. Sans égard aux orientations choisies, il persiste aujourd’hui un devoir de prudence qui s’applique dans tous les cas, incluant celui du statu quo : celui d’assurer la santé et la sécurité des occupants par des analyses de risques sérieuses et la mise en place des solutions de prévention et d’atténuation qui minimisent les dangers.

Dans le cas des réfrigérants de synthèse qui demeurent de puissants gaz à effet de serre, l’objectif de minimiser la quantité présente dans les systèmes et de maximiser leur étanchéité par des assemblages fiables est également important.

Finalement, le marché actuel offre suffisamment d’options pour justifier auprès des propriétaires la réalisation d’analyses comparatives similaires à celles présentées dans ce rapport et bien adaptées au contexte et à l’utilisation de l’aréna concerné. Ces analyses comporteront possiblement moins d’options, mais elles feront néanmoins ressortir clairement tous les enjeux d’une réfection performante, efficace, sécuritaire et fournissant des services de qualité pour les 20 à 30 prochaines années.

Objectifs de l’étude

Cette étude a pour but d’éclairer les propriétaires et gestionnaires d’arénas sur les choix qui se présentent à eux lorsqu’ils planifient la réfection ou le remplacement d’un système frigorifique.

À cette fin, elle compare, sur les plans de la performance des coûts d’achat et d’exploitation, un système de réfrigération conventionnel utilisant le réfrigérant R22 à 11 autres systèmes de réfrigération couramment proposés sur le marché et utilisant l’ammoniac, le CO2 et des HFC sans SACO (substances appauvrissant la couche d’ozone).

Les risques pour la santé et la sécurité associés à chacune de ces trois familles de réfrigérants sont également analysés. Des recommandations spécifiques y sont présentées.

La méthodologie proposée dans cette étude pourra également être utilisée par les professionnels chargés de conseiller leurs clients sur le système frigorifique répondant le mieux à leurs besoins.

CONTEXTE

Situation actuelle des systèmes frigorifiques

Au Québec, on compte environ 425Note de bas de page 1 arénas et 75 centres de curling.

Parmi ceux-ci, 71 % ont plus de 30 ans et 62 % utilisent le réfrigérant R22 de type HCFC (hydrochlorofluorocarbure). Celui-ci est une substance appauvrissant la couche d’ozone. L’ammoniac, un réfrigérant naturel, est présent dans 30 % des installations.

Les systèmes de réfrigération dans les arénas connaissent présentement une évolution marquée par un nombre important d’événements contextuels :

  • Le réfrigérant R22 est en voie d’être éliminé suite au Protocole de Montréal relatif aux substances qui appauvrissent la couche d’ozone;
  • La majorité des systèmes de réfrigération sont à la fin de leur vie utile et nécessitent des rénovations majeures ou un remplacement;
  • Les nouveaux systèmes sont beaucoup plus efficaces et incorporent des mesures d’amélioration énergétique qui réduisent d’au moins 40 % la consommation et les coûts d’énergie;
  • Des concepts novateurs apparaissent sur le marché et suscitent beaucoup d’intérêt auprès des propriétaires et gestionnaires d’arénas;
  • En mars 2012, le ministère de l’Éducation, du Loisir et du Sport du Québec met en œuvre un programme d’aide financière de 160 millions $ pour améliorer les systèmes de réfrigération des arénas et centres de curling.

L’ensemble de ces évènements dynamise le marché tout en soulevant plusieurs interrogations auprès des propriétaires et gestionnaires d’arénas :

  • Comment se comparent les divers types de systèmes sur le plan de la performance et des coûts?
  • Les systèmes nouveaux sont-ils fiables?
  • Qu’en est-il de l’aspect sécurité et des obligations réglementaires?

C’est dans le but d’apporter des réponses les plus précises possibles à ces interrogations que cette étude fut amorcée à l’automne 2012.

 

Informations complémentaires sur les arénas au Canada

Au Canada, il y a approximativement 2 500 arénas avec glace artificielle, dont environ 425 au Québec. Les provinces de l’Ontario et du Québec comptent à elles seules près de la moitié des installations. Au Québec, le secteur municipal est le propriétaire le plus important (près de 80 % du parc), le reste étant partagé à parts égales entre le secteur institutionnel et le secteur privé. Au Québec, 75 % des arénas en opération aujourd’hui ont été construits entre 1960 et 1970. Il n’est donc pas étonnant de constater que dans la majorité des cas, les systèmes de réfrigération sont aujourd’hui vétustes et désuets.

Les systèmes de réfrigération dans les arénas canadiens utilisaient traditionnellement le réfrigérant HCFC-R22 ou l’ammoniac (R717). Le R22 était présent surtout dans les Prairies (Manitoba et Saskatchewan) et au Québec. La principale raison de cette prédominance est qu’auparavant, ces systèmes coûtaient moins cher à l’achat tout en offrant une excellente performance opérationnelle. Cependant, le R22 est une substance appauvrissant la couche d’ozone (SACO) et il est désormais réglementé par le protocole de Montréal dont l’objectif est l’élimination des SACO. Une section de ce rapport est notamment dédiée à l’aspect règlementaire de ce réfrigérant. Les fuites de R22 dans les systèmes de réfrigération des arénas sont devenues courantes et importantes à cause de la vétusté des systèmes d’où l’importance de remplacer ce réfrigérant.

L’ammoniac R717 était utilisé principalement, et presque exclusivement, en Ontario. Selon les statistiques de la dernière décennie, c’est la province qui détient, à elle seule, près de 27 % des glaces canadiennes1. Dans les années 2005, l’ammoniac était le réfrigérant le plus économique, écologique et performant de tous les réfrigérants connus, utilisés aux conditions d’opération dans les arénas. Par ailleurs, sa toxicité et son inflammabilité demandent une attention particulière; de fait, il est fortement réglementé au Québec. Cet aspect est traité plus en détail dans l’analyse de risques en fonction du type de réfrigérant.

En 1996, l’aréna typique d’une glace comportait un système de réfrigération de 60 à 90 tonnes et opérait de 6 à 8 mois par année. Ce modèle représentait les deux tiers des arénas. La consommation d’énergie du système frigorifique occupait 50 % du bilan énergétique total des arénas. En 2005, c’était toujours le même modèle pour près des 63 % des arénas du Canada.

Les bâtiments de type aréna, bien qu’ayant des architectures et des dimensions différentes, ont néanmoins plusieurs points en commun: des charges importantes de chauffage d’espace et d’eau et des besoins simultanés de réfrigération. Les émissions de gaz à effet de serre (GES) sont aussi élevées en raison de la consommation d’énergie et des fuites de réfrigérant lorsqu’il s’agit de produits de synthèse.

Pour l’ensemble du Canada, la consommation d’énergie d’un aréna d’une seule glace exploitée pendant 9 mois pouvait atteindre 1 780 MWh. Aujourd’hui, l’évolution dans la conception et l’exploitation des arénas a permis de réduire considérablement à la fois la consommation d’énergie et les émissions de GES comme cette étude le démontrera.

1 Refrigeration Action Plan for Canada’s Ice Rinks and Curling Rinks, Marbek Resource consultants Ltd, January 2005.

 

Rappel des grandes orientations environnementales

Plusieurs pays dont le Canada ont fixé des objectifs, établi des règlements et développé des programmes qui visent à réduire les impacts environnementaux occasionnés par les réfrigérants de synthèse lorsque ceux-ci s’échappent dans l’atmosphère. Deux effets négatifs sont particulièrement visés :

  • La destruction de la couche d’ozone;
  • L’effet de serre.

Les impacts des principaux réfrigérants sont illustrés dans le Tableau 4. À noter que suite au Protocole de Montréal, les réfrigérants les plus nocifs pour la couche d’ozone, c.-à-d. CFC-R11 et CFC-R12, ont été éliminés, alors que les HCFC-R22 et R123 sont en en voie de l’être. Il s’avère désormais qu’un grand nombre de réfrigérants de synthèse, dont l’effet sur la couche d’ozone est très faible ou nul, contribuent au réchauffement global de façon très significative. De fait, l’indice PRG (potentiel de réchauffement global) qui mesure l’importance de l’effet de serre indique que les réfrigérants de synthèse ont des indices variant de 1 430 à 4 000 par rapport à l’indice 1 du CO2. Ceci précise l’importance de l’impact environnemental des réfrigérants de synthèse.

À cet effet, de nouveaux projets d’accords internationaux sont en voie d’être signés dans le but de parvenir à des objectifs précis de réduction à moyen terme de tous les réfrigérants de synthèse, et ce, précisément pour restreindre les émissions de gaz à effet de serre (GES). Ces accords proposent de réduire graduellement la consommation de réfrigérants de synthèse dès 2016 jusqu’en 2033, alors que la production sera plafonnée à 15 % de la moyenne des années 2005 à 2008. Dans la situation actuelle, l’objectif de minimiser les fuites et les quantités de réfrigérant contenues dans les systèmes frigorifiques prend une importance particulière.

Tableau 4  : Les principaux réfrigérants et leurs impacts sur l’environnement
Réfrigérant Composants PRG(1) PDO(2)
R-717 Ammoniac 0 0
R-744 Dioxyde de carbone (CO2) 1 0
CFC-R11 Pur 3800 1.0
CFC-R12 Pur 8100 1.0
HCFC-R22 Pur 1810 0,055
HCFC-R123 Pur 76 0,012
HFC-R134A Pur 1430 0
HFC-R404A R-125 /143A/134A 3900 0
HFC-R407A R-32/125/134A 2100 0
HFC-R407c R-32/125/134A 1800 0
HFC-R410A R-32/125 1725 0
HFC-R417A R-125/134A/600 2300 0
HFC-R422A R-125/134A/600A 3100 0
HFC-R422d R-125/134A/600A 2700 0
HFC-R427A R-32/125/143A/134A 2100 0
HFC-R507a R-125 /143A 4000 0

Légende :

Caractère gras = fréquents dans les arénas
(1) PRG : Potentiel de réchauffement global
(2) PDO : Potentiel de destruction de l’ozone
Source : ASHRAE Handbook Fundamentals 2009, Refrigerants

Sous l’influence des orientations environnementales actuelles des gouvernements, les concepteurs de systèmes frigorifiques d’arénas se sont engagés dans des processus de transformations importantes des systèmes dont les principales sont :

  • Minimiser la quantité de réfrigérant dans les systèmes, ce qui en retour réduit les impacts négatifs en cas de fuite. Traditionnellement, les systèmes comportaient en moyenne 700 kg de réfrigérant soit 9 kg/tonne de réfrigération, alors que les concepts récents ont des charges inférieures à 3 kg/tonne;
  • Améliorer les méthodes d’assemblage des systèmes pour réduire les risques de fuite;
  • Développer des réfrigérants de synthèse de transition sans effet néfaste sur l'environnement. Les fabricants de réfrigérants de synthèse ont développé les HFO qui offrent un potentiel de réchauffement global de seulement 4. Par contre, ce réfrigérant de synthèse est très controversé : on connaît mal ses effets sur l'environnement et sa disponibilité est limitée. Il n'a pas encore été utilisé dans les arénas;
  • Promouvoir l’ammoniac comme solution « verte » et permanente;
  • Innover en introduisant une autre solution « verte » et permanente avec les systèmes fonctionnant au CO2.

Rappel de la réglementation en matière de réfrigération pour les arénas

Plusieurs organismes nationaux et internationaux sont intervenus dans le but de minimiser les impacts environnementaux des fuites de réfrigérant. D’autres organismes se sont penchés sur les risques pour la sécurité des personnes que ces fuites pouvaient présenter. Ces interventions sont inscrites dans des codes et règlements. Au Canada, ceux-ci relèvent des divers paliers de gouvernement, fédéral et provincial, ainsi que des administrations municipales. Le Tableau 5illustre les principaux règlements s’appliquant aux systèmes frigorifiques des arénas au Québec. Dans la section traitant de la gestion des risques associés aux divers réfrigérants, ces lois et règlements ont été pris en compte dans l’élaboration des recommandations formulées.

Tableau 5  : Lois et règlements s’appliquant aux systèmes frigorifiques des arénas
IDENTIFICATION AUTORITÉ RÉFRIGÉRANTS VISÉS OBJET DU RÈGLEMENT NOTES
Règlement sur les halocarbures Gouv. du Québec
  • Tous les réfrigérants de synthèse
  • Récupération des réfrigérants lors de travaux sur les équipements
  • Qualification des travailleurs
Décret 384-2007
B52-05 Code sur la réfrigération mécanique CSA - ACNOR
  • Tous les réfrigérants incluant l’ammoniac et le CO2
  • Les exigences minimales requises pour la conception, la construction, l'installation, l'inspection et l'entretien des systèmes de réfrigération mécanique
Minimise les risques de blessures pour les travailleurs et le grand public.
Publié en 2005
Loi canadienne sur la protection de l’environnement, 1999 Gouv. du Canada
  • Tous les réfrigérants incluant l’ammoniac et le CO2
  • Cadre législatif concernant la prévention de la pollution
 
Règlement sur les urgences environnementales de la Loi canadienne sur la protection de l’environnement, 1999; Gouv. du Canada
  • Tous les réfrigérants considérés comme substances dangereuses
  • Les exigences concernant la déclaration de la présence des substances dangereuses et la description du plan d’urgence s’y rapportant
 
Règlement sur les substances appauvrissant la couche d’ozone Gouv. du Canada
  • Toutes les substances appauvrissant la couche d’ozone
  • Les exigences touchant la fabrication, la distribution et l’utilisation des SACO en vue de leur élimination graduelle
Interdiction d’importer et d’utiliser des SACO à compter de 2030
CSST
Systèmes de réfrigération fonctionnant à l’ammoniac : mesures de prévention
Gouv. du Québec
  • Ammoniac
  • Guide de prévention concernant la manipulation et à l’entreposage, de même que les mesures de protection et de gestion préventive des risques liés à l’utilisation des installations de réfrigération
 
Loi sur la sécurité civile Gouv. du Québec
  • Tous les réfrigérants
  • La protection des personnes et des biens contre les sinistres
 
Règlement sur les appareils sous pression Gouv. du Québec
  • Tous les réfrigérants
  • La fabrication, l’installation, la réparation et l’utilisation des systèmes sous pression
 
Règlement sur les mécaniciens de machines fixes Gouv. du Québec
  • Tous les réfrigérants
  • Détermine le mode de surveillance des systèmes frigorifiques
 
Règlement sur la santé et la sécurité au travail Gouv. du Québec
  • Tous les réfrigérants
  • Mesures de prévention
 

Efficacité énergétique et récupération de la chaleur

Depuis plusieurs années, les installations de réfrigération dans les arénas ont fait l’objet d’améliorations énergétiques importantes, tant sur le plan de la performance des équipements que sur les façons de récupérer la chaleur que ces installations rejetaient anciennement dans l’atmosphère.

La récupération de la chaleur perdue a permis à elle seule de réduire de plus de 40 % la consommation et les coûts d’énergie et de 80 % les émissions de gaz à effet de serre. Ces derniers provenaient de l’utilisation de combustibles pour le chauffage de l’eau et des locaux.

La Figure 1 illustre un système de réfrigération conventionnel sans récupération de chaleur et la Figure 2, un système de conception récent utilisant les rejets thermiques pour combler plusieurs besoins de chauffage dans l’aréna. Seuls les rejets thermiques en excédent des besoins de chauffage sont rejetés dans l’atmosphère.

Aréna traditionnel

Figure 1 : Aréna traditionnel (les rejets thermiques sont évacués à l’extérieur)

 
Aréna contemporain

Figure 2 : Aréna contemporain (les rejets thermiques sont réutilisés et l’excédent est rejeté dans l’atmosphère)

 

Les utilisations les plus fréquentes de la chaleur récupérée sont les suivantes :

  • Le chauffage de l’aire des gradins, des chambres de joueurs et des autres locaux de l’aréna;
  • Le chauffage de l’eau des douches ainsi que de l’eau utilisée pour le surfaçage de la patinoire;
  • La fonte de la neige, c.-à-d. de la fine couche de glace retirée lors du surfaçage;
  • Le chauffage sous la dalle de la patinoire pour éviter le gel du sol.

Certains concepts proposent aussi des accumulateurs de chaleur sous forme de réservoirs d’eau chaude ou de matériaux à changement de phase pour stocker les surplus et les réutiliser comme appoint, lorsque les besoins de chauffage excèdent temporairement la quantité de chaleur fournie par le système frigorifique.

Compte tenu de leur effet sur les coûts d’exploitation et les émissions de GES, l’efficacité énergétique et la récupération de la chaleur sont devenues, au cours des ans, des incontournables dans les installations nouvelles tout comme lors de la rénovation ou du remplacement d’un système existant.

 

Informations complémentaires sur l’efficacité énergétique

Deux changements majeurs en matière de récupération de chaleur sont survenus au cours de la dernière décennie. Le premier fut l’adoption et l’intégration quasi unanimes de la réutilisation de la chaleur des gaz chauds des compresseurs pour préchauffer l’eau chaude domestique. Le deuxième changement fut l’utilisation de la chaleur de condensation pour combler, à l’aide de boucles secondaires, les autres besoins de chauffage de l’aréna. L’utilisation de boucles secondaires a eu un second impact fort important : confiner le réfrigérant dans les salles mécaniques, et par conséquent, diminuer la charge totale de réfrigérant dans le système de réfrigération et ainsi les impacts environnementaux et les risques associés aux fuites.

En 1995, au Québec, il se construisait toujours des arénas d’une ou deux glaces sans récupération de chaleur. À cette période, les mesures d’économie d’énergie innovatrices étaient l’installation d’un plafond à faible indice d’émissivité, l’utilisation de l’éclairage efficace pour l’enceinte de l’aréna et l’installation d’un contrôleur de puissance pour optimiser la pointe électrique. Il y avait peu de projets qui touchaient le système de réfrigération proprement dit.

Voici quelques données de consommation énergétique sur les arénas anciens :

  • 1 525 000 kWh-équivalent d’énergie consommée en moyenne par an et par aréna (500 kWh/m2/année) soit deux fois plus que la moyenne des bâtiments municipaux qui s’élève à 236 kWh/m2/année;
  • 50 % de la consommation annuelle d’électricité était pour la réfrigération;
  • 30 % était pour le chauffage de l’eau et de l’air;
  • 10 % seulement de l’énergie rejetée par le système de réfrigération était récupérée;
  • Les émissions de gaz à effet de serre (GES) de l’aréna de référence s’élevaient à plus de 145 tonnes de CO2 équivalent par année;
  • Le système de réfrigération rejetait au condenseur trois fois plus d’énergie que les besoins de chauffage de l’aréna.

La portée des projets d’ingénierie a commencé à s’élargir avec le fruit des recherches, la diffusion d’informations et l’arrivée de divers programmes incitatifs, le premier étant le PIRAQ (Programme d’intervention en réfrigération dans les arénas du Québec) géré par l’AAQ (Association des arénas du Québec) maintenant AQAIRS (Association québécoise des arénas et des installations récréatives et sportives) conjointement avec autres partenaires tels que l’Agence de l’efficacité énergétique, maintenant le BEIE (Bureau de l’efficacité et de l’innovation énergétiques), et le LRDEC (Laboratoire de recherche en diversification énergétique du Canada) maintenant CanmetÉNERGIE. 

D’autres programmes ont suivi le PIRAQ :

  • PARB, Programme d’action en réfrigération pour les bâtiments, CTEC Varennes (aujourd’hui CanmetÉNERGIE, Centre de recherche de Varennes);
  • OPTER, Programme d’optimisation en réfrigération-volet arénas et centres de curling, Bureau de l’efficacité et de l'innovation énergétiques (BEIE);
  • Appui aux initiatives – Optimisation énergétique des bâtiments d'Hydro-Québec, Marché commercial et institutionnel. Celui-ci porte désormais le nom de Programme Bâtiments;
  • Programme de soutien pour le remplacement ou la modification des systèmes de réfrigération fonctionnant aux gaz R-12 ou R-22 dans les arénas et les centres de curling du Québec offert par le Ministère de l’Éducation, des Loisirs et des Sports du Québec (MELS).

Les trois derniers programmes sont toujours offerts à la date de publication de ce rapport.

Globalement ces programmes exerçaient des actions sur plusieurs fronts : le transfert technologique aux ingénieurs-conseils et manufacturiers-assembleurs d’équipements, des projets de démonstration de technologies innovatrices, des formations et des incitatifs financiers.

Depuis 2008, 68 demandes d’aide financière et plus de 60 études de faisabilité ont été déposées au Programme d’optimisation en réfrigération (OPTER) - volet arénas et centres de curling du BEIE. Ces projets représentent la majorité des rénovations majeures qui ont été réalisées. Voici quelques chiffres qui démontrent à quel point le marché des équipements de réfrigération des arénas s’est transformé :

  • 75 % de ces nouveaux projets ont choisi l’ammoniac;
  • 80 % des arénas ont implanté un système de récupération d’énergie capable de récupérer l’équivalent de la capacité totale du système de réfrigération;
  • 35 % des systèmes à l’ammoniac utilisent moins de 1 kg d’ammoniac/tonne de réfrigération;
  • 80 % des installations aux réfrigérants de synthèse utilisent moins de 3 kg de réfrigérant/tonne de réfrigération;
  • 76 % de toutes les installations utilisent moins de 3 kg de réfrigérant/tonne de réfrigération.

Cette transformation progressive du marché a contribué à rendre les arénas beaucoup moins énergivores et coûteux à exploiter tout en réduisant considérablement leur empreinte environnementale.

 

Progrès technologiques et inventaire des options actuelles

En plus des améliorations énergétiques décrites précédemment, les systèmes frigorifiques d’arénas n’échappent pas aux innovations technologiques. Toujours sous l’impulsion des impératifs environnementaux et l’effet de la hausse quasi constante des prix de l’énergie, les équipementiers n’ont jamais cessé d’innover et d’offrir aux propriétaires et gestionnaires d’arénas le fruit de leurs recherches.

Les innovations les plus marquantes de ces dernières années seraient :

  • L’avènement des systèmes frigorifiques au CO2 opérant en mode transcritique (réfrigérant gazeux comprimé et refroidi à haute pression c.-à-d. à plus de 7 MPa (± 1 000 lbs/po²));
  • Le réfrigérant CO2 circulant et s’évaporant directement dans le réseau de tuyauterie dans la dalle;
  • Les systèmes complets de réfrigération préassemblés fonctionnant à l’ammoniac ou au HFC et prêts à être déposés dans une salle mécanique. Certains comportent même des accumulateurs thermiques;
  • L’arrivée prochaine des réfrigérants de type HFO qui minimiseront l’effet de serre. Conçus d’abord pour les climatiseurs d’automobile, ils pourraient être mélangés à des HFC pour fonctionner avec les systèmes frigorifiques comme ceux des arénas. Leur indice PRG serait alors fixé au niveau maximum de 150.

LES SYSTÈMES DE RÉFRIGÉRATION

Introduction

Un grand nombre de données techniques et financières ont servi à produire les résultats fournis dans ce rapport. Dans le but de faciliter l’examen de ces résultats, ils sont colligés ici dans des tableaux synthèses. Pour approfondir la compréhension de résultats spécifiques ou obtenir de plus amples détails, on se rapportera aux annexes correspondantes indiquées au bas des tableaux.

En plus de faire appel à une équipe chevronnée d’experts œuvrant au sein de CanmetÉNERGIE, un grand nombre d’intervenants du milieu (équipementiers, propriétaires d’arénas, frigoristes et formateurs) ont été consultés tout au long de la réalisation de ce projet dans le but d’en assurer la plus grande objectivité. Des données recueillies sur des bâtiments réels, des calculs faits par des simulations avec des courbes de performance fiables et de fréquentes validations ont contribué à ce résultat.

Méthodologie de réalisation

La méthodologie utilisée pour obtenir ou déterminer les composantes de l’étude peut se résumer comme suit :

Le bâtiment de référence

Tous les systèmes à l’étude ont été analysés comme s’ils étaient installés et exploités dans le même bâtiment :il s’agit de l’aréna Camillien-Houde, propriété de la ville de Montréal. Cet aréna fut choisi comme bâtiment de référence parce qu’il est suffisamment représentatif du parc d’arénas au Québec. De plus, la proximité du bâtiment avec les habitations voisines en fait un excellent cas pour les analyses de risques.

Les principales caractéristiques de cet aréna sont les suivantes :

  • Une seule glace;
  • Occupation 9 mois par an (incluant la période de mise en route et d’arrêt);
  • Superficie totale du bâtiment : 3 733 m² (40 171 pi²) ;
  • Nombre de places dans les gradins : 300 – 500;
  • Horaire d’occupation : 6 h à 24 h ;
  • Indice d’émissivité du plafond: 0,85;
  • Humidité relative au-dessus de la glace : 50 %;
  • Puissance d’éclairage : 18 W/m²;
  • Température de la zone des gradins : 15 °C (60 °F);
  • Température de la glace : -6 °C (21 °F);
  • Systèmes de réfrigération : R22 – 6 compresseurs de 30 HP;
  • Boucle secondaire : saumure avec pompe de circulation de 25 HP et réseau à deux passes;
  • Récupération de la chaleur : désurchauffeur pour le chauffage de l’eau de surfaçage et des douches;
  • La dalle est en bonne condition.

Le choix des systèmes étudiés

Ce choix fut fait par les experts de CanmetÉNERGIE en fonction de leurs connaissances du marché et de la vigie qu’ils font, en continu, sur l’évolution des technologies de réfrigération au Canada et au plan international. Chacun des systèmes fut par la suite discuté et validé avec les organismes et entreprises participant à l’étude. Les schémas de systèmes sont à l’image de ce qui est couramment offert par les équipementiers présents sur le marché canadien. Le Tableau 6 résume le choix des 12 options retenues. À noter que l’option A2 utilisant le réfrigérant à l’ammoniac servira de base de comparaison pour les 11 autres systèmes à l’étude.

Tableau 6  : Principales caractéristiques des 12 systèmes de réfrigération étudiés
réfrigérant fluide dans la dalle particularités exemple de réalisation avec ce concept
A1 Ammoniac Saumure Système ouvert monobloc à accumulateur d’énergie stratifié Aréna St-Ambroise par Cimco (Eco Chill)
A2 Ammoniac Saumure Système ouvert assemblé avec pompe à chaleur, concept ville de Montréal Aréna Camillien-Houde, Montréal
A3 Ammoniac Saumure Système ouvert assemblé avec pompe à chaleur, concept ville de Québec Aréna Bardy, Ville de Québec
A4 Ammoniac Éthylène glycol Système ouvert monobloc avec port économiseur sur les compresseurs Aréna de Louiseville par Fixair inc.
A5 Ammoniac Éthylène glycol Système ouvert monobloc avec compresseurs à pistons efficaces Aréna inconnu. Compresseurs Mayekawa.
C1 CO2 CO2 Système semi-hermétique bibloc à évaporation dans la dalle Aréna de Saint-Gédéon-de-Beauce par CSC/CIMCO
C2 CO2 Saumure Système semi-hermétique bibloc avec chauffage de l’air au CO2 Centre civique de
Dollard-des-Ormeaux
par Carnot Réfrigération
H1 HCFC – R22 Saumure Système ouvert traditionnel assemblé avec chauffage électrique Aréna Camillien-Houde avant le remplacement par un système à l’ammoniac
H2 HFC – R507A Saumure Système semi-hermétique monobloc  sur base avec port économiseur sur compresseurs Aréna Olympia de Longueuil par Fixair Inc.
H3 HFC– R410A Méthanol Système hermétique modulaire de pompes à chaleur Aréna de Val-des-Monts par The Kube Solutions
H4 HFC – R507A Éthylène glycol Système semi-hermétique modulaire avec accumulateur d’énergie stratifié Aréna Lunenburg County Lifestyle Complex par Cimco (Eco Chill)
H5 HFC – R134A Saumure Système semi-hermétique monobloc avec pompe à chaleur pour le chauffage de l’eau Aréna Centre Meredith de Chelsea par Trane

Légende : A2 = Base de comparaison

L’évaluation de la performance

Tous les systèmes à l’étude ont fait l’objet d’une simulation énergétique basée sur la performance réelle des équipements. Cette simulation tenait compte de la puissance des équipements, heure par heure, du temps de fonctionnement, de la température extérieure et des besoins de récupération de chaleur.

À cette fin, des logiciels de calculs reconnus furent utilisés.

Ces caractéristiques techniques furent ensuite inscrites dans un chiffrier Excel VBA pour établir les consommations mensuelles et annuelles d’énergie.

Le COP (coefficient de performance) est également calculé pour chaque type de système.

 

Coefficient de performance

Le coefficient de performance (COP) est un indice résultant du rapport de l’énergie utile obtenue (ou le service rendu), divisé par l’énergie consommée. Par exemple, le COP d’un compresseur de réfrigération est défini par la puissance de froid qu’il peut fournir divisé par la puissance électrique requise par le compresseur. Si un compresseur consomme 100 kW d’électricité pour produire 300 kW de froid son COP sera de 300/100 = 3.0. Le COP de réfrigération d’un compresseur est normalement plus grand que 1.

Les systèmes de réfrigération analysés dans cette étude comprennent beaucoup de composantes qui consomment de l’énergie comme des pompes, des tours de refroidissement, des pompes à chaleur, etc. Pour faciliter l’analyse et la comparaison des performances énergétiques des systèmes qui sont étudiés dans ce rapport, nous définissons trois nouveaux COP de système. Dans le paragraphe qui suit, nous définissons un COP de système de réfrigération, un COP de chauffage ainsi qu’un COP combiné.

COP moyen du système de réfrigération

Le COP moyen du système de réfrigération est défini par l’énergie de froid produite durant la saison d’opération divisée par toutes les dépenses énergétiques requises pour le fonctionnement du système de réfrigération, soit :

  • L’énergie consommée par les compresseurs;
  • L’énergie consommée par la tour de refroidissement, condenseurs, refroidisseurs de gaz ou de fluide;
  • L’énergie consommée par les pompes de fluide secondaire (saumure, glycol et autres);
  • L’énergie consommée par le système de réfrigération auxiliaire pour les systèmes au CO2.
Équation 1
 
Version textuelle

Équation 1

COP réfrigération est égal à E réfrigération, divisé par E compresseurs + E tours d'eau et condenseur + E pompes + E réfrigération auxiliaire.

Plus cette valeur est élevée, plus le système de réfrigération est économique, c’est-à-dire qu’il peut produire du froid à moindre coût.

 

COP moyen de chauffage

Le COP de chauffage est défini comme l’énergie de chauffage produite durant une saison d’opération (chauffage de l’air plus le chauffage de l’eau) divisée par les dépenses énergétiques associées au chauffage :

  • Pompes à chaleur pour le chauffage de l’air;
  • Pompes à chaleur pour le chauffage de l’eau;
  • Pompes de fluide secondaire;
  • Chauffage auxiliaire de l’air;
  • Chauffage auxiliaire de l’eau.
Équation 2
 
Version textuelle

Équation 2

COP chauffage est égal à E chauffage de l’eau + E chauffage de l’air, divisé par E pompe à chaleur + E pompes + E chauffage auxiliaire.

Plus cette valeur est élevée, plus le système de chauffage et de récupération d’énergie est économique. Le COP d’un système de chauffage électrique est égal à un, les COP de chauffage calculés avec la définition proposée sont largement plus grands que un lorsque l’énergie provient de la récupération de chaleur des systèmes de réfrigération. Certains systèmes montrent des COP de chauffage plus grand que 4, ce qui veut dire que ces systèmes consomment quatre fois moins d’énergie qu’un système de chauffage électrique.

COP combiné

Dans le cas du COP combiné, l’énergie utile est définie par l’énergie de froid produite + l’énergie de chauffage produite. Un système de réfrigération peut avoir un COP de réfrigération très élevé et un COP de chauffage très faible s’il n’y a pas de récupération de chaleur. Dans une optique de système qui doit à la fois fournir de la réfrigération et de la chaleur, il faut considérer les deux services rendus. Le COP combiné est donc définit par :

Équation 3
 
Version textuelle

Équation 3

COP combiné est égal à E réfrigération + E chauffage de l’eau + E chauffage de l’air, divisé par E compresseurs + E tours d’eau et condenseur + E pompes + E réfrigération auxiliaire + E pompes à chaleur + E pompes + E chauffage auxiliaire

Dans un système de réfrigération avec récupération d’énergie, c’est cette valeur qui doit être maximisée. Ce COP tient compte à la fois de la performance de réfrigération et de chauffage. Le COP combiné représente un moyen simple pour comparer les performances énergétiques de systèmes complexes.

 

L’évaluation des coûts d’acquisition

Les investissements requis pour remplacer un système de réfrigération ont été obtenus par des équipementiers en fonction des caractéristiques techniques que nous avons déterminées et du schéma de système présenté. Tous les systèmes sont considérés comme étant implantés dans le bâtiment de référence. Les prix soumis ont par la suite été validés avec le concours de gestionnaires d’arénas et avec l’aide des données disponibles dans le programme OPTER. Les éléments de coûts incluent :

  • Le système de réfrigération avec toutes ses composantes à l’état neuf;
  • Les composantes du système de récupération de la chaleur en considérant le chauffage de l’enceinte et de l’eau chaude domestique pour les douches et le surfaçage;
  • Les composantes de sécurité recommandées dans les rapports de gestion des risques réalisés par JP Lacoursière inc.;
  • Le démantèlement et l’enlèvement des équipements remplacés;
  • Lorsqu’applicable, l’adaptation et/ou l’agrandissement de la salle mécanique lorsque cela est exigé par l’application des codes et règlements et, en particulier, du code B52. Les salles de mécaniques de classe T sont prévues avec les systèmes à l’ammoniac (voir l’encadré sur les principales caractéristiques d’une salle classe T);
  • L’installation et mise en service : le système de contrôle, la supervision et coordination en chantier, l’alimentation et les raccordements électriques de puissance des équipements jusqu’au panneau des sectionneurs et contrôles dans le local technique. Le transport, la location d’outils, la structure et supports des équipements, la tuyauterie, les valves et calorifugeage, l’identification, le remplissage de réfrigérant et le balancement hydronique;
  • Les honoraires professionnels pour les études, la conception et la surveillance des travaux établis à 10 % du coût d’acquisition avant subvention;
  • Le coût des analyses de risques pour les systèmes à l’ammoniac et au CO2;
  • Les taxes sont exclues.

Note importante : Dans le cas du système de référence H1 au HCFC-R22, les travaux de remplacement d’équipements vétustes tels que deux des six compresseurs, les condenseurs à air, le moteur de la pompe circulatrice ainsi que le retubage des évaporateurs ont été considérés comme l’investissement initial de remise en état du système.

 

LES PRINCIPALES CARACTÉRISTIQUES D’UNE SALLE MÉCANIQUE  CLASSE T

Une salle mécanique comportant un système de réfrigération à l’ammoniac doit être conforme aux exigences classe T, exigée par le code B52 de l’ACNOR (Agence canadienne de normalisation). Ceci comporte :

  • Une salle étanche par rapport à l’air intérieur et ventilée en permanence par de l’air extérieur;
  • Contrôle de la ventilation hors du local;
  • Accès au local contrôlé;
  • Une porte donnant accès directement à l’extérieur du bâtiment;
  • Un vestibule permettant l’accès à la salle avec porte-coupe-feu;
  • Des masques et/ou respirateurs autonomes disponibles en cas de fuites majeures;
  • Une procédure d’urgence écrite;
  • Des exercices et de la formation pour le personnel;
  • Un détecteur d’ammoniac couplé à un système d’alarme et démarrant le système de ventilation d’urgence pour évacuer, à l’extérieur, les vapeurs d’ammoniac qui se seraient accumulées dans la salle mécanique;
  • L’alarme prévient le personnel d’entretien puis les pompiers;
  • Aucun appareil à combustion dans la salle.
 

L’évaluation des coûts d’énergie

Les coûts d’énergie sont calculés pour les systèmes de réfrigération et de récupération de la chaleur pour le chauffage de l’enceinte et de l’eau chaude pour les douches et le surfaçage. L’éclairage et les autres besoins d’énergie ne sont pas considérés dans cette étude.

Les coûts furent établis en considérant que l’électricité est la seule source d’énergie utilisée pour combler tous les besoins énergétiques de réfrigération et de chauffage (espace et eau) même lorsqu’un chauffage d’appoint est requis pour certains usages comme le chauffage de l’eau de surfaçage.

Le calcul du coût de l’électricité a été effectué avec le tarif M (2013) d’Hydro-Québec. Il tient compte de la puissance mensuelle à 13,71 $/kW et de la consommation à 0,0449 $/kWh. La règle établissant la puissance minimale de facturation a été prise en compte. Celle-ci ne peut être inférieure à 65 % de la puissance maximale appelée durant les mois d’hiver (1er décembre au 31 mars). Le facteur de puissance est considéré supérieur à 90 % en tout temps.

L’évaluation des coûts d’entretien et de réparation

Les coûts d’entretien et de réparation ont été subdivisés comme suit :

La maintenance préventive externe

Celle-ci inclut tous les travaux d’entretien qui doivent être exécutés tous les ans sur le système frigorifique. Il s’agit en général de trois ou quatre visites par an : la mise en route du système au début des opérations, l’inspection périodique des données de fonctionnement incluant les changements d’huile et la mise à l’arrêt du système en fin de saison. Le coût a été établi à l’aide des contrats de service des entreprises spécialisées et confirmé par des municipalités.

L’entretien régulier et les inspections

Les tournées régulières d’inspection, lorsque requises, le traitement chimique des condenseurs ou des échangeurs évaporatifs ou des tours d’eau, les valves et autres équipements à remplacer tous les ans sont considérés comme des entretiens réguliers dont des coûts ont également été obtenus après consultation des personnes compétentes.

Une dépense annuelle moyenne égale à 2 % du coût d’immobilisation a été prévue à cet effet sauf pour le concept H5 considéré à 0,5%. Cette dépense inclut les salaires du personnel interne et les coûts mineurs variables au fil des années, les interventions du personnel (réglages, révision, contrôles, vérification de l'opération et état des équipements, ajout de réfrigérants, les essais et calibrage des systèmes de détection de réfrigérants, etc.), les remplacements des pièces et  les coûts mineurs nécessaires pour maintenir le système en bonne opération. Les appels de service sont également inclus dans ce budget annuel.

La surveillance périodique

Pour les systèmes à l’ammoniac, lorsqu’exigée par le règlement sur les mécaniciens de machines fixes (MMF), la surveillance périodique est prévue dans les coûts, avec plusieurs options :

  • Les salaires habituels versés aux mécaniciens de machines fixes lorsque ceux-ci sont des employés municipaux, et ce, en fonction du temps consacré à cette tâche et du salaire généralement payé, plus les avantages sociaux;
  • Lorsque confié en impartition, la valeur moyenne des contrats de service de surveillance offerts par les équipementiers ou les entrepreneurs spécialisés.

Quelques variantes sont envisagées dans cette étude pour tenir compte des pratiques mises en place par les municipalités. Dans certaines municipalités, même si le règlement n’exige qu’une surveillance périodique (visite minimale d’inspection d’une heure par jour), ces visites peuvent prendre jusqu’à plus de 3 heures par jour selon le programme d’inspection que la municipalité a mis en place.

Un coût normalisé de 16 000 $/an a été arrêté suite à plusieurs consultations. Les impacts financiers de ces coûts, sur la durée de vie de 20 ans, sont présentés aux Tableaux 23 et 24.

L’entretien et les réparations périodiques

Ceux-ci incluent la remise à neuf de compresseurs à des fréquences indiquées dans les tableaux détaillés des coûts d’entretien. Ce mode d’entretien tient compte des modèles utilisés. Le nettoyage des échangeurs et le remplacement des garnitures d’étanchéité lorsqu’applicables y sont également traités. Enfin, le remplacement de moteurs de pompes circulatrices est également inclus. Lorsque des équipements ont des vies utiles inférieures à 20 ans, les coûts de remplacement sont prévus. Une valeur résiduelle est prise en compte s’il y a lieu. Les coûts ont été établis comme précédemment pour l’entretien régulier par consultation auprès des fournisseurs et des gestionnaires d’arénas.

La formation du personnel d’exploitation

Pour être exploités adéquatement et d’une manière sécuritaire, les systèmes à l’ammoniac et au CO2 requièrent des formations spécialisées. Les systèmes utilisant des HFC sont déjà connus et requièrent peu de formation nouvelle.

Alors que des écoles d’enseignement offrent des formations pour les systèmes à l’ammoniac, aucune école n’offre à ce jour la formation pour les systèmes au CO2. Dans ce cas, ce sont les équipementiers qui forment le personnel d’exploitation. Les coûts de formation considérés dans l’étude sont :

Pour l’ammoniac :

  • Formation d’un jour pour le gestionnaire d’arénas, deux jours pour l’ouvrier d’entretien et 5 jours pour un MMF ou un frigoriste;
  • Les formations sont considérées in situ;
  • Les coûts de formation incluent uniquement les frais d’inscription;
  • Lorsque les formations ont lieu dans des maisons d’enseignement, il faudra ajouter le salaire de l’apprenant, s’il y a lieu, et un budget de dépenses;
  • Une formation continue tous les 2 ans est également prévue (frais d’inscription seulement).

Pour le CO2 :

  • Même approche à la formation pour les systèmes au CO2;
  • Le coût de la formation initiale offerte par l’équipementier a été établi au même titre que pour l’ammoniac;
  • Une formation continue tous les 2 ans est également prévue.

L’évaluation de la valeur résiduelle après 20 ans

L’étude tient compte que certaines composantes devront être remplacées avant 20 ans, alors que d’autres ont une espérance de vie supérieure à 20 ans. Lorsque certains équipements doivent être remplacés à l’intérieur du délai de 20 ans, le coût de remplacement est pris en compte à l’année où il survient. S’il y a lieu, une valeur résiduelle de cet équipement de remplacement est prise en compte à la 20e année. Les équipements qui ont une espérance de vie supérieure à 20 ans se voient attribuer une valeur résiduelle à la 20e année. Dans tous les cas, la valeur résiduelle est calculée en fonction du coût d’acquisition et au prorata du nombre d’années de vie restant au-delà de 20 ans. Les valeurs résiduelles sont ensuite actualisées et soustraites du bilan des coûts.

 

LA VALEUR RÉSIDUELLE DES ÉQUIPEMENTS

La valeur résiduelle désigne « la valeur de ce qui reste d’un bien acquis à l’issue de la durée économique du projet (ou période d’analyse) » Elle se détermine par rapport au prix d’acquisition du bien et la valeur économique de l’amortissement pratiquée sur ce bien.

Le mode d’amortissement peut être linéaire, croissant ou décroissant, en unité de temps, etc. Toutefois, à défaut de modes mieux adapté, le mode d’amortissement linéaire est le plus couramment utilisé. C’est le mode retenu dans cette étude.

L'amortissement linéaire est calculé comme suit : 

Amortissement linéaire en $/an =  Valeur monétaire d’acquisition en $                                                                                                                                             Durée de vie utile de l’acquisition en années

Valeur résiduelle =  Valeur de l’amortissement en $/an x nombres d’années de vie restante au-delà de la période d’analyse.

Plus la valeur initiale de l’acquis ou la durée de vie utile est élevée, plus la valeur résiduelle sera élevée à la fin de la période d’analyse économique.

Exemple de calcul : Un nouveau système de réfrigération a une valeur d’acquisition  de 600 000 $ et une espérance de vie de 30 ans. Quelle est la valeur résiduelle de cet investissement à la fin de la période d’analyse économique lorsque celle-ci a une durée de e vie de 20 ans.

Amortissement linéaire = 600 000 $/30ans = 20 000 $/an
Après la 20e année, il reste 10 ans de vie utile :
Valeur résiduelle après la 20e année = 10 ans x 20 000 $/an = 200 000 $

Note importante : Dans la présente étude, les amortissements sont appliqués à l’ensemble des investissements destinés aux équipements de réfrigération. Ils ne sont toutefois pas appliqués sur les investissements relatifs aux bâtiments comme les salles de mécanique architecturale de classe T. La valeur de ces investissements immobiliers demeure généralement stable ou même augmente dans le temps. Dans cette étude, la valeur de ces investissements a été maintenue constante, c.-à-d. sans amortissement jusqu’à la fin de la période d’analyse.

Ces coûts en dollars constants sont ensuite actualisés, c.-à-d. transformés en dollars d’aujourd’hui (ou en valeur actuelle), en tenant compte de la durée de temps séparant la dépense future du présent. Plus la dépense est éloignée dans le temps, plus la valeur actuelle sera réduite, et ce, en fonction du taux d’actualisation (discount rate) choisi.

La valeur résiduelle des équipements de réfrigération est également actualisée.  Elle est cependant considérée comme nulle si la durée de vie utile de l’acquis correspond à la durée économique du projet.

Exemple de calcul : En reprenant la valeur résiduelle à la 20e année du système de réfrigération calculée précédemment soit 200 000 $, quelle en serait la valeur actuelle (VA)? Le taux d’actualisation choisi est de 3%/an?

VA = 200 000 $ x 0,5537 (facteur d’actualisation pour 3% et 20 ans) = 110 740$ $ 

Note : la valeur résiduelle d’une salle mécanique architecturale de classe T est assujettie à un taux d’actualisation nul conformément aux pratiques comptables habituelles.

 

Durée de vie

Dans cette étude, nous utilisons la même définition de la durée de vie des équipements qu’ASHRAE dans son HandbookHVAC Applications 2011, Owning and Operating Costs, Chapter 37. La durée de vie moyenne d’un équipement correspond à l'âge le plus élevé auquel le taux de survie demeure égal ou supérieur à 50 %. Par exemple, si 50 % ou plus des appareils de réfrigération démarrés il y a 25 ans sont toujours en opération, la durée de vie de ceux-ci est d’au moins 25 ans. Donc, le fait de remplacer un compresseur sur un système de réfrigération ne détermine pas la durée de vie du système, mais du compresseur seulement. Le remplacement complet du système de réfrigération détermine sa durée de vie. Les raisons du remplacement du système sont multiples:

  • Équipements défectueux et non opérationnels;
  • Pièces de rechange ne sont plus disponibles;
  • Technologie désuète;
  • Fiabilité inacceptable;
  • Coûts de maintenance excessifs;
  • Changements importants dans l’application (agrandissement majeur, ajout de patinoire…).

La durée de vie des équipements est un facteur très important pour calculer le coût global. La durée de vie affecte les coûts de maintenance périodique et la valeur résiduelle des équipements après 20 ans d’opération.
Les coûts de maintenance périodique comprennent par exemple :

  • L’entretien des compresseurs de type ouvert après quelques milliers d’heures d’opération;
  • Le remplacement d’un compresseur de type semi-hermétique après quelques années de fonctionnement;
  • Le nettoyage et le remplacement des joints d’étanchéité des échangeurs à plaques;
  • Le remplacement des moteurs des pompes circulatrices;
  • Le remplacement des moteurs du refroidisseur de fluide;
  • Le retubage d’un échangeur à tubes et calandre.

Le calcul du coût global tient compte de la dépréciation des équipements pour la période de 20 ans de l’étude. La dépréciation des équipements est calculée proportionnellement à la durée de vie restante après le cycle de 20 ans. Ainsi, un compresseur ouvert ayant une durée de vie estimée de 30 ans aura une valeur résiduelle de 10/30 de son coût d’achat initial.
Dans cette étude la durée de vie estimée pour les différents cas a été estimée à :

  • Systèmes de réfrigération à l’ammoniac, 30 ans ;
  • Systèmes de réfrigération au CO2, 25 ans ;
  • Systèmes de réfrigération au HFC, 20 ans ;

Après 20 ans de service, au moins 50 % des systèmes de réfrigération au HFC sont encore en service, même si ces appareils utilisent des compresseurs semi-hermétiques qui ne peuvent pas être entretenus, mais remplacés, et que la tuyauterie est en cuivre avec des joints brasés. Tous les systèmes de HFC dans cette étude ont été assemblés en usine. Des données statistiques existent et peuvent être consultées sur le site d’ASHRAE.

Les systèmes de réfrigération à l’ammoniac portent souvent le qualificatif « industriel ». L’industrie utilise ce réfrigérant depuis plus d’un siècle. Les compresseurs qui sont de type ouvert peuvent être entretenus pour prolonger leur vie pour plusieurs décennies. Les moteurs hautes efficacités des compresseurs qui sont choisis spécifiquement pour l’application, offrent le meilleur rendement et plus de flexibilité, car ceux-ci peuvent être remplacés en conservant le compresseur. Les composants d’un système à l’ammoniac sont reliés par de la tuyauterie en acier soudé. La durée de vie de 30 ans utilisée dans cette étude est en deçà de ce que la plupart des équipementiers déclarent. Cette limitation est surtout due à la vétusté de la technologie après 30 ans de vie, car une étude de coût global à la fin de cette période démontrera l’intérêt de remplacer l’équipement en place par des nouveaux équipements plus performants, moins chers à entretenir et plus conformes aux exigences qui seront probablement différentes de celles d’aujourd’hui.

Les systèmes de réfrigération au CO2 sont très utilisés en Europe avec plus d’un millier d’installations en plus de dix ans. Au Québec, depuis quatre ou cinq ans, des équipementiers locaux ont accompli quelques dizaines d’installations dans les supermarchés, les arénas et les entrepôts frigorifiques. Pour le moment, le Québec fait figure de proue pour la réfrigération transcritique au CO2 en Amérique du Nord.

Les systèmes de réfrigération au CO2 utilisent :

  • Des compresseurs de type semi-hermétique;
  • Des échangeurs à plaques brasés;
  • Des échangeurs à plaques et calandre soudés;
  • Des serpentins à air de récupération de chaleur qui sont fabriqués avec des tuyaux en acier inoxydable;
  • De la tuyauterie en acier inoxydable soudé.

Les compresseurs semi-hermétiques ne peuvent pas être entretenus sur place comme les compresseurs de type ouvert et doivent être remplacés lorsqu’ils sont défectueux. Les échangeurs ne comportent pas de joints d’étanchéité à remplacer. La qualité des joints de soudure de la tuyauterie qui relie les composants du système de réfrigération au CO2 est comparable à celle utilisée pour les systèmes de réfrigération à l’ammoniac. De ce point de vue, les systèmes de réfrigération au CO2 montrent une qualité d’assemblage comparable au système à l’ammoniac et sont supérieurs aux systèmes au HFC à tuyaux de cuivre et joints brasés. C’est pourquoi nous avons attribué une durée de vie intermédiaire de 25 ans à ce système.

Le Tableau 7 résume les fréquences d’entretien, de remise en état et/ou d’entretien et de remplacement des équipements qui ont été utilisés pour calculer les coûts d’opération pour les réparations périodiques. Dans ce tableau, les fréquences de remplacement ne peuvent pas dépasser la durée de vie de l’ensemble de l’équipement. Par exemple, l’évaporateur à plaques et calandre en titane de l’item no.13 affiche une fréquence de remplacement de 30 ans, même si la durée de vie de cet équipement pourrait être bien supérieure. Pour cette raison la valeur résiduelle de cet échangeur au bout de 20 ans équivaut à 10/30 de son coût initial.

Tableau 7 : Fréquences d’entretien et de remplacement des équipements
équipement type r fréquence de remise en état et/ou d’entretien fréquence remplacement commentaires
1 Compresseurs Ouvert à vis 717 12 ans 30 ans  Entretien sur tête de compresseurs
2 Compresseurs Ouvert à piston 717 5 ans 30 ans Entretien sur tête de compresseurs
3 Compresseurs Semi-hermétique à piston 744   7 ans Remplacement d'un compresseur défectueux
4 Compresseurs Ouvert à piston 22   7 ans Remplacement d'un compresseur défectueux (si pas d'entretien)
5 Compresseurs Semi-hermétique à vis 507A   10 ans Remplacement d'un compresseur défectueux
6 Compresseurs Hermétique à volute (scroll) 410A   3 ans Remplacement d'un compresseur défectueux
7 Compresseurs Semi-hermétique à vis à capacité variable 134A   10 ans Remplacement d'un compresseur défectueux
8 Condenseur intérieur Échangeur à plaques 717 5 ans 30 ans Démontage, nettoyage, vérification, remplacement des joints d'étanchéité, etc.
9 Condenseur extérieur Tour d'eau directe (ouverte) à écoulement d'air induit et à contre-courant 717 annuel 20 ans Maintenance et produits chimiques
10 Condenseur extérieur Tour d'eau indirecte à écoulement d'air forcé et à contre-courant 717 annuel 20 ans Maintenance et produits chimiques
11 Condenseur extérieur Refroidisseur de gaz à l'air
(similaire à un condenseur sec.)
744 annuel 20 ans Remplacement des moteurs des ventilateurs défectueux
12 Condenseur extérieur Refroidisseur de fluide sec 507A, 410A annuel 20 ans Remplacement des moteurs des ventilateurs défectueux
13 Évaporateur À plaques et calandre, noyé, en titane 717   30 ans Entretien léger côté saumure (inclus dans annuité)
14 Évaporateur À plaques, noyé, en titane 717 5 ans 30 ans Démontage, nettoyage, vérification, remplacement des joints d'étanchéité, etc.
15 Évaporateur À plaques, noyé, en acier inoxydable 717 5 ans 30 ans Démontage, nettoyage, vérification, remplacement des joints d'étanchéité, etc.
16 Évaporateur À plaques et calandre, à expansion directe, acier inoxydable 744 non requis 25 ans Entretien léger côté saumure (inclus dans annuité)
17 Évaporateur À tubes et calandre, à expansion directe, en acier 22 12 ans 20 ans Retubage complet
18 Évaporateur À plaques, à expansion directe, en titane ou en acier inoxydable 507A 5 ans 20 ans Démontage, nettoyage, vérification, remplacement des joints d'étanchéité, etc.
19 Évaporateur À tubes et calandre, à tuyaux arrosés, en acier 134A 12 ans 20 ans Retubage complet
20 Pompe Pompe circulatrice pour fluide caloporteur froid ou chaud -   5 ans Remplacement du moteur et vérification de l'étanchéité mécanique

L’évaluation des appuis financiers

Les appuis financiers

Les appuis financiers ont été calculés en considérant les modalités des divers programmes de financement disponibles au printemps 2013.

Hydro-Québec 

Le programme Bâtiments d’Hydro-Québec offre un appui financier pour la mise en œuvre de mesures d’efficacité énergétique lors de la réalisation de projets dans des bâtiments commerciaux ou institutionnels. Les appuis financiers sont pour des économies d’énergie électrique. L’évaluation de l’appui financier varie selon la complexité du projet soumis. Dans le cas présent, le calcul financier des incitatifs alloués aux différents systèmes de réfrigération a été réalisé en considérant uniquement la différence énergétique entre le système de réfrigération au R22 et ceux proposés comme remplaçant. L’hypothèse de calcul est de 0,15 $/kWh économisé. Cette valeur a été établie avec la collaboration d’Hydro-Québec. Le programme est en cours de révision et les valeurs obtenues pour les différents systèmes sont à titre indicatif seulement.

Appuis financiers du MELS 

Le programme gouvernemental du ministère de l’Éducation, du Loisir et du Sport (MELS) du Québec a comme objectif la lutte contre les changements climatiques. Il propose un soutien financier pour le remplacement ou la modification des systèmes de réfrigération fonctionnant spécifiquement aux réfrigérants R-12 ou R-22 pour les arénas et centres de curling. Le soutien financier maximum alloué pour l’acquisition d’un système de réfrigération, dans le cadre du Volet 1, est de 700 000 $, sans toutefois excéder 50 % des coûts admissibles, et ce, pour une glace. Les types de réfrigérants admissibles sont l’ammoniac et le bioxyde de carbone CO2. Aucune allocation n’est offerte pour les halocarbures. Les coûts associés à la construction d’une salle mécanique architecturale Classe T, pour les systèmes à l’ammoniac, sont admissibles dans le Volet 1.

Les coûts de reconstruction d’une dalle ou de construction d’une surdalle ne sont pas admissibles si la dalle de départ est en bon état et ne requiert pas de travaux essentiels à la poursuite des opérations pouvant compromettre la santé et la sécurité des utilisateurs ou l’intégrité du bâtiment.

Appuis financiers du BEIE 

Le Programme d’optimisation en réfrigération (OPTER), volet arénas et centres de curling, du Bureau de l’efficacité et de l’innovation énergétiques (BEIE) du Québec, offre des appuis financiers aux propriétaires d’arénas qui désirent optimiser leurs installations de réfrigération. Les appuis financiers sont proportionnels à la réduction de gaz à effet de serre évités par les systèmes de réfrigération de remplacement. Ces appuis peuvent atteindre 60 000 $, sans toutefois excéder 50 % des coûts admissibles, et ce, pour une glace. Le montant de l’appui financier dans cette étude a été calculé en utilisant l’Outil d’estimation de l’aide financière disponible sur le site Internet du BEIE. Le programme est en cours de révision et les valeurs obtenues pour les différents systèmes sont à titre indicatif seulement.

L’évaluation de la valeur actuelle globale d’achat et d’exploitation sur 20 ans

Les coûts initiaux d’investissement pour une nouvelle installation sont considérés comme déboursés à l’an 0. Tous les autres coûts survenant dans les années subséquentes sont actualisés pour constituer un coût global d’achat et d’exploitation sur 20 ans. À cette fin, les facteurs indiqués dans le Tableau 8 sont utilisés :

Tableau 8  : Facteurs utilisés dans les calculs financiers
  Taux Incertitudes
Taux d’intérêt sur emprunts 3  %/an ± 1
Taux d'actualisation 3 %/an ± 1
Taux d'indexation : équipement de remplacement 1  %/an ± 0.5
Taux d'indexation - Énergie 3  %/an ± 1
Taux d'indexation - Entretien 2  %/an ± 1
Taux d’indexation du prix des réfrigérants (autres que le R22) 2  %/an ± 1
Taux d’indexation du prix des réfrigérants R22 10  %/an ± 5

Tous les coûts globaux obtenus ont été soumis à une analyse statistique suivant la méthode Monte-Carlo, où l’incertitude affectée représente la moyenne de la population où l’erreur est égale à deux fois l’écart-type.

Calcul de l’annuité équivalente à la valeur actuelle

Le calcul de l’annuité prend en compte la valeur actuelle de tous les coûts d’acquisition et d’exploitation sur 20 ans. Le taux d’intérêt servant au calcul de l’annuité est indiqué dans le Tableau 8.

Les coûts non inclus

Les éléments suivants n’ont pas été pris en compte dans le calcul des coûts d’acquisition des systèmes de réfrigération :

  1. Les équipements liés à la sécurité des installations comme recommandé dans les analyses de risques. Ceux-ci varient considérablement en fonction du type de réfrigérant, du genre d’installation et de l’emplacement de l’aréna dans une municipalité. Deux exceptions cependant : les systèmes A2 (Ville de Montréal) et A3 (Ville de Québec) incluent, selon le cas, le coût des équipements suivants : un épurateur de type laveur d’air installé sur le système d’évacuation des vapeurs d’ammoniac de la salle mécanique de même qu’un réservoir d’eau destinés à absorber l’ammoniac pouvant s’échapper de la soupape de sûreté en cas de surpression. Ces coûts peuvent atteindre jusqu’à 150 000 $.
  2. Le coût de la surveillance périodique par un mécanicien de machine fixe, dans le cas des systèmes à l’ammoniac. Ces coûts varient de 13 000 $ à 21 000 $/an selon le nombre d’heures de surveillance journalière et la période annuelle d’opération du bâtiment. Le temps minimum est d’une heure par jour. Les résultats d’une analyse de sensibilité qui inclut les impacts financiers de ces coûts sont présentés aux Tableaux 23 et 24.
  3. Les coûts pour la formation des pompiers d’une municipalité en matière d’interventions dans un environnement présentant un danger immédiat pour la vie et la santé (DIVS). L’appellation «équipe HAZMAT (hazardous materials)» est aussi utilisée pour identifier cette spécialité. Les coûts de formation peuvent atteindre 100 000 $ initialement et 20 000 $/an pour les mises à jour et le renouvellement des équipements spécialisés. Des options moins coûteuses consistent à recourir à des ententes de collaboration avec des villes voisines possédant déjà une «équipe HAZMAT». Le recours à des services privés est également possible dans certaines régions.
  4. Les coûts associés aux garanties supplémentaires qui varient selon le type de système de réfrigération, le manufacturier et le type d’équipement.

Tableaux résumés des résultats

Les tableaux présentés ci-après fournissent, pour les 12 systèmes à l’étude, le résumé des éléments indiqués ci-dessous.
Liste des tableaux résumés :

  •  : Principales caractéristiques physiques des équipements
  • Tableau 10 : Puissance de réfrigération et de chauffage
  • Tableau 11 : Puissances électriques installées
  • Tableau 12 : Consommations d'énergie des systèmes de réfrigération
  • Tableau 13 : Consommation d'énergie des systèmes de chauffage
  • Tableau 14 : Bilan d'énergie et appel de puissance
  • Tableau 15 : Coefficient de performance (COP) moyen en réfrigération, en chauffage, et combiné
  • Tableau 16 : Investissements initiaux (sans subvention)
  • Tableau 17 : Coûts d'énergie par année
  • Tableau 18 : Coûts d'entretien annuels
  • Tableau 19 : Coûts autres (formation, réfrigérants)
  • Tableau 20 : Subventions et incitatifs
  • Tableau 21 : Bilan des coûts d'achat et d'exploitation sur 20 ans
  • Tableau 22 : Valeur actuelle et annuités des coûts d'achat et d'exploitation sur 20 ans
  • Tableau 23 : Sommaire des scénarios financiers sur les systèmes étudiés 
  • Tableau 24 : Sommaire valeurs résiduelles actualisées des scénarios financiers
: Principales caractéristiques physiques des équipements
Cas Type d'assemblage Réfrigérant Type de compresseur Nombre Évaporation Évaporateur Condenseur intérieur Équipement de rejet thermique extérieur Fluide dans la dalle de la patinoire Durée de vie(années)
A1 Monobloc R717 Ouvert à vis 2 Noyé Plaques et calandre titane Plaques Tour d'eau directe CaCl2 30
A2 Sur place R717 Ouvert à piston  3 Noyé Plaques titane Plaques Tour d'eau indirecte  CaCl2 30
A3 Sur place R717 Ouvert à piston  3 Noyé Plaques inox 254 Plaques Tour d'eau indirecte  CaCl2 30
A4 Monobloc R717 Ouvert à vis 2 Noyé Plaques inox Plaques Tour d'eau directe  Éthylène glycol 30
A5 Monobloc R717 Ouvert à piston  3 Noyé Plaques inox Plaques Tour d'eau directe Éthylène glycol 30
C1 Bibloc R744 Semi-hermétique à piston  8 Noyé recirculé Tuyaux dans la dalle Aucun Refroidisseur de gaz CO2 25
C2 Bibloc R744 Semi-hermétique à piston 6 Détente directe Plaques et calandre Aucun Refroidisseur de gaz CaCl2 25
H1 Sur place HCFC- R22 Ouvert à piston  6 Détente directe Tube calandre Aucun Condenseur  CaCl2 20
H2 Monobloc HFC-R507A Semi-hermétique à vis  3 Détente directe Plaques titane Plaques Refroidisseur de fluide CaCl2 20
H3 Modulaire HFC-R410A Hermétique volute  5 Détente directe Plaques inox Plaques Refroidisseur de fluide Méthanol 20
H4 Modulaire HFC-R507A Semi-hermétique à vis  2 Détente directe Plaques inox Plaques Refroidisseur de fluide Éthylène glycol 20
H5 Monobloc HFC-R134A Semi-hermétique à vis (capacité variable) 2 Tuyaux arrosés Tube calandre à deux circuits indépendants Tubes calandre Refroidisseur de fluide CaCl2 20
  • Ce tableau montre les principales caractéristiques physiques des douze cas. Ces données ont été fournies par les équipementiers et les concepteurs de ces systèmes.
Tableau 10  : Puissance de réfrigération et de chauffage
Cas Type
d'assemblage
Réfrigérant Quantité totale de réfrigérant Quantité réfrigérant Puissance réfrigération Puissance chauffage auxiliaire Désurchauffeur
Eau chaude
Récupération chauffage de l'air Pac chauffage Pac cop
Unités     kg kg/TR kW kW kW kW kW kW/kW
A1 Monobloc R717 45 0,6 262 75 42 200 0 0
A2 Sur place R717 114 1,6 247 75 42 200 191 4,5
A3 Sur place R717 273 3,8 254 75 36 200 206 3,01
A4 Monobloc R717 320 4,1 273 75 88 200 0 0
A5 Monobloc R717 230 3,3 247 75 88 200 0 0
C1 Bibloc R744 1 591 20,7 270 110 100 200 0 0
C2 Bibloc R744 500 6,5 271 75 90 200 0 0
H1 Sur place HCFC-R22 409 4,6 310 275 42 0 0 0
H2 Monobloc HFC-R507A 114 1,4 287 75 88 200 0 0
H3 Modulaire HFC-R410A 45 0,6 267 75 0 200 0 0
H4 Modulaire HFC-R507A 100 1,4 254 75 0 200 0 0
H5 Monobloc HFC-R134A 166 2,0 289 75 0 200 79 3,69
Ce tableau montre :
  • La quantité de réfrigérant utilisée dans les systèmes de réfrigération;
  • La puissance de réfrigération en kW;
  • La puissance du système de chauffage auxiliaire pour l'air et l'eau. Tous les cas utilisent une chaudière électrique d'appoint de 75 kW pour l'eau chaude domestique et de surfaçage ;
  • La puissance nominale de chauffage du désurchauffeur;
  • La puissance du serpentin de chauffage de l'enceinte, le système H1 ne récupère pas de chaleur du système de réfrigération;
  • La puissance de chauffage des pompes à chaleur pour chauffer l'air de l'enceinte ou l'eau chaude domestique et de surfaçage;
  • Le COP en mode chauffage des pompes à chaleur.
 
Tableau 11  : Puissances électriques installées
Cas Type d'assemblage Réfrigérant Puissance chauffage auxiliaire Puissance motrice compresseurs Pac chauffage Pompe
Dalle
Pompe rejets thermiques Ventilateur rejets thermiques Pompes récupération de chaleur Total Écart
Unités     kW kW kW kW kW kW kW kW %
A1 Monobloc R717 75 81 0 11.2 9,7 3,7 3,7 184 -29
A2 Sur place R717 75 81 42,5 11,2 5,6 37,3 6,3 259 0
A3 Sur place R717 75 113 68,3 18,6 8,6 37,3 7,8 329 27
A4 Monobloc R717 75 84 0 11,2 16,8 14,9 5,6 208 -20
A5 Monobloc R717 75 81 0 11,2 16,8 14,9 5,6 205 -21
C1 Bibloc R744 110 100 0 2,2 0,0 16,0 3,7 232 -10
C2 Bibloc R744 75 129 0 11,2 0,0 23,5 0,0 239 -8
H1 Sur place HCFC-R22 275 126 0 18,6 0,0 22,3 0,0 442 71
H2 Monobloc HFC-R507A 75 128 0 11,2 5,6 11,9 3,7 235 -9
H3 Modulaire HFC-R410A 75 130 0 11,2 11,2 11,9 2,2 242 -7
H4 Modulaire HFC-R507A 75 106 0 14,9 7,5 23,9 3,7 231 -11
H5 Monobloc HFC-R134A 75 100 21,5 11,2 14,9 13,4 0,0 236 -9
  • La puissance électrique installée du système de réfrigération et de chauffage représente la majeure partie de la demande électrique de l'aréna. La demande réelle d'électricité facturée doit être inférieure ou égale à cette valeur. La puissance motrice des compresseurs est estimée aux conditions de conception;
  • La puissance des systèmes A2 et A3 sont les plus élevés des nouveaux systèmes, principalement à cause des pompes à chaleur de récupération et des ventilateurs des tours de refroidissement indirectes. La puissance des systèmes au CO2 est 25% plus élevée que le meilleur cas, surtout à cause des compresseurs. C'est le système A1 qui nécessite la plus petite demande.
 
Tableau 12  : Consommation d'énergie des systèmes de réfrigération
Cas Type d'assemblage Réfrigérant Compresseurs Pompe dalle Rejet de chaleur à l'extérieur Total Écart
Unités     kWh kWh kWh kWh %
A1 Monobloc R717 279 200 73 300 54 500 407 000 6
A2 Sur place R717 245 000 73 300 65 000 383 400 0
A3 Sur place R717 267 800 122 200 63 600 453 600 18
A4 Monobloc R717 264 000 73 300 74 900 412 200 8
A5 Monobloc R717 298 500 73 300 74 600 446 400 16
C1 Bibloc R744 263 400 14 700 13 000 291 100 -24
C2 Bibloc R744 281 200 73 300 19 900 374 500 -2
H1 Sur place HCFC-R22 411 900 122 200 16 100 550 200 44
H2 Monobloc HFC-R507A 368 800 73 300 26 200 468 400 22
H3 Modulaire HFC-R410A 465 300 36 200 53 100 554 600 45
H4 Modulaire HFC-R507A 323 900 97 800 63 900 485 500 27
H5 Monobloc HFC-R134A 339 300 73 300 106 000 518 600 35
  •  Le système de réfrigération C1 au CO2 consomme le moins d'énergie, 24% moins que le cas A2. C'est surtout dû à la recirculation directe du CO2 dans la dalle de la patinoire. Le cas C2 au CO2 qui utilise un fluide secondaire dans la dalle de la patinoire, se compare avantageusement aux systèmes à l'ammoniac.
 
Tableau 13  : Consommation d'énergie des systèmes de chauffage (partie provenant de la récupération de la chaleur et partie par chauffage d'appoint)
Cas Type d'assemblage Réfrigérant Pompes à chaleur, chauffage de l'air Pompes pour la récupération de chaleur, chauffage de l'air Chauffage auxiliaire, chauffage de l'air Chauffage auxiliaire
eau
Total Écart
Unités     kWh kWh kWh kWh kWh %
A1 Monobloc R717 0 12 000 0 65 100 77 100 -52
A2 Sur place R717 93 800 29 300 0 35 800 159 000 0
A3 Sur place R717 98 800 39 100 0 45 700 183 600 15
A4 Monobloc R717 0 19 000 0 56 600 75 600 -52
A5 Monobloc R717 0 19 000 0 8 400 27 400 -83
C1 Bibloc R744 0 19 000 29 400 42 100 90 500 -43
C2 Bibloc R744 0 0 0 29 700 29 700 -81
H1 Sur place HCFC-R22 0 0 441 900 27 500 469 300 195
H2 Monobloc HFC-R507A 0 28 500 0 72 900 101 300 -36
H3 Modulaire HFC-R410A 0 7 600 0 92 800 100 400 -37
H4 Modulaire HFC-R507A 0 12 000 0 141 000 153 000 -4
H5 Monobloc HFC-R134A 0 0 0 61 800 61 800 -61
  • Dans ce tableau, les cas A5 et C2 se démarquent de tous les autres. Le système A5 à l'ammoniac montre la meilleure performance pour chauffer l'eau. Cela est dû à l'utilisation de compresseurs à piston qui produisent de l'ammoniac surchauffé à plus haute température que ne le ferait un compresseur à vis. Dans le système C2, le CO2 circule directement dans les récupérateurs de chaleur, ce qui en fait un système simple et ne consommant que très peu d'énergie pour récupérer la chaleur du système de réfrigération.
 
Tableau 14  : Bilan d'énergie et appel de puissance
Cas Type d'assemblage Réfrigérant Réfrigération Chauffage Total Écart Puissance totale installée Appel de puissance Écart
Unités     kWh kWh kWh % kW kW %
A1 Monobloc R717 407 000 77 100 484 100 -11 184 180 -9
A2 Sur place R717 383 400 159 000 542 300 0 259 198 0
A3 Sur place R717 453 600 183 600 637 100 17 329 210 6
A4 Monobloc R717 412 200 75 600 487 800 -10 208 179 -10
A5 Monobloc R717 446 400 27 400 473 800 -13 205 171 -14
C1 Bibloc R744 291 100 90 500 381 600 -30 232 181 -9
C2 Bibloc R744 374 500 29 700 404 100 -25 239 188 -5
H1 Sur place HCFC-R22 550 200 469 300 1 019 600 88 442 381 92
H2 Monobloc HFC-R507A 468 400 10 300 569 700 5 235 197 -1
H3 Modulaire HFC-R410A 554 600 100 400 655 000 21 242 225 14
H4 Modulaire HFC-R507A 485 500 153 000 638 500 18 231 192 -3
H5 Monobloc HFC-R134A 518 600 61 800 580 400 7 236 208 5
  • En considérant la totalité de l'énergie consommée pour la réfrigération et le chauffage, les cas C1 et C2 au CO2 sont respectivement 30 % et 25 % moins énergivores que le cas A2, et l'appel de puissance est tout-à-fait comparable aux meilleurs cas.
 
Tableau 15  : Coefficient de performance (COP) moyen en réfrigération, en chauffage, et combiné
Identification Type d'assemblage Réfrigérant COP compresseurs COP réfrigération COP chauffage COP combiné Écart
Unités     kWh/kWh kWh/kWh kWh/kWh kWh/kWh %
A1 Monobloc R717 3,4 2,4 7,6 3,2 10
A2 Sur place R717 3,9 2,5 3,7 2,9 0
A3 Sur place R717 3,8 2,2 3,2 2,5 -14
A4 Monobloc R717 3,6 2,3 7,8 3,2 10
A5 Monobloc R717 3,2 2,1 21,5 3,3 14
C1 Bibloc R744 3,4 3,1 6,5 3,9 34
C2 Bibloc R744 3,4 2,6 19,8 3,8 31
H1 Sur place HCFC-R22 2,4 1,8 1,3 1,6 -45
H2 Monobloc HFC-R507A 2,6 2,0 5,8 2,7 -7
H3 Modulaire HFC-R410A 2,0 1,7 5,9 2,3 -21
H4 Modulaire HFC-R507A 3,0 2,0 3,8 2,5 -14
H5 Monobloc HFC-R134A 2,8 1,8 9,5 2,7 -7
  • Le cas A5 affiche un COP de chauffage élevé de 21,5. Les compresseurs à piston permettent une plus grande récupération de chaleur pour l'eau chaude;
  • Le cas C2 affiche un COP de chauffage élevé de 19,8. Ce cas n'utilise pas de pompes circulatrices pour la récupération de chaleur et la seule dépense est pour le chauffage auxiliaire de l'eau;
  • Le tableau des COP confirme les constats des tableaux de consommation d'énergie, les cas C1 et C2 sont nettement en avance avec un COP combiné de 34 % et 31 % supérieur au cas A2.
 
Tableau 16  : Investissements initiaux (sans subvention)
Cas Type d'assemblage Réfrigérant Système de réfrigération Agrandissements salle mécanique classe t Surdalle Ingénierie
Architecture
Analyse de risque Totaux Écart
      $ $ $ $ $ $ %
A1 Monobloc R717 770 000 50 000 0 82 000 10 000 912 000 -61
A2 Sur place R717 1 525 000 600 000 0 212 500 10 000 2 347 500 0
A3 Sur place R717 1 370 000 600 000 0 197 000 10 000 2 177 000 -7
A4 Monobloc R717 768 000 50 000 0 81 800 10 000 909 800 -61
A5 Monobloc R717 804 000 50 000 0 85 400 10 000 949 400 -60
C1 Bibloc R744 800 000 0 360 000 116 000 10 000 1 286 000 -45
C2 Bibloc R744 645 000 0 0 64 500 10 000 719 500 -69
H1 Sur place HCFC-R22 82 000 0 0 0 0 82 000 -97
H2 Monobloc HFC-R507A 683 500 0 0 68 400 0 751 900 -68
H3 Modulaire HFC-R410A 363 000 0 0 36 300 0 399 300 -83
H4 Modulaire HFC-R507A 620 000 0 0 62 000 0 682 000 -71
H5 Monobloc HFC-R134A 590 000 0 0 59 000 0 649 000 -72
  • Les coûts d'ingénierie et d'architecture sont estimés à 10 % du coût d'acquisition du système de réfrigération;
  • Mis à part le cas H1, les coûts d'investissement sont plus bas pour les systèmes aux réfrigérants de synthèse. Les cas A2 et A3, assemblés sur place, sont particulièrement coûteux;
  • Le coût de l'étude de risques considère qu'elle est réalisée par un expert-conseil encadré par un expert en analyse de risque. L’étude n’est pas subventionnable par le MELS;
  • La réfection d’une dalle est subventionnable par le MELS si elle requiert des travaux essentiels à son opération. Ce coût n’est pas subventionnable dans le présent projet car la dalle est considérée en bonne condition;
  • Le coût associé à la surdalle inclut la tuyauterie en cuivre, les chaises, l’armature et le coulage de béton de 2 ou 3 pouces. Le démantèlement et la réinstallation des bandes ont été considérés à 50 000 $ (prix minimum). Les coûts de 360 000 $ impliquent que la dalle existante a la capacité portante d’accueillir une autre dalle. Ceci doit être confirmé par une firme d’ingénierie en structure car certaines dalles réfrigérées ne sont pas au sol mais sur pieux.
  • Les coûts associés à la salle mécanique classe T, pour les cas A2 et A3, considèrent le respect des règlements d'urbanisme propres à ces municipalités.  Les coûts associés aux cas A1, A4 et A5 présentent les investissements financiers pour les locaux techniques pour des municipalités ayant des règlements d'urbanisme plus souples.
 
Tableau 17  : Coûts d'énergie par année
Cas Type d'assemblage Réfrigérant Système frigorifique Chauffage d'espace Chauffage de l'eau Total énergie Appel de puissance Coût total - énergie Écart
      $/an $/an $/an $/an $/an $/an %
A1 Monobloc R717 18 300 500 2 900 21 700 24 800 46 500 -11
A2 Sur place R717 17 200 5 500 1 600 24 300 27 900 52 200 0
A3 Sur place R717 20 400 6 200 2 100 28 600 29 400 58 000 11
A4 Monobloc R717 18 500 900 2 500 21 900 24 800 46 700 -11
A5 Monobloc R717 20 000 900 400 21 300 23 100 44 400 -15
C1 Bibloc R744 13 100 2 200 1 900 17 100 24 100 41 300 -21
C2 Bibloc R744 16 800 0 1 300 18 100 24 700 42 900 -18
H1 Sur place HCFC-R22 24 700 19 800 1 200 45 800 46 400 92 200 77
H2 Monobloc HFC-R507A 21 000 1 300 3 300 25 600 27 200 52 700 1
H3 Modulaire HFC-R410A 24 900 300 4 200 29 400 30 900 60 300 16
H4 Modulaire HFC-R507A 21 800 500 6 300 28 700 27 300 56 000 7
H5 Monobloc HFC-R134A 23 300 0 2 800 26 100 29 500 55 600 7
  • Le coût total de l'énergie électrique, la demande plus l'énergie, des cas C1 et C2 sont les meilleurs. Ils affichent un coût énergétique de 21 % et 18 % respectivement inférieur au cas A2.
 
Tableau 18 : Coûts d'entretien annuels
Cas Type d'assemblage Réfrigérant Entretien régulier des équipements Entretien régulier
tour d'eau
Contrat
d'entretien préventif (manufacturier)
Dépense totale entretien Écart
      $/an $/an $/an $/an %
A1 Monobloc R717 9 000 3 000 5 000 17 000 9
A2 Sur place R717 12 600 3 000 0 15 600 0
A3 Sur place R717 11 800 3 000 0 14 800 -5
A4 Monobloc R717 8 700 3 000 3 000 14 700 -6
A5 Monobloc R717 9 400 3 000 3 000 15 400 -1
C1 Bibloc R744 9 800 0 5 000 14 800 -5
C2 Bibloc R744 9 000 0 5 000 14 000 -10
H1 Sur place HCFC-R22 16 000 0 0 16 000 3
H2 Monobloc HFC-R507A 7 900 0 4 000 11 900 -24
H3 Modulaire HFC-R410A 4 900 0 5 000 9 900 -37
H4 Modulaire HFC-R507A 7 100 0 9 000 16 100 3
H5 Monobloc HFC-R134A 2 000 0 3 000 5 000 -68
 
  • Le cas H5 au HFC-R134A coûte le moins cher en entretien. Ce manufacturier offre une garantie supplémentaire complète sur le refroidisseur, à partir de la date d'achat, pour une durée maximale de 10 ans au coût de 30 000 $, payable au moment de l'achat du système. La garantie couvre le refroidisseur de tout bris, pièces et main-d’œuvre, pouvant subvenir durant la période de garantie. Le coût de cette garantie n’est pas inclus dans la présente étude et ne fait donc pas partie non plus des coûts considérés pour l'entretien préventif annuel du système ;
  • Pour les autres systèmes, les coûts sont très semblables entre 10 000 $ et 17 000 $ par an ;
  • L'entretien régulier des équipements est calculé en considérant 2 % des coûts d'acquisition des systèmes de réfrigération sauf pour le cas H5. Ces pourcentages peuvent être supérieurs à 2 % selon les municipalités.
 
Tableau 19  : Coûts autres (formation, réfrigérants)
Cas Type d'assemblage Réfrigérant Formation initiale Formation spécialisée Coût du réfrigérant Taux de fuite Fuites annuelles totales Dépenses réfrigérant
        $/an $/kg %/an kg/an $/an
A1 Monobloc R717 3 200 1 600 3.50 2,0 1 3
A2 Sur place R717 3 200 1 600 3,50 5,0 6 21
A3 Sur place R717 3 200 1 600 3,50 5,0 14 48
A4 Monobloc R717 3 200 1 600 3,50 5,0 16 57
A5 Monobloc R717 3 200 1 600 3,50 5,0 12 39
C1 Bibloc R744 3 200 1 600 3,00 5,0 80 240
C2 Bibloc R744 3 200 1 600 3,00 2,0 10 30
H1 Sur place HCFC-R22 0 1 000 47,50 10,0 41 1 944
H2 Monobloc HFC-R507A 0 1 000 18,00 2,0 2 42
H3 Modulaire HFC-R410A 0 1 000 22,00 2,0 1 21
H4 Modulaire HFC-R507A 0 1 000 18,00 2,0 2 36
H5 Monobloc HFC-R134A 0 1 000 6,60 2,0 3 21
  • Dans les petites municipalités, les options à l'ammoniac demanderont une formation supplémentaire pour les pompiers en plus du personnel de l'aréna. Ces coûts ne sont pas inclus dans le budget indiqué ci-haut.
 
Tableau 20  : Subventions et incitatifs
Cas Type d'assemblage Réfrigérant Hydro-Québec OPTER MELS
Volet 1
Total des subventions
      $ $ $ $
A1 Monobloc R717 80 300 60 000 456 000 596 300
A2 Sur place R717 71 600 60 000 700 000 831 600
A3 Sur place R717 57 400 60 000 700 000 817 400
A4 Monobloc R717 79 800 60 000 454 900 594 700
A5 Monobloc R717 81 900 60 000 474 700 616 600
C1 Bibloc R744 95 700 60 000 445 000 600 700
C2 Bibloc R744 92 300 60 000 359 800 512 100
H1 Sur place HCFC-R22 0 0 0 0
H2 Monobloc HFC-R507A 67 500 35 100 0 102 600
H3 Modulaire HFC-R410A 54 700 43 300 0 98 000
H4 Modulaire HFC-R507A 57 200 31 100 0 88 300
H5 Monobloc HFC-R134A 65 900 42 300 0 108 200
  • Appui potentiel du programme Hydro-Québec de 0,15 $/kWh économisé;
  • La subvention du MELS attribuée au système de réfrigération intègre aussi les coûts associés à la salle mécanique qu’elle soit préfabriquée ou architecturale. La subvention s’élève à 50 % des coûts inhérents au système de réfrigération pour les réfrigérants à l’ammoniac et le CO2. Les systèmes au HFC tels que considérés dans cette étude ne sont pas subventionnés par le MELS.
 
Tableau 21  : Bilan des coûts d'achat et d'exploitation sur 20 ans
Cas Type d'assemblage Réfrigérant Coût d'acquisition total Total des subventions Énergie Entretien périodique Entretien régulier et préventif Réfrigérant Formation
      $ $ $/20 ans $/20 ans $/20 ans $/20 ans $/20 ans
A1 Monobloc R717 912 000 596 300 930 400 45 800 307 400 60 32 100
A2 Sur place R717 2 347 500 831 600 1 044 200 54 900 282 100 360 32 100
A3 Sur place R717 2 177 000 817 400 1 160 200 63 500 267 600 860 32 100
A4 Monobloc R717 909 800 594 700 933 800 63 200 265 800 1 010 32 100
A5 Monobloc R717 949 400 616 600 888 300 52 600 278 800 730 32 100
C1 Bibloc R744 1 286 000 600 700 825 600 35 500 267 600 4 310 32 100
C2 Bibloc R744 719 500 512 100 857 600 41 900 253 100 540 32 100
H1 Sur place HCFC-R22 82 000 0 1 843 300 106 000 289 300 35 140 18 100
H2 Monobloc HFC-R507A 751 900 102 600 1 054 900 42 500 214 600 740 18 100
H3 Modulaire HFC-R410A 399 300 98 000 1 205 900 51 800 179 000 360 18 100
H4 Modulaire HFC-R507A 682 000 88 300 1 119 100 40 500 291 100 650 18 100
H5 Monobloc HFC-R134A 649 000 108 200 1 111 200 40 400 90 400 400 18 100
  • Les dépenses d'entretien périodique qui incluent les remplacements d'équipements oscillent de 45 000 $ à 63 000
 
Tableau 22 : Valeur actuelle et annuités des coûts d'achat et d'exploitation sur 20 ans
Cas Type d'assemblage Réfrigérant Valeur actuelle Erreur sur les taux "95% certitude" Écart Annuités
      $ $ % $/20 ans
A1 Monobloc R717 1 631 000 ±170 000 -44 109 700
A2 Sur place R717 2 930 000 ±184 000 0 196 900
A3 Sur place R717 2 884 000 ±199 000 -2 193 800
A4 Monobloc R717 1 611 000 ±168 000 -45 108 300
A5 Monobloc R717 1 585 000 ±162 000 -46 106 600
C1 Bibloc R744 1 850 000 ±149 000 -37 124 400
C2 Bibloc R744 1 393 000 ±152 000 -52 93 600
H1 Sur place HCFC-R22 2 374 000 ±305 000 -19 159 600
H2 Monobloc HFC-R507A 1 980 000 ±177 000 -32 133 100
H3 Modulaire HFC-R410A 1 756 000 ±196 000 -40 118 100
H4 Modulaire HFC-R507A 2 063 000 ±193 000 -30 138 700
H5 Monobloc HFC-R134A 1 801 000 ±174 000 -39 121 100
  • Le cas C2 demeure le plus performant pour tous les cas. Aussitôt que le coût de la salle mécanique est inclus, les systèmes à l'ammoniac sont défavorisés et les systèmes aux HFC deviennent plus compétitifs;
  • Les annuités calculées dans ce tableau représentent le paiement annuel pour rembourser l'emprunt pendant 20 ans qui couvre tous les coûts d'acquisitions, d'opération, d'entretien et de formation;
  • Les cas A2 et A3 incluent les coûts d’une salle mécanique architecturale, les mesures d’atténuation et de sécurité minimales. Les mesures sont modulables selon la situation géographique, le type et la charge de réfrigérant, etc ;
  • La colonne présentant l'erreur sur les taux affiche l'évolution de la valeur monétaire future des systèmes, en coût actualisé, si les taux présentés au Tableau 8 venaient à varier de façon positive ou négative.
 
Tableau 23 : Sommaire des scénarios financiers sur les systèmes étudiés
Cas Identification Coût global sur 20 ans sans valeurs résiduelles
Type d'assemblage Réfrigérant Scénario 1 Scénario 2 Scénario 3 Scénario 4 Scénario 5 Scénario 6 Scénario 7
      $ $ $ $ $ $ $
A1 Monobloc R717 1 631 000 2 228 000 2 158 000 1 992 000 2 833 000 2 519 000 2 809 000
A2 Sur place R717 2 930 000 3 761 000 3 456 000 2 930 000 3 761 000 3 456 000 3 746 000
A3 Sur place R717 2 884 000 3 701 000 3 411 000 2 884 000 3 701 000 3 411 000 3 700 000
A4 Monobloc R717 1 611 000 2 206 000 2 138 000 1 971 000 2 811 000 2 498 000 2 787 000
A5 Monobloc R717 1 585 000 2 202 000 2 112 000 1 965 000 2 807 000 2 492 000 2 781 000
C1 Bibloc R744 1 850 000 2 451 000 2 025 000 1 850 000 2 451 000 2 025 000 2 421 000
C2 Bibloc R744 1 393 000 1 905 000 1 920 000 1 393 000 1 905 000 1 920 000 1 920 000
H1 Sur place HCFC-R22 2 374 000 2 374 000 2 901 000 2 374 000 2 374 000 2 901 000 2 901 000
H2 Monobloc HFC-R507A 1 980 000 2 083 000 2 507 000 1 980 000 2 083 000 2 507 000 2 507 000
H3 Modulaire HFC-R410A 1 756 000 1 854 000 2 283 000 1 756 000 1 854 000 2 283 000 2 283 000
H4 Modulaire HFC-R507A 2 063 000 2 151 000 2 590 000 2 063 000 2 151 000 2 590 000 2 590 000
H5 Monobloc HFC-R134A 1 801 000 1 909 000 2 328 000 1 801 000 1 909 000 2 328 000 2 328 000
  • Les valeurs résiduelles des équipements et installations ne sont pas incluses dans ce tableau, voir le tableau 24 pour ces coûts.
  • Scénario 1, scénario de référence avec subventions;
  • Scénario 2, scénario de référence sans subvention;
  • Scénario 3, scénario de référence avec réfection de la dalle de la patinoire pour tous les cas;
  • Scénario 4, scénario de référence avec salle mécanique architecturale pour tous les systèmes à l'ammoniac;
  • Scénario 5, scénario 2 avec salle mécanique architecturale pour tous les systèmes à l'ammoniac;
  • Scénario 6, scénario de référence avec salle mécanique architecturale pour tous les systèmes à l'ammoniac et réfection de la dalle de la patinoire pour tous les cas;
  • Scénario 7, scénario 6 avec les coûts d'un mécanicien de machines fixes (MMF).
 
Tableau 24 : Sommaire valeurs résiduelles actualisées des scénarios financiers
Cas Identification Valeurs résiduelles pour le coût global sur 20 ans
Type d'assemblage Réfrigérant Scénario 1 Scénario 2 Scénario 3 Scénario 4 Scénario 5 Scénario 6 Scénario 7
      $ $ $ $ $ $ $
A1 Monobloc R717 84 000 84 000 563 000 684 000 684 000 1 163 000 1 163 000
A2 Sur place R717 718 000 718 000 1 197 000 718 000 718 000 1 197 000 1 197 000
A3 Sur place R717 710 000 710 000 1 189 000 710 000 710 000 1 189 000 1 189 000
A4 Monobloc R717 81 000 81 000 560 000 681 000 681 000 1 160 000 1 160 000
A5 Monobloc R717 87 000 87 000 566 000 687 000 687 000 1 166 000 1 166 000
C1 Bibloc R744 452 000 452 000 575 000 56 000 56 000 575 000 575 000
C2 Bibloc R744 51 000 51 000 530 000 51 000 51 000 530 000 530 000
H1 Sur place HCFC-R22 4 000 4 000 483 000 4 000 4 000 483 000 483 000
H2 Monobloc HFC-R507A 3 000 3 000 482 000 3 000 3 000 482 000 482 000
H3 Modulaire HFC-R410A 6 000 6 000 485 000 6 000 6 000 485 000 485 000
H4 Modulaire HFC-R507A 2 000 2 000 481 000 2 000 2 000 481 000 481 000
H5 Monobloc HFC-R134A 2 000 2 000 481 000 2 000 2 000 481 000 481 000
  • Scénario 1, scénario de référence avec subventions;
  • Scénario 2, scénario de référence sans subvention;
  • Scénario 3, scénario de référence avec réfection de la dalle de la patinoire pour tous les cas;
  • Scénario 4, scénario de référence avec salle mécanique architecturale pour tous les systèmes à l'ammoniac;
  • Scénario 5, scénario 2 avec salle mécanique architecturale pour tous les systèmes à l'ammoniac;
  • Scénario 6, scénario de référence avec salle mécanique architecturale pour tous les systèmes à l'ammoniac et  réfection de la dalle de la patinoire pour tous les cas;
  • Scénario 7, scénario 6 avec les coûts d'un mécanicien de machines fixes (MMF).

Analyse des risques en fonction du type de réfrigérant

Tous les types de réfrigérants utilisés dans les arénas comportent des risques pour la santé et/ou la sécurité. Qu’il s’agisse de la pression d’opération des systèmes, de la toxicité ou de l’inflammabilité des produits, il est essentiel que des analyses de risques soient réalisées dans tous les cas, pour déterminer les mesures de prévention et d’atténuation en cas d’accidents. Ces mesures sont souvent prévues dans les lois et règlements, mais elles peuvent également être recommandées par des experts en la matière.

C’est à cette fin que la firme experte JP Lacoursière inc. a préparé pour chacune des trois familles de réfrigérants, c.-à-d. l’ammoniac, le CO2 et les HFC, un rapport d’étude comportant des recommandations concrètes en matière de risques.
Un sommaire des études est présenté dans cette section; les rapports complets de la firme peuvent également être consultés dans les annexes du présent document.

L’ammoniac (R717)

Employé depuis plus de 130 ans comme frigorigène, l’ammoniac a été peu à peu supplanté par les chlorofluorocarbones (CFC), mais il reprend de l’importance depuis l’adoption du Protocole de Montréal et du Protocole de Kyoto qui visent le bannissement complet des HCFC au cours des dix prochaines années. Les systèmes à l’ammoniac reprennent leur place parce qu’ils sont efficaces et représentent une solution à long terme pour le développement durable du secteur des arénas. Des précautions particulières doivent cependant être prises pour en faire une utilisation sécuritaire.

Les installations de réfrigération à l’ammoniac sont sécuritaires lorsqu’elles sont bien conçues et lorsque la sécurité est assurée par un programme de sécurité opérationnelle. Ce dernier doit comporter les éléments appropriés pour ce type d’installation, dont l’information sur les installations, les études de dangers appropriées, l’intégrité mécanique, la gestion des changements, la gestion des sous-traitants, la formation des personnes assurant l’exploitation et l’entretien, les enquêtes suite à des incidents, les registres des accidents et des incidents, les plans d’urgence et les audits de conformité.

Les installations de réfrigération à l’ammoniac pour arénas doivent respecter toutes les clauses pertinentes du code de réfrigération mécanique B52 et les autres lois et règlements pertinents, notamment le Règlement sur la santé et la sécurité du travail (RRST). L’objectif de cette étude a été d’identifier les moyens de concevoir et d’exploiter des installations intrinsèquement plus sécuritaires que ce que le code de réfrigération à l’ammoniac prévoit, considérant que les arénas sont intégrés à leur milieu et qu’ils sont fréquentés par des populations vulnérables, dont des enfants.

Cette étude a identifié les 18 recommandations suivantes :

Le CO2 (R744)

Ces recommandations sont extraites de notre rapport intitulé « Étude technique de réfrigération des arénas au CO2 dans le cadre du projet d’étude technico-commerciale de réfrigération au CO2 dans les arénas ».

Les systèmes de réfrigération au CO2 sont utilisés surtout dans les supermarchés où ils remplacent les CFCs et les HCFCs. Ils sont maintenant candidats pour les systèmes d’airs conditionnés des voitures. Une extension naturelle de ces applications est la réfrigération des arénas. Certains considèrent que le CO2 représente une solution à long terme pour la réfrigération des arénas dans un concept de développement durable de ce secteur.

Le CO2 n’est ni plus ni moins sécuritaire que les autres frigorigènes. Comme pour tous les autres frigorigènes, la clé pour un système sécuritaire est de concevoir, installer et opérer le système en ayant identifié et évalué tous les dangers ainsi que disposé de ceux-ci en utilisant un personnel bien formé pour concevoir et opérer le système de réfrigération.

Le danger principal avec le CO2 est de générer des concentrations létales à l’intérieur d’espaces confinés.

Des simulations ont été faites de fuites de CO2 dans l’enceinte de l’aréna suite au bris de tubes alimentant le frigorigène pour réfrigérer la dalle supportant la patinoire ainsi que des conduites alimentant les aérothermes servant au chauffage de l’enceinte.

La rupture d’un tube de 1/2" de CO2 liquide au niveau du caniveau où sont situés les collecteurs de distribution et retour peut conduire à une accumulation de gaz en excès de 30 000 ppm dans les zones inférieures de l’aréna, dont les bancs des joueurs, la patinoire et les rangées inférieures de bancs de spectateurs. Près du point d’émission, le gaz est très lourd, 2,3 relativement à l’air, pour atteindre 1,5 après s’être réchauffé. Le gaz aura donc tendance à se stratifier dans les zones inférieures avant de se disperser.

La rupture d’une conduite de CO2 chaud en provenance des compresseurs et alimentant les aérothermes pourraient conduire à une accumulation de CO2 en excès de 30 000 ppm dans les zones inférieures de l’aréna. Le problème est cependant moins sévère que pour la rupture d’un tube de liquide.

L’ouverture d’une soupape de surpression servant à protéger les équipements produit un jet à très grande vélocité à une température de -76 oC qui pourrait causer des blessures ou des engelures graves aux personnes présentes dans les secteurs.
Les scénarios qui ont été simulés démontrent qu’il y a un potentiel de développer des concentrations de CO2 potentiellement létales dans l’espace près de la glace (bancs de joueurs, sièges au niveau inférieur). Ce constat justifie que des mesures de prévention et d’intervention devront être mises en place pour assurer une opération sécuritaire d’une telle installation de réfrigération.

Après avoir pris en compte le comportement du CO2 suite à une fuite de liquide ou de gaz, il peut être conclu que :

  • La solution à sécurité intrinsèque consiste à confiner le CO2 dans le local technique et à utiliser des fluides caloporteurs pour la réfrigération de la dalle de la patinoire et pour le chauffage de l’enceinte et des chambres de joueurs.

À défaut de confiner le CO2 dans le local technique qui est la solution préférable au point de vue sécurité.

Cette étude a identifié les 14 recommandations suivantes :

LES HALOCARBURES (HCFC-R22, HFC-R507a, HFC-R410A, HFC-R134A)

Ces recommandations sont extraites de notre rapport intitulé « Guide sur la gestion des risques à l’intention des concepteurs des systèmes frigorifiques d’arénas utilisant les halocarbures comme frigorigènes».

Les chlorofluorocarbures (CFCs) ont été utilisés comme frigorigènes depuis les années 1930. Les hydrochlorofluorocarbures (HCFCs) et les hydrofluorocarbures (HFC) ont été introduits plus tard comme frigorigène. Les CFCs et HCFCs sont en partie responsables de la destruction de la couche d’ozone. Le Protocole de Montréal vise le bannissement complet des CFCs et des HCFCs dont le R-22 fait partie. Les HFCs, qui ont été développés pour remplacer les CFC et HCFC, ne détruisent pas la couche d’ozone, mais ceux-ci sont reconnus comme de puissants gaz à effet de serre.

Les systèmes de réfrigération au HFCs représentent cependant une alternative pour la réfrigération des arénas lorsque l’ammoniac [NH3 (R717)] ou le dioxyde de carbone [CO2 (R744)] présentent des risques inacceptables pour les riverains ou les usagers des arénas et que les coûts des mesures de prévention et d’atténuation sont jugés inacceptables.
Les mêmes principes de sécurité qui s’appliquent aux systèmes de réfrigération qui utilisent les autres réfrigérants s’appliquent au HFCs.

Cette étude a identifié les 11 recommandations suivantes :

Analyse des résultats de l’étude

Conditions gagnantes pour la réussite d’une rénovation majeure du système frigorifique

Les recherches et les expertises qui ont présidé à la réalisation de cette étude ont permis de dégager un ensemble de recommandations qui vise à mieux garantir le succès d’une rénovation majeure.

Ces recommandations ont été structurées en suivant les principales étapes de réalisation :

Planification

  • Faire réaliser des études complètes et détaillées intégrant réfrigération et récupération de chaleur. Le rapport actuel démontre qu’il existe plusieurs types de systèmes de réfrigération pouvant convenir à un aréna spécifique, alors que la solution la plus avantageuse n’est pas nécessairement évidente au départ. Compte tenu de l’espérance de vie d’un système de réfrigération (20 à 30 ans généralement), une démarche rigoureuse au départ peut apporter des bénéfices pendant de nombreuses années. À cette fin, les termes de références pour ces études doivent comporter une portée des travaux précise et complète. CanmetÉNERGIE a développé de tels documents dans le cadre du programme OPTER (optimisation en réfrigération) du BEIE. Ils peuvent être obtenus auprès de cet organisme.
  • Prévoir une étude de gestion de risques réalisée par un expert et adaptée à chaque concept. Elle fera état des coûts d’immobilisation nécessaires pour assurer non seulement la conformité de l’installation aux lois et règlements, mais aussi pour apporter la plus grande assurance de fiabilité par l’implantation des meilleures pratiques en cette matière.

Étude de faisabilité

  • Commander des études financières complètes en adoptant l’approche du coût global d’achat et d’exploitation sur une période d’au moins 15 ans ou encore de 20 ans, comme il fut choisi dans le rapport actuel;
  • Utiliser, au besoin, les rubriques développées dans les présentes annexes comme aide-mémoire, pour assurer une évaluation complète des coûts;
  • Tenir compte des équipements et travaux requis pour l’implantation des recommandations de l’étude de gestion des risques.

Conception

  • L’étape de conception est déterminante pour assurer la performance, la fiabilité et la sécurité d’un système réfrigération. À cette fin, il est fortement recommandé de recourir à des concepteurs spécialisés et reconnus en réfrigération, de même qu’à des experts en chauffage et en gestion de risques;
  • Les solutions intégrées de chauffage et de réfrigération sont devenues incontournables pour garantir des coûts d’énergie moindres à long terme et minimiser les émissions de gaz à effet de serre;
  • Les systèmes comportant les plus petites quantités de réfrigérant seront favorisés pour minimiser les dangers en cas de fuite et réduire les impacts environnementaux;
  • Les autres mesures préventives destinées à minimiser les risques et celles visant à atténuer les dangers en cas d’accident seront exigées dès la conception en conformité avec les études de gestion de risques réalisées à l’étape de planification.

Réalisation

  • La surveillance des travaux est cruciale pour assurer une installation de qualité, une mise en marche rapide et un fonctionnement efficace à long terme. Les gestionnaires de plusieurs arénas, après avoir investi des sommes d’argent considérables, furent déçus de la performance et de la fiabilité de leurs systèmes de réfrigération causée par supervision insuffisante lors des travaux d’installation.

Mise en service

  • En matière de réfrigération, l’importance des travaux de mise en service et de « commissioning » n’est plus à démontrer. Prévoir confier ce travail à des spécialistes certifiés;
  • Assurer la formation du gestionnaire d’aréna et du personnel d’entretien pour mieux garantir une compréhension et une surveillance minimale des installations. Cet aspect de formation revêt une importance particulière lorsque l’ammoniac ou le CO2 sera choisi comme réfrigérant. Opérations courantes.
  • L’importance de mettre en place des programmes d’entretien préventif dès la mise en route des systèmes devient la meilleure garantie contre les pannes et les risques associés à des systèmes sous pression;
  • La formation continue du personnel d’exploitation favorise le rafraîchissement périodique des connaissances et des habiletés tout en assurant leur mise à jour en fonction de l’évolution technologique entourant les systèmes de réfrigération.

Fournisseurs potentiels

Systèmes de réfrigération

Le Tableau 25 comporte le nom d’entreprises qui ont participé au financement de cette étude et qui ont été répertoriées avec l’aide de gestionnaires d’arénas.

Tableau 25  : Principaux fournisseurs de systèmes frigorifiques pour les arénas
FABRICATION, ASSEMBLAGE, INSTALLATION ET SERVICES AMMONIAC CO2 HFC
Carnot Réfrigération Trois-Rivières (QC)
http://www.carnotrefrigeration.com
 
Cimco Réfrigération 18 centres de services au Canada http://www.cimcorefrigeration.com
Fixair Inc Laval (Qc), Darmouth (NE), Québec (QC)
http://www.fixair.qc.ca
 
Kube Solutions Darmouth (NE)
http://thekubesolutions.com
   
Mayekawa Vancouver (C-B), Toronto (ON), Calgary (AB)
http://www.mycomcanada.com
Trane Montréal (QC), Québec (QC), Chicoutimi (QC)
http://www.trane.com
   

Le Tableau 26 fournit une liste préliminaire des entreprises offrant des sessions de formation destinées à des gestionnaires d’arénas, des ouvriers d’entretien et des mécaniciens de machines fixes ou des frigoristes. Selon les établissements de formation, les cours sont diffusés dans des maisons d’enseignement ou sur les lieux de travail. Le contenu, la durée et les coûts de formations doivent être obtenus directement auprès des entreprises identifiées.

Tableau 26 : Organismes et entreprises offrant des formations en réfrigération
ORGANISMES ET ENTREPRISES SITE WEB FORMATIONS EN RÉFRIGÉRATION
AQLP Association québécoise du loisir public
(diffuse le programme de formation de l’AQAIRS)
http://www.aqairs.ca Formation en région
Commission scolaire Marguerite-Bourgeois
École Dalbé-Viau
http://www2.csmb.qc.ca Formation en milieu scolaire
Comenco Services aux immeubles inc. www.comenco.ca Formation in situ
CFCPC Centre de formation continue des professionnels de la construction www.cfcpc.ca Formation en salle
André Delisle
Expert-conseil en réfrigération
andel53@videotron.ca Formation in situ

CONCLUSIONS

Cette étude présente un nombre important de données et d’informations utiles aux propriétaires d’arénas qui planifient la réfection d’un système de réfrigération. Douze systèmes sont comparés sur le plan de la performance, des coûts d’achat et d’exploitation sur 20 ans. Les risques pour la santé et la sécurité des occupants et du voisinage sont aussi considérés pour les trois familles de réfrigérant étudiées : l’ammoniac, le CO2 et les réfrigérants de synthèse soit HFC/HCFC.

L’aréna de référence qui sert à évaluer les 12 options se veut le plus représentatif possible du parc des 425 arénas au Québec. Il comporte :

  • Une glace unique utilisée 9 mois/an – ouverture quotidienne de 6 à 24 heures;
  • Des gradins de 300 à 500 places;
  • Un système de réfrigération au R22 avec 6 compresseurs de 30 HP;
  • Une boucle secondaire à la saumure avec une pompe de 25 HP;
  • Un désurchauffeur pour chauffer l’eau de surfaçage et des douches par récupération d’énergie;
  • Les consommations dues à la déshumidification et à l’éclairage ne sont pas prises en compte dans l’étude.

Les résultats de l’étude se regroupent en cinq catégories :

  1. Les résultats techniques : ils concernent la performance des systèmes frigorifiques en matière de COP (coefficient de performance) pour la réfrigération, le chauffage ainsi que le combiné réfrigération et chauffage. De plus, les consommations annuelles d’énergie de chaque système ont été calculées en ayant recours à des logiciels de simulation énergétique;

    PRINCIPALES CONCLUSIONS
    1. Les systèmes au CO2 affichent les meilleurs COP combinés (3,9) suivis des systèmes à l’ammoniac (3,0 en moyenne), des systèmes aux HFC (2,6 en moyenne) et enfin du système au R22 (1,6);
    2. La consommation d’énergie totale la plus faible appartient aux systèmes au CO2 avec 393 MWh/an en moyenne versus 525 MWh/an (+34 %) en moyenne pour l’ammoniac et 611 MWh/an (+55 %) pour les HFC. Le système au R22 consomme 1 020 MWh/an
      (+160 %).
    3. L’appel maximum de puissance électrique varie d’environ 10 % entre tous les systèmes (194 kW en moyenne) à l’exception du système au R22 dont l’appel de puissance atteint 381 kW (+96 %).
  2. Les résultats financiers : ils présentent l’ensemble des coûts d’acquisition et d’exploitation sur 20 ans. Les incitatifs financiers et autres contributions sont pris en compte. Des analyses de sensibilité permettent d’observer les variations dans les résultats occasionnés par des changements dans les critères d’analyse tels le taux d’inflation dans les prix de l’énergie;

    PRINCIPALES CONCLUSIONS
    1. Au plan des investissements, conserver un système au R22 est l’option la moins chère (82 000 $). Son remplacement par un système à l’ammoniac exigera un investissement net, une fois les subventions déduites, d’environ 325 000 $. Au CO2, l’investissement varie de 207 000 $ pour une boucle secondaire inchangée à 685 000 $ avec un circuit de CO2 sous la glace neuf installé dans une surdalle;
    2. Pour les municipalités de Québec et de Montréal, les coûts d’investissements sont considérablement plus élevés, c.-à-d. supérieurs à 1 million $. Ceci est attribuable au concept du système de réfrigération assemblé sur place, à la salle mécanique classe T architecturale et aux équipements pour assurer les mesures supplémentaires de sécurité;
    3. Les coûts d’exploitation incluent l’énergie, l’entretien annuel, les entretiens et réparations périodiques de même que la formation. Ils sont cumulés sur 20 ans et rapportés en coûts actualisés. Les systèmes avec les réfrigérants HFC sont ceux qui coûtent moins cher à entretenir avec une dépense moyenne de 194 000 $. Parmi ceux-ci, le système utilisant le réfrigérant R134a affiche même un coût de 90 000 $. Les systèmes à l’ammoniac et au CO2 affichent des coûts légèrement plus élevés, soit 275 000 $ en moyenne. Le système au CO2 avec boucle secondaire à la saumure présente le coût le plus bas à 253 000 $;
    4. Le coût global d’acquisition et d’exploitation sur 20 ans indique pour tous les systèmes, sauf ceux des grandes villes, une moyenne de 1 740 000 $ avec des écarts inférieurs à 250 000 $. À l'exception des systèmes à l'ammoniac des grandes villes, conserver le système existant au R22 s’avère l’option la plus coûteuse soit 2 374 000 $, donc remplacer le système existant au R-22 est en soi une bonne décision;
    5. À l'exception des systèmes des grandes villes, sur la base de l’annuité correspondante à la valeur actuelle, l’ensemble des coûts exigera un déboursé moyen de 117 000 $/an en moyenne avec des écarts de ±22 000 $/an selon les options et les types de réfrigérants. Le système au R22 coûtera pour sa part 160 000 $/an.
  3. Les impacts environnementaux : les émissions de gaz à effet de serre (GES) sont calculées en fonction des pertes de réfrigérant et des émissions liées à la consommation d’électricité;

    PRINCIPALES CONCLUSIONS
    1. Les réfrigérants de synthèse étant tous de puissants gaz à effet de serre, il n’est pas étonnant qu’ils aient le plus grand impact en cette matière. Les deux principales recommandations en ce qui les concernent sont d’abord de limiter la charge de réfrigérant dans le système et aussi d’avoir les assemblages les mieux contrôlés pour réduire les risques de fuites par la suite. Dans cette perspective, les assemblages monobloc sont favorisés;
    2. Les systèmes à l’ammoniac et au CO2 ont les plus petites émissions de GES avec en moyenne 1 000 kg sur les 20 ans d’exploitation.
       
  4. Les risques pour la santé et la sécurité : les incidents les plus à risque de survenir durant l’exploitation d’un système de réfrigération sont analysés et des mesures de prévention et d’atténuation sont proposées pour assurer la sécurité des occupants de l’aréna de même que du voisinage.

    PRINCIPALES CONCLUSIONS
    1. Les systèmes à l’ammoniac sont ceux qui nécessitent le plus d’attention en raison de la toxicité de la substance. Dans le but de bien cerner ces risques et de connaître les mesures préventives et d’atténuation, une analyse formelle de gestion de risques, conforme aux règles de l’art est recommandée dans tous les cas;
    2. Lorsque des immeubles plus élevés que l’aréna sont à moins de 300 mètres, des équipements d’absorption des émissions d’ammoniac sont recommandés;
    3. Les systèmes au CO2 comportent également une part importante de risques surtout lorsque le CO2 est présent dans l’enceinte. Advenant une fuite et en raison de la pression élevée et de la température froide du gaz, celui-ci reste au sol et déplace l’air ambiant. Les occupants risquent donc l’asphyxie. Pour cette raison, une analyse formelle de gestion de risques est également recommandée avec l’usage de ce réfrigérant;
    4. Les réfrigérants de synthèse sont ceux qui présentent les moindres dangers sans pour autant qu’ils ne soient nuls ou sans importance. Même si leur usage est mieux connu au Québec, les mesures préventives et d’atténuation doivent néanmoins être respectées rigoureusement.

Collaborateurs à la réalisation de cette étude

RÉALISATION

CanmetÉNERGIE-Varennes, Ressources naturelles Canada

  • André Chalifour, ing., Gestionnaire de projet;
  • Daniel Giguère, ing., Expert en réfrigération et pompes à chaleur;
  • Ethel Mayrena Zelaya, ing., Chef de projet;
  • Philippe Simard, M.Sc.A., Expert en modélisation;
  • Sylvie Lavoie, Secrétariat;
  • Josée Ottavi, Graphiste conception Web;
  • Joanie Frigon, Mise en page;
  • Amy-Lou Lafontaine, Traduction;
  • Guillaume Corbeil-Archambault, Correction et balisage;
  • Martin Kegel, M.Sc.A., ingénieur de recherche.

COLLABORATEURS EXTERNES

  • Dave Bouchard, ing., Représentant technique - Systèmes CVAC, Trane Québec;
  • David Gauvin, ing., Représentant technique - Systèmes CVAC-R, Trane Québec;
  • Benoit Rodier, ing., Directeur, Développement des affaires, CIMCO Refrigeration, Québec;
  • Sebastien Castonguay, Directeur général – Province du Québec, CIMCO Refrigeration, Québec;
  • Serge Dubé, Président, Technologies SMARTREF Inc., Québec;
  • Marc-André Lesmerises, ing., Président, Carnot Réfrigération, Québec;
  • Jonathan Ayotte, B. ing., Représentant technique, Carnot Réfrigération, Québec;
  • Len Puchaz, Responsable des ventes, Mayekawa Canada Inc, Ontario;
  • Quinn Vo, ing., Ingénieur corporatif, Mayekawa Canada Inc, Ontario;
  • Jason Pillipow, ing., Directeur de l’ingénierie, Kube Solutions, Winnipeg;
  • Marc Gosselin, ing., Président, Fixair Inc., Québec;
  • Fabrice Springhetti, Gérant de projet, Fixair Inc., Québec;
  • Ronald Beaulne, Bitzer Canada Inc., Québec;
  • Alain Gadbois, ing., Division de la gestion de projets et de la construction, Ville de Québec;
  • Jean Walsh, ing., Chef de division par intérim, Direction des transactions et stratégies immobilières, Ville de Montréal
  • Costas Labos, ing., Direction des stratégies et transactions immobilière, Ville de Montréal
  • Claude Dumas, ing., Expert – Systèmes de réfrigération dans les arénas, Direction des stratégies et transactions immobilières, Ville de Montréal;
  • Bertrand Plante, ing., Chef de section développement et soutien technique, Ville de Montréal;
  • Mario Piché, Directeur général, Sportium de Val-des-Monts, Québec;
  • Eric Lachance, Maire, Municipalité de St-Gédéon-de-Beauce, Québec;
  • Gilles Beaudouin, Chef de division Bâtiments, Ville de Laval, Québec;
  • Yvan Grégoire, ing., Chargé de projet, service des bâtiments, Ville de Longueuil, Québec;
  • Alain Boutin, Chef de section entretien des bâtiments, Ville de Sherbrooke, Québec;
  • Doris-Gilles Lafleur, Conseiller, Bureau de la sécurité civile, Québec;
  • Sany Maltais, Conseillère en gestion des risques, Ministère de la Sécurité publique, Québec;
  • Stéphanie Lacoursière, ing., Expert en analyse de risque, JP Lacoursière Inc., Québec;
  • Jean-Paul Lacoursière, ing., Expert en analyse de risque, JP Lacoursière Inc., Québec;
  • Jérémie Couture, Analyste, Ministère de l’éducation et des loisirs, Québec;
  • Samira Hélène Sammoun, ing., Hydro-Québec Distribution, Québec;
  • Luc Simard, ing., Génivar, Québec;
  • Kateri Héon, ing., Les services EXP Inc, Montréal;
  • Marie-Ève Lacroix, Conseillère en développement industriel, Ministère des Finances et de l’Économie;
  • Gilles Auger, ing., Conseiller, Programmes d’efficacité énergétique, AQAIRS;
  • Michel Fournier, ing., Ingénieur de projet, secteurs institutionnels et municipaux, BEIE.

Annexes

Annexe 1 :
Schémas des 12 systèmes étudiés et description du fonctionnement

Annexe 2 :
Sommaire des garanties des systèmes étudiés

Annexe 3 :
Résultats énergétiques pour un aréna de 12 mois

Annexe 4 :
Rapport synthèse sur les risques associés à l’utilisation de l’ammoniac dans les arénas

Annexe 5 :
Étude technique de réfrigération des arénas au CO2 technique de réfrigération des arénas au CO2

Annexe 6 :
Guide de gestion des risques pour système de réfrigération aux halocarbures pour arénas

Annexe 1 : Schémas des 12 systèmes étudiés et description du fonctionnement

Système A1 : Système ouvert monobloc à accumulateur d’énergie stratifié

DESCRIPTION DU SYSTÈME

  • Système de réfrigération à l’ammoniac, compresseurs à vis de type ouvert, monobloc, assemblé en usine, sur base d’acier;
  • Opération sans réservoir de réfrigérant à la sortie du condenseur (45 kg ou 0,3 kg/tonne de réfrigération), système confiné à la salle mécanique;
  • Évaporateur de type plaques et calandre en titane;
  • Augmentation de l’efficacité du système de réfrigération grâce à une température de condensation de 13,5 °C lorsque le climat le permet;
  • Accumulateur d’énergie stratifié permettant d’optimiser la pression d’opération du système de réfrigération, de stabiliser les demandes d’énergie (chaud et froid) et de prioriser les besoins de chauffage;
  • Récupération complète des rejets de chaleur du système : la désurchauffe au refoulement des compresseurs, le refroidissement de l’huile des compresseurs et la chaleur de condensation du système;
  • Système de pompage modulé en fonction des besoins de chauffage à combler;
  • Récupération et gestion de l’huile du système réalisée de façon automatisée;
  • Tour d’eau à écoulement d’air induit direct et à contre-courant qui rejette le surplus de chaleur du système de réfrigération à l’extérieur;
  • Salle mécanique classe T préfabriquée est installée en annexe du bâtiment.
Appel de puissance le plus élevé obtenu lors de la modélisation du système sur une période de 9 mois.
Performance Consommation énergétique annuelle (kWh) Appel de puissance *
(kW)
COP réfrigération 2,36 Réfrigération 407 038 180
COP chauffage 7,63 Chauffage 77 088
COP combiné 3,20 Total 484 186
Système ouvert monobloc à accumulateur d’énergie stratifié

Système A1 : Système ouvert monobloc à accumulateur d’énergie stratifié

 
Version textuelle

Système A1 : Système ouvert monobloc à accumulateur d’énergie stratifié

Le schéma décrit le système A1, soit un système ouvert monobloc à accumulateur d’énergie stratifié. Il s’agit d’un système de réfrigération à l’ammoniac, avec des compresseurs à vis de type ouvert, monobloc, installé sur une base d’acier. Il opère sans réservoir de réfrigérant à la sortie du condenseur. L’évaporateur est de type plaques et calandre en titane. Le système de pompage est modulé en fonction des besoins de chauffage à combler. La récupération et la gestion de l’huile du système est réalisée de façon automatisée. Une tour d’eau à écoulement d’air induit direct et à contre-courant rejette le surplus de chaleur du système de réfrigération à l’extérieur. La salle mécanique de classe T est installée en annexe du bâtiment.

Système A2 : Système ouvert assemblé avec pompe à chaleur, concept de la ville de Montréal

DESCRIPTION DU SYSTÈME

  • Système de réfrigération à l’ammoniac, compresseurs à pistons de type ouvert, assemblé sur site, sur base de béton;
  • Opération sans réservoir de réfrigérant (114 kg ou 1,6 kg/tonne de réfrigération), système confiné dans la salle mécanique;
  • Évaporateur de type échangeur à plaques en titane;
  • Augmentation de l’efficacité du système de réfrigération grâce une température de condensation de 26 °C en période de récupération de chaleur et lorsque le climat le permet;
  • Pompe à chaleur qui valorise la chaleur totale rejetée par le système pour combler les besoins de chauffage de l’air;
  • Récupération complète des rejets de chaleur du système : la désurchauffe au refoulement des compresseurs, le refroidissement de l’huile des compresseurs et la chaleur de condensation du système;
  • Tour d’eau à écoulement d’air induit indirecte et à contre-courant qui rejette le surplus de chaleur du système de réfrigération à l’extérieur;
  • Salle de mécanique classe T architecturale intégrée au bâtiment;
  • Récupération et gestion de l’huile du système en circuit fermé.
Appel de puissance le plus élevé obtenu lors de la modélisation du système sur une période de 9 mois.
Performance Consommation énergétique annuelle (kWh) Appel de puissance *
(kW)
COP réfrigération 2,50 Réfrigération 383 354 198
COP chauffage 3,70 Chauffage 158 953
COP combiné 2,85 Total 542 308
Système ouvert assemblé avec pompe à chaleur, concept de la ville de Montréal

Système A2 : Système ouvert assemblé avec pompe à chaleur, concept de la ville de Montréal

 
Version textuelle

Système A2 : Système ouvert assemblé avec pompe à chaleur, concept de la ville de Montréal

Le schéma décrit le système A2, soit un système ouvert assemblé avec pompe à chaleur. Il s’agit d’un système de réfrigération à l’ammoniac, avec des compresseurs à pistons de type ouvert, installé sur une base de béton. Il opère sans réservoir de réfrigérant ; le système est confiné dans la salle mécanique. L’évaporateur est de type échangeur à plaques en titane. Le système récupère complètement les rejets de chaleur. Une tour d’eau à écoulement d’air induit indirect et à contre-courant rejette le surplus de chaleur du système de réfrigération à l’extérieur. La salle mécanique de classe T architecturale est intégrée au bâtiment. La récupération et la gestion de l’huile de système se fait en circuit fermé.

Système A3 : Système ouvert assemblé avec pompe à chaleur, concept ville de Québec

DESCRIPTION DU SYSTÈME

  • Système de réfrigération à l’ammoniac, compresseurs à pistons de type ouvert, assemblé sur site, sur base de béton;
  • Opération sans réservoir de réfrigérant (273 kg ou 3,6 kg/tonne de réfrigération), système confiné dans la salle mécanique;
  • Évaporateur de type échangeur à plaques en acier inoxydable 254, alliage d’acier inoxydable austénitique résistant à la corrosion par les chlorures (corrosion fissurant sous tension, piqûres et à la corrosion de joints);
  • Augmentation de l’efficacité du système de réfrigération grâce à une température de condensation d’environ 29 °C lorsque le climat le permet;
  • Pompe à chaleur qui valorise la chaleur rejetée par le système pour combler les besoins de chauffage de l’air;
  • Récupération complète des rejets de chaleur du système : la désurchauffe au refoulement des compresseurs, le refroidissement de l’huile des compresseurs et la chaleur de condensation du système;
  • Tour d’eau à écoulement d’air induit indirect et à contre-courant qui rejette le surplus de chaleur du système de réfrigération à l’extérieur;
  • Salle de mécanique classe T architecturale intégrée au bâtiment.
Appel de puissance le plus élevé obtenu lors de la modélisation du système sur une période de 9 mois.
Performance Consommation énergétique annuelle (kWh) Appel de puissance *
(kW)
COP réfrigération 2,22 Réfrigération 453 590 210
COP chauffage 3,20 Chauffage 183 555
COP combiné 2,51 Total 637 145
Système  ouvert assemblé avec pompe à chaleur, concept de la ville de Québec

Système A3 : Système ouvert assemblé avec pompe à chaleur, concept de la ville de Québec

 
Version textuelle

Système A3 : Système ouvert assemblé avec pompe à chaleur, concept de la ville de Québec

Le schéma décrit le système A3, soit un système ouvert assemblé avec pompe à chaleur. Il s’agit d’un système de réfrigération à l’ammoniac, avec des compresseurs à pistons de type ouvert, installé sur une base de béton. Il opère sans réservoir de réfrigérant ; le système est confiné dans la salle mécanique. L’évaporateur est de type échangeur à plaques en acier inoxydable. Une pompe à chaleur valorise la chaleur rejetée par le système pour combler les besoins de chauffage de l’air. Le système récupère complètement les rejets de chaleur. Une tour d’eau à écoulement d’air induit indirect et à contre-courant rejette le surplus de chaleur du système de réfrigération à l’extérieur. La salle mécanique de classe T architecturale est intégrée au bâtiment.

Système A4 : Système ouvert monobloc avec port économiseur sur les compresseurs

DESCRIPTION DU SYSTÈME

  • Système de réfrigération à l’ammoniac, compresseurs à vis de type ouvert, monobloc, assemblé en usine, sur base d’acier;
  • Opération avec une charge de réfrigérant de 320 kg (4 kg/tonne de réfrigération), système confiné dans la salle mécanique;
  • Évaporateur de type échangeur à plaques en acier inoxydable;
  • Augmentation de l’efficacité du système de réfrigération grâce à une température de condensation de 21°C lorsque le climat le permet;
  • Efficacité accrue du système de réfrigération grâce à une opération utilisant le port économiseur des compresseurs à vis;
  • Accumulateur d’énergie permettant d’optimiser la pression d’opération du système de réfrigération et prioriser les besoins de chauffage de l’air;
  • Récupération complète des rejets de chaleur du système : la désurchauffe au refoulement des compresseurs, le refroidissement de l’huile des compresseurs et la chaleur de condensation du système;
  • Fluide caloporteur pour la dalle de la patinoire : solution d’éthylène glycol 35 %;
  • Tour d’eau à écoulement d’air induit direct et à contre-courant rejette le surplus de chaleur du système de réfrigération à l’extérieur;
  • Salle mécanique classe T préfabriquée et installée en annexe du bâtiment.
Appel de puissance le plus élevé obtenu lors de la modélisation du système sur une période de 9 mois.
Performance Consommation énergétique annuelle (kWh) Appel de puissance *
(kW)
COP réfrigération 2,33 Réfrigération 412 228 179
COP chauffage 7,78 Chauffage 75 597
COP combiné 3,17 Total 487 825
Système ouvert monobloc avec port économiseur sur les compresseurs

Système A4 : Système ouvert monobloc avec port économiseur sur les compresseurs

 
Version textuelle

Système A4 : Système ouvert monobloc avec port économiseur sur les compresseurs

Le schéma décrit le système A4, soit un système ouvert monobloc avec port économiseur sur les compresseurs. Il s’agit d’un système de réfrigération à l’ammoniac, avec des compresseurs à vis de type ouvert, monobloc, installé sur une base d’acier. Il opère avec une charge de réfrigérant de 320 kg ; le système est confiné dans la salle mécanique. L’évaporateur est de type échangeur à plaques en acier inoxydable. Un accumulateur d’énergie optimise la pression d’opération du système de réfrigération et priorise les besoins de chauffage de l’air. Le système récupère complètement les rejets de chaleur. Une solution d’éthylène glycol 35 % est utilisée comme fluide caloporteur pour la salle de la patinoire. Une tour d’eau à écoulement d’air induit direct et à contre-courant rejette le surplus de chaleur du système de réfrigération à l'extérieur. La salle mécanique de classe T préfabriquée est installée en annexe du bâtiment.

Système A5 : Système ouvert monobloc avec compresseurs à pistons efficaces

DESCRIPTION DU SYSTÈME

  • Système de réfrigération à l’ammoniac, compresseurs réciproques à pistons de type ouvert, bibloc, assemblé en usine, sur base d’acier;
  • Opération avec une charge de réfrigérant de 230 kg (3 kg/tonne de réfrigération), système confiné dans la salle mécanique;
  • Évaporateur de type échangeur à plaques en acier inoxydable;
  • Augmentation de l’efficacité du système de réfrigération grâce à une température de condensation de 21°C lorsque le climat le permet;
  • Accumulateur d’énergie permettant d’optimiser la pression d’opération du système de réfrigération et prioriser les besoins de chauffage de l’air;
  • Récupération complète des rejets de chaleur du système : la désurchauffe au refoulement des compresseurs, le refroidissement de l’huile des compresseurs et la chaleur de condensation du système;
  • Fluide caloporteur pour la dalle de la patinoire : solution d’éthylène glycol 35 %;
  • Tour d’eau à écoulement d’air induit direct et à contre-courant rejette le surplus de chaleur du système de réfrigération à l’extérieur;
  • Salle mécanique classe T préfabriquée et installée en annexe du bâtiment.
Appel de puissance le plus élevé obtenu lors de la modélisation du système sur une période de 9 mois.
Performance Consommation énergétique annuelle (kWh) Appel de puissance *
(kW)
COP réfrigération 2,15 Réfrigération 446 417 171
COP chauffage 21,49 Chauffage 27 357
COP combiné 3,27 Total 473 774
Open packaged system with efficient reciprocating compressors

Système A5 : Système ouvert monobloc avec compresseurs à pistons efficaces

 
Version textuelle

Système A5 : Système ouvert monobloc avec compresseurs à pistons efficaces

Le schéma décrit le système A5, soit un système ouvert monobloc avec compresseurs à pistons efficaces. Il s’agit d’un système de réfrigération à l’ammoniac, avec des compresseurs réciproques à pistons de type ouvert, bibloc, installé sur une base d’acier. Il opère avec une charge de réfrigérant de 230 kg ; le système est confiné dans la salle mécanique. L’évaporateur est de type échangeur à plaques en acier inoxydable. Un accumulateur d’énergie permet d’optimiser la pression d’opération du système de réfrigération et de prioriser les besoins de chauffage de l’air. Le système récupère complètement les rejets de chaleur. Une solution d’éthylène glycol 35 % est utilisée comme fluide caloporteur pour la dalle de la patinoire. Une tour d’eau à écoulement d’air induit direct et à contre-courant rejette le surplus de chaleur du système de réfrigération à l’extérieur. La salle mécanique de classe T préfabriquée est installée en annexe du bâtiment.

Système C1 : Système semi-hermétique bibloc à évaporation dans la dalle

DESCRIPTION DU SYSTÈME

  • Système de réfrigération au R-744 (CO2), compresseurs à pistons de type semi-hermétique, bibloc, assemblé en usine, sur base d’acier;
  • Opération à haute pression, en cycle transcritique, avec une charge de réfrigérant de 1 591 kg
    (20 kg / tonne de réfrigération) qui circule directement dans la dalle;
  • Le réfrigérant CO2 circule directement dans la dalle qui fait office d’évaporateur;
  • Température de glace uniforme et plus froide due à l’échange thermique direct du CO2 avec la dalle;
  • Puissance de pompage minimale utilisée pour la circulation du CO2 dans la dalle;
  • Pression d’opération habituelle d’environ 75 bars (1 087 lbs/po²) contrôlée pour prioriser la récupération d’énergie et combler les besoins de chauffage tout en minimisant la consommation d’énergie des compresseurs;
  • Refroidisseur de gaz rejette le surplus de chaleur du système de réfrigération à l’extérieur;
  • Ajout d’un système de réfrigération auxiliaire pour maintenir le niveau critique de pression dans le système l’été lorsque l’aréna n’est pas en fonction.
Appel de puissance le plus élevé obtenu lors de la modélisation du système sur une période de 9 mois.
Performance Consommation énergétique annuelle (kWh) Appel de puissance *
(kW)
COP réfrigération 3,09 Réfrigération 291 083 181
COP chauffage 6,50 Chauffage 90 479
COP combiné 3,90 Total 381 562
Système semi-hermétique bibloc à évaporation dans la dalle

Système C1 : Système semi-hermétique bibloc à évaporation dans la dalle

 
Version textuelle

Système C1 : Système semi-hermétique bibloc à évaporation dans la dalle

Le schéma décrit le système C5, soit un système semi-hermétique bibloc à évaporation dans la dalle. Il s’agit d’un système de réfrigération au R-744, avec des compresseurs à pistons de type semi-hermétique, bibloc, installé sur une base d’acier. Il opère à haute pression, en cycle transcritique, avec une charge de réfrigérant de 1 591 kg qui circule directement dans la dalle. Le réfrigérant CO2 circule directement dans la dalle qui fait office d’évaporateur. Une puissance de pompage minimale est utilisée pour la circulation du CO2 dans la dalle. Un refroidisseur de gaz rejette le surplus de chaleur du système de réfrigération à l’extérieur. Un système de réfrigération auxiliaire a été ajouté pour maintenir le niveau critique de pression dans le système l’été, lorsque l’aréna n’est pas en fonction.

Système C2 : Système semi-hermétique bibloc avec chauffage de l’air au CO2

DESCRIPTION DU SYSTÈME

  • Système de réfrigération au R-744 (CO2), compresseurs réciproques à pistons de type semi-hermétique, bibloc, assemblé en usine, sur base d’acier;
  • Opération à haute pression, en cycle transcritique, avec une charge de réfrigérant de 500 kg ou 6,5 kg/tonne de réfrigération. Le gaz chaud circule directement dans l’aréna pour le chauffage de l’air;
  • Évaporateur de type échangeur à plaques et calandre en acier inoxydable;
  • Pression d’opération contrôlée en fonction de la température extérieure pour combler les besoins de chauffage et minimiser la consommation d’énergie des compresseurs;
  • Chauffage de l’air de l’enceinte réalisé sans système de pompage, par un serpentin échangeur au CO2 en acier inoxydable installé directement dans l’appareil de ventilation;
  • Refroidisseur de gaz rejette le surplus de chaleur du système de réfrigération à l’extérieur;
  • Soudures au laser sur site réduisant le risque de fuite du CO2 dans l’aréna;
  • Système peut être mis à l’arrêt à tout moment sans aucun dispositif auxiliaire supplémentaire pour maintenir la pression.
Appel de puissance le plus élevé obtenu lors de la modélisation du système sur une période de 9 mois.
Performance Consommation énergétique annuelle (kWh) Appel de puissance *
(kW)
COP réfrigération 2,56 Réfrigération 374 455 188
COP chauffage 19,80 Chauffage 29 692
COP combiné 3,83 Total 404 147
Système semi-hermétique bibloc avec chauffage de l’air au CO2

Système C2 : Système semi-hermétique bibloc avec chauffage de l’air au CO2

 
Version textuelle

Système C2 : Système semi-hermétique bibloc avec chauffage de l’air au CO2

Le schéma décrit le système C2, soit un système semi-hermétique bibloc avec chauffage de l’air au CO2. Il s’agit d’un système de réfrigération au R-744 (CO2), avec des compresseurs à pistons de type semi-hermétique, bibloc, installé sur une base d’acier. Il opère à haute pression, en cycle transcritique, avec une charge de réfrigérant de 500 kg. Le gaz chaud circule directement dans l’aréna pour le chauffage de l’air. L’évaporateur est de type échangeur à plaques et calandre en acier inoxydable. La pression d’opération est contrôlée en fonction de la température extérieure pour combler les besoins de chauffage et minimiser la consommation d’énergie des compresseurs. Le chauffage de l’air de l’enceinte est réalisé dans système de pompage, par un serpentin échangeur au CO2 en acier inoxydable installé directement dans l’appareil de ventilation. Un refroidisseur de gaz rejette le surplus de chaleur du système de réfrigération à l’extérieur.

 

Système H1 : Système ouvert traditionnel assemblé avec chauffage électrique

DESCRIPTION DU SYSTÈME

  • Système de réfrigération au HCFC-R22, compresseurs à pistons de type ouvert, assemblé sur site, sur base de ciment;
  • Opération du système avec une charge de réfrigérant  de 409 kg (5 kg/tonne de réfrigération), circulant dans l’aréna, entre la salle mécanique et le condenseur à air sur le toit;
  • Évaporateur de type tube et calandre en acier;
  • Absence de récupération d’énergie sur les rejets thermiques de la chaleur de condensation;
  • Récupération d’énergie à l’aide d’un désurchauffeur pour le préchauffage de l’eau;
  • Réservoir d’accumulation de liquide à la sortie du condenseur.
Appel de puissance le plus élevé obtenu lors de la modélisation du système sur une période de 9 mois.
Performance Consommation énergétique annuelle (kWh) Appel de puissance *
(kW)
COP réfrigération 1,83 Réfrigération 550 247 381
COP chauffage 1,25 Chauffage 469 330
COP combiné 1,57 Total 1 019 576
Système ouvert traditionnel assemblé avec chauffage électrique

Système H1 : Système ouvert traditionnel assemblé avec chauffage électrique

 
Version textuelle

Système H1 : Système ouvert traditionnel assemblé avec chauffage électrique

Le schéma décrit le système H1, soit un système ouvert traditionnel assemblé avec chauffage électrique. Il s’agit d’un système de réfrigération au HCFC-R22, avec des compresseurs à pistons de type ouvert, installé sur une base de ciment. Il opère avec une charge de réfrigérant de 409 kg qui circule dans l’aréna, entre la salle mécanique et le condenseur à air sur le toit. L’évaporateur est de type tube et calandre en acier. Le système récupère l’énergie à l’aide d’un désurchauffeur pour le préchauffage de l’eau. Un réservoir d’accumulation de liquide est situé à la sortie du condenseur.

 

Système H2 : Système semi-hermétique monobloc avec port économiseur sur compresseurs

DESCRIPTION DU SYSTÈME

  • Système de réfrigération au HFC-R507A, compresseurs à vis de type semi-hermétique, monobloc,
    préassemblé en usine, sur base d’acier;
  • Opération à charge réduite de réfrigérant (114 kg ou 1,3 kg/tonne de réfrigération), confiné dans la salle mécanique;
  • Évaporateur de type échangeur à plaques en titane;
  • Efficacité accrue des compresseurs à vis semi-hermétiques grâce à l’utilisation du port économiseur;
  • Accumulateur d’énergie permettant d’optimiser la pression d’opération du système de réfrigération et prioriser les besoins de chauffage de l’air;
  • Récupération des rejets de chaleur du système : désurchauffe et condensation;
  • Refroidisseur de fluide sec qui rejette le surplus de chaleur du système de réfrigération à l’extérieur.
Appel de puissance le plus élevé obtenu lors de la modélisation du système sur une période de 9 mois.
Performance Consommation énergétique annuelle (kWh) Appel de puissance *
(kW)
COP réfrigération 2,05 Réfrigération 468 361 197
COP chauffage 5,80 Chauffage 101 326
COP combiné 2,72 Total 569 686
Système semi-hermétique monobloc avec port économiseur

Système H2 : Système semi-hermétique monobloc avec port économiseur

 
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Système H2 : Système semi-hermétique monobloc avec port économiseur

Le schéma décrit le système H2, soit un système semi-hermétique monobloc avec port économiseur sur compresseurs. Il s’agit d’un système de réfrigération au HFC-R507A, avec des compresseurs à vis de type semi-hermétique, monobloc, installé sur une base d’acier. Il opère à charge réduite de réfrigérant, qui est confiné dans la salle mécanique. L’évaporateur est de type échangeur à plaques en titane. Un accumulateur d’énergie permet d’optimiser la pression d’opération du système de réfrigération et de prioriser les besoins de chauffage de l’air. Le système récupère les rejets de chaleur. Un refroidisseur de fluide sec rejette le surplus de chaleur du système de réfrigération à l’extérieur.

 

Système H3 : Système hermétique modulaire de Pompes à chaleur

DESCRIPTION DU SYSTÈME

  • Système de réfrigération au HFC-R410A, compresseurs à volute (scroll) de type hermétique, monobloc, assemblé en usine, sur base d’acier;
  • Refroidisseurs modulaires fabriqués, vérifiés, remplis de réfrigérant et testés en usine;
  • Évaporateur de type échangeur à plaques en acier inoxydable intégré dans le refroidisseur;
  • Excellente étanchéité aux fuites de réfrigérant et nécessite peu d’entretien;
  • Opération avec une charge faible de réfrigérant (45 kg ou 0,6 kg /tonne de réfrigération), confiné dans le système, dans la salle mécanique;
  • Récupération des rejets de chaleur du système : désurchauffe et condensation dans le même échangeur;
  • Fluide caloporteur froid au méthanol;
  • Refroidisseur de fluide sec qui rejette le surplus de chaleur du système de réfrigération à l’extérieur;
  • Possibilité de raccordement à un système géothermique;
  • Facilité d’opération.
Appel de puissance le plus élevé obtenu lors de la modélisation du système sur une période de 9 mois.
Performance Consommation énergétique annuelle (kWh) Appel de puissance *
(kW)
COP réfrigération 1,68 Réfrigération 554 608 225
COP chauffage 5,86 Chauffage 100 377
COP Combiné 2,32 Total 654 985
Système hermétique modulaire de pompes à chaleur

Système H3 : Système hermétique modulaire de pompes à chaleur

 
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Système H3 : Système hermétique modulaire de pompes à chaleur

Le schéma H3 décrit un système hermétique modulaire de pompes à chaleur. Il s’agit d’un système de réfrigération au HFC-R401A, avec des compresseurs à volute de type hermétique, monobloc, installé sur une base d’acier. Les refroidisseurs sont remplis de réfrigérant. L’évaporateur est de type échangeur à plaques en acier inoxydable intégré dans le refroidisseur. Il opère avec une charge faible de réfrigérant, qui est confiné dans la salle mécanique. Le système récupère les rejets de chaleur. Il utilise un fluide caloporteur froid au méthanol. Un refroidisseur de fluide sec rejette le surplus de chaleur du système de réfrigération à l’extérieur.

 

Système H4 : Système semi-hermétique modulaire avec accumulateur d’énergie stratifié

DESCRIPTION DU SYSTÈME

  • Système de réfrigération au HFC-R507A, monobloc, assemblé en usine, sur base d’acier;
  • Refroidisseurs monoblocs avec compresseurs à vis de type semi-hermétique;
  • Opération avec 100 kg de réfrigérant (1,3 kg / tonne de réfrigération), confiné dans le système dans la salle mécanique;
  • Évaporateur de type échangeur à plaques en acier inoxydable intégré dans le refroidisseur
  • Accumulateur d’énergie stratifié permettant d’optimiser la pression d’opération du système de réfrigération, de stabiliser les demandes d’énergie (chaud et froid) et de prioriser les besoins de chauffage;
  • Système de pompage modulé en fonction des besoins de chauffage à combler;
  • Récupération des rejets de chaleur du système : désurchauffe et condensation dans le même échangeur;
  • Fluide caloporteur froid à l’éthylène glycol 35 %;
  • Refroidisseur de fluide sec efficace qui rejette le surplus de chaleur du système de réfrigération à l’extérieur;
  • Facilité d’opération.
Appel de puissance le plus élevé obtenu lors de la modélisation du système sur une période de 9 mois.
Performance Consommation énergétique annuelle (kWh) Appel de puissance *
(kW)
COP réfrigération 2,03 Réfrigération 485 485 192
COP chauffage 3,84 Chauffage 153 013
COP combiné 2,46 Total 638 498
Système semi-hermétique modulaire avec accumulateur d’énergie stratifié

Système H4 : Système semi-hermétique modulaire avec accumulateur d’énergie stratifié

 
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Système H4 : Système semi-hermétique modulaire avec accumulateur d’énergie stratifié

Le schéma H4 décrit un système semi-hermétique modulaire avec accumulateur d’énergie stratifié. Il s’agit d’un système de réfrigération au HFC-R507A, monobloc, installé sur une base d’acier. Les refroidisseurs monoblocs ont des compresseurs à vis de type semi-hermétique. Il opère avec 100 kg de réfrigérant, confiné dans la salle mécanique. L’évaporateur est de type échangeur à plaques en acier inoxydable intégré dans le refroidisseur. Le système récupère les rejets de chaleur. Il utilise un fluide caloporteur froid à l’éthylène glycol à 35 %. Un refroidisseur de fluide sec rejette le surplus de chaleur du système de réfrigération à l’extérieur.

 

Système H5 : Système semi-hermétique monobloc avec pompe à chaleur pour le chauffage de l’eau

DESCRIPTION DU SYSTÈME

  • Système de réfrigération au HFC-R134A, compresseurs à vis de type semi-hermétique à capacité variable, monobloc, production de masse;
  • Fabriqué, assemblé, rempli de réfrigérant et testé en usine;
  • Sa forme très compacte limite la quantité de réfrigérant. Il possède une bonne étanchéité aux fuites de réfrigérant;
  • Opération avec 166 kg de réfrigérant (21 Kg/tonne de réfrigération), confiné dans le système, dans la salle mécanique;
  • Le refroidisseur utilise deux circuits de réfrigérant complètement indépendants, éliminant le risque de perdre plus de la moitié de sa charge en plus d’assurer une redondance;
  • Ce type de refroidisseur ne requiert pas de modification de la salle de mécanique. Une porte simple, sinon une porte double suffisent comme passage pour installer le refroidisseur;
  • Tous les types de caloporteurs sont permis;
  • Pompe à chaleur pour le chauffage de l’eau domestique et de surfaçage;
  • Récupération des rejets de chaleur du système : désurchauffe et condensation dans le même échangeur, donc toute la chaleur rejetée par le refroidisseur est récupérable;
  • Le refroidisseur peut être utilisé dans une boucle avec des puits géothermiques et/ou des banques de glace;
  • Refroidisseur de fluide sec efficace qui rejette le surplus de chaleur du système de réfrigération à l’extérieur;
  • Facilité d’opération.
Appel de puissance le plus élevé obtenu lors de la modélisation du système sur une période de 9 mois.
Performance Consommation énergétique annuelle
(kWh)
Appel de puissance *
(kW)
COP réfrigération 1,85 Réfrigération 518 610 208
COP chauffage 9,52 Chauffage 61 771
COP combiné 2,67 Total 580 381
Système semi-hermétique monobloc avec pompe à chaleur pour le chauffage de l’eau

Système H5 : Système semi-hermétique monobloc avec pompe à chaleur pour le chauffage de l’eau

 
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Système H5 : Système semi-hermétique monobloc avec pompe à chaleur pour le chauffage de l’eau

The diagram shows the system H5, a packaged semi-hermetic system with heat pumps for water heating. It is a R-134a refrigeration system with variable capacity and semi-hermetic screw compressors and charged with refrigerant. It operates with 166 kg of refrigerant, which is confined to the mechanical room. The system uses two completely different refrigerant circuits. The system recovers heat waste. An efficient dry fluid cooler is sized to meet the heat rejection requirements of the system.

 

Annexe 2 : Sommaire des garanties des systèmes étudiés

Tableau A : Sommaire de garanties des systèmes étudiés
  Identification Garanties incluses avec les systèmes proposés Garanties prolongées
Cas Type d’assemblage Réfrigérant Pièces Main d’œuvre Compresseurs Réfrigérant Système Compresseurs
Durée Durée Durée Durée Durée/prix Durée/prix
A1 Monobloc R717 1 an 1 an 1 an 1 an non disponible non disponible
A2 Sur place R717 1 an   1 an   non disponible non disponible
A3 Sur place R717 1 an   1 an   non disponible non disponible
A4 Monobloc R717 1 an 1 an 1 an 1 an 2 ans / 4 000$ 2 ans / 4 000$
A5 Monobloc R717 1 an 1 an 1 an 1 an non disponible non disponible
C1 Bibloc CO2 1 an 1 an 1 an 1 an non disponible non disponible
C2 Bibloc CO2 1 an 1 an 1 an 1 an 1 an / 11 000$ 1 an / 6 000$
H1 Sur place HCFC-R22 1 an   1 an   non disponible non disponible
H2 Monobloc HFC-R507A 1 an 1 an 1 an 1 an 2 ans / 1 500$ 2 ans / 1 000$
H3 Modulaire HFC-R410A 1 an 1 an 1 an 1 an 5 ans / 6 000$ non disponible
H4 Modulaire HFC-R507A 1 an 1 an 1 an 1 an non disponible non disponible
H5 Monobloc HFC-R134A 1 an 1 an 1 an 1 an 10 ans /30 000$ non disponible
  • Les durées des garanties présentées sont à titre indicatif seulement. Elles s'appliquent selon les termes et conditions de garantie du manufacturier.

Annexe 3 : Résultats énergétiques pour un aréna de 12 mois

Tableau B : Résultat énergétiques par un aréna de 12 mois
Cas Identification Principales caractéristiques énergétiques
Réfrigérant Consommation d’énergie sur 9 mois
(kWh/an)
Écart Consommation d’énergie sur 12 mois
(kWh/an)
Écart
Réfrigérant Chauffage Totale % Réfrigérant Chauffage Totale %
A1 R717 407 000 77 100 484 100 -11% 491 300 103 000 594 300 -14 %
A2 R717 383 400 159 000 542 300 0% 511 200 176 100 687 400 0 %
A3 R717 453 600 183 600 637 100 17% 599 000 203 700 802 700 17 %
A4 R717 412 200 75 600 487 800 -10% 505 600 100 300 605 900 -12 %
A5 R717 446 400 27 400 473 800 -13% 545 700 38 700 584 400 -15 %
C1 R744 291 100 90 500 381 600 -30% 365 200 107 400 472 600 -31 %
C2 R744 374 500 29 700 404 100 -25% 488 200 39 100 527 300 -23 %
H1 HCFC-R22 550 200 469 300 1 019 600 88% 774 800 478 400 1 253 200 82 %
H2 HFC-R507A 468 400 101 300 569 700 5% 583 200 117 100 700 300 2 %
H3 HFC-R410A 554 600 100 400 655 000 21% 656 700 139 000 795 600 16 %
H4 HFC-R507A 485 500 153 000 638 500 18% 616 300 200 700 817 100 19 %
H5 HFC-R134A 518 600 61 800 580 400 7% 650 800 84 900 735 700 7 %
  • Le tableau B compare les consommations d'énergie pour des opérations de 9 mois et 12 mois. La consommation d'énergie pour la réfrigération augmentent pour le cas 12 mois sans toutefois changer les rangs du moins énergivore au plus énergivore (sauf pour les cas H3 et H4), donc l'opération 12 mois ne change pas les conclusions de cette étude.

Annexe 4 :  Rapport synthèse sur les risques associés à l’utilisation de l’ammoniac dans les arénas

Rapport synthèse portant sur les mesures préventives et d’atténuation concernant les risques associés à l’utilisation de l’ammoniac dans les arénas

Jean-Paul Lacoursière, ing., Stéphanie Lacoursière, ing. M. Sc. A.
JP Lacoursière inc.
35, rue Lemoyne, Repentigny, (Québec) Canada J6A 3L4
T : (450)-581-2315; C : (514) 770-2315; F : (450) 581-4539
Courriel : jpla@sympatico.ca

Rapport No. P00459-1-AB-rev0
Ce rapport abrégé résume le rapport complet portant le même titre publié le 31 mars 2013 à titre de prestation pour Ressources naturelles Canada - Groupe Bâtiments - Centre de la technologie de l'énergie de CANMET - 1615, boul. Lionel-Boulet, C.P. 4800, Varennes QC J3X 1S6 sous le contrat 3000506842.

Résumé

L’ammoniac est un frigorigène sécuritaire pour les systèmes de réfrigération des arénas lorsque les installations sont bien conçues et bien exploitées. L’étude montre que lors d’une fuite dans le local technique les émanations en provenance des ventilateurs de locaux techniques de classe T peuvent affecter les riverains de l’aréna. L’utilisation de ventilateur avec sortie dirigée vers le haut, dilution interne et vitesse de sortie de 25 m/s peut pallier cette problématique. Il est cependant recommandé de faire une étude de dangers de type « What-if? » et dans certaines circonstances une simulation du nuage d’ammoniac pour bien cerner les problématiques et concevoir les installations en conséquence. De plus, un programme de gestion de la sécurité opérationnelle qui prend en compte la maintenance et les plans d’urgence doit être mis en place.

Employé depuis plus de 130 ans comme frigorigène, l’ammoniac a été peu à peu supplanté par les chlorofluorocarbones (CFC), mais il reprend de l’importance depuis l’adoption des protocoles de Montréal et de Kyoto, qui visent le bannissement complet des CFC au cours des 10 prochaines années. Ces systèmes sont efficaces et représentent une solution à long terme pour le développement durable du secteur des arénas. Des précautions particulières doivent cependant être prises pour en faire une utilisation sécuritaire.

Les installations de réfrigérations à l’ammoniac pour arénas doivent respecter à minima toutes les clauses du code de réfrigération mécanique B52-05 et les autres lois et règlements pertinents, notamment le Règlement sur la santé et la sécurité du travail au Québec. L’objectif de cette étude est d’identifier les moyens de concevoir et d’exploiter des installations intrinsèquement plus sécuritaires (sécurité inhérente à la conception) que ce que le code B52-05 prévoit, considérant que les arénas sont intégrés à leur milieu et sont fréquentés par des populations vulnérables, dont des enfants.
La figure 1 illustre un système noyé (vaporiseur rempli d’ammoniac) de réfrigération à l’ammoniac avec un échangeur de chaleur coque et tubes servant à refroidir la saumure circulant sous la dalle, un réservoir haute pression, trois compresseurs et un condenseur évaporatif. Le système illustré contient

568 kg d’ammoniac (1 250 lb). L’inventaire élevé d’ammoniac peut conduire lors d’une fuite à un nuage avec distances importantes de concentrations toxiques et affecter les riverains de l’aréna.

L’industrie de la réfrigération s’est attachée à réduire les inventaires d’ammoniac en utilisant des systèmes de réfrigération à charge critique. Un système de réfrigération à charge critique est caractérisé par une charge de frigorigène limitée de sorte qu’il est impossible pour le frigorigène liquide d’être entraîné dans la conduite d’aspiration du compresseur ou des compresseurs, lorsque toute la charge se trouve dans l’évaporateur.
La figure 2 illustre un système à charge critique. Un échangeur à plaques qui est beaucoup plus compact qu’un échangeur à coque et tubes est utilisé pour refroidir la saumure. Il en résulte dans le cas qui est illustré un inventaire d’ammoniac de 114 kg (250 lb) vs 568 kg (1250 lb) pour un système conventionnel. En cas de perte de confinement, la quantité d’ammoniac libérée et les distances d’impact seront moins grandes.

L’ammoniac sous forme liquide ou gazeuse est incolore. Le gaz est toxique, mais a une forte odeur ce qui permet d’en détecter la présence. Bien que le gaz soit normalement plus léger que l’air, les vapeurs en provenance d’une fuite de liquide resteront initialement au sol avant qu’elles se réchauffent. Le contact avec le liquide peut causer des engelures. On considère que le gaz est ininflammable, mais il peut brûler s’il est à l’intérieur d’une certaine plage de concentrations en présence d’une forte source d’ignition. Les dangers d’incendie augmentent en présence d’huile ou d’autres combustibles. L’exposition d’un réservoir d’ammoniac sous pression suite à un incendie peut en causer l’explosion en produisant un BLEVE (explosion du réservoir avec boule de feu, projection de débris, onde de choc et nuage toxique). L’exposition à long terme à de faibles concentrations d’ammoniac ou à court terme à de hautes concentrations d’ammoniac peut avoir des effets sur la santé.

Valeurs de référence de concentration dans l’air

Deux valeurs de référence de concentration d’ammoniac dans l’air peuvent être utilisées pour déterminer les conséquences pour les personnes exposées : Les «Acute Exposure Guideline Levels (AEGLs) de la US-EPA et les Emergency Response Planning Guidelines de l’American Industrial Hygiene Association (AIHA). Les AEGL 2 et ERPG2 sont habituellement utilisés pour identifier les endroits devant faire l’objet de planification d’urgenceNote de bas de page 2.

Accidents répertoriés

Plusieurs fuites accidentelles d’ammoniac sont survenues à des installations de réfrigération, dont celles utilisées dans les arénas. Les libérations d’ammoniac résultèrent de plusieurs causes dont les dérangements de procédés avec ouverture de soupape de sûreté, fuites sur joints mécaniques de pompes, compresseurs, robinetterie, etc.

Éléments pour la conception d’un système à sécurité intrinsèque pour arénas

Les objectifs à poursuivre pour atteindre une sécurité intrinsèque pour les installations de réfrigération à l’ammoniac, consistent à :

  • Identifier et évaluer les dangers (équipements, modes d’opération, etc.) associés à la libération accidentelle d’ammoniac;
  • Concevoir des installations sécuritaires pour prévenir ces libérations;
  • Opérer les installations et former le personnel pour prévenir les libérations d’ammoniac;
  • Atténuer les conséquences des libérations d’ammoniac si celles-ci surviennent.

Pour atteindre ces objectifs, il faut procéder systématiquement en exécutant les trois étapes suivantes :

  • Faire une étude de dangers;
  • Modéliser les scénarios de fuite au besoin afin d’en identifier les conséquences; et,
  • Appliquer des mesures de réduction de risques.

Étude de dangers

Une étude de danger est une évaluation systématique pour identifier les situations dangereuses associées à un procédé ou une activité afin d’en évaluer l’importance. La technique Et-si? / Check-list (What-if? / Check-list) est appropriée pour identifier les dangers afin qu’ils soient corrigés. L’International Institute for Ammonia Refrigeration (IIAR) a développé des check-lists spécifiques pour les études de dangers de l’ammoniac.Note de bas de page 3

La proximité de riverains ou d’édifices en hauteur surplombant le local technique à moins de 300 m pourrait nécessiter le déploiement de mesures de prévention ou d’intervention plus élaborées. La simulation de scénarios de fuites en employant des modèles qui puissent tant prendre en compte les paramètres de fuite, de ventilation de l’édifice et le comportement du nuage d’ammoniac en élévation et en plan fournira l’éclairage à la prise de décision appropriée. Le logiciel PHAST de Det Noske Veritas (DNV) permet ce type de simulation alors que le logiciel ALOHA de l’Environmental Protection Agency (EPA) des États-Unis ne le permet pas. Le tableau 1 décline un certain nombre de mesures qui peuvent être appliquées pour concevoir une installation intrinsèquement plus sécuritaire. Le choix des mesures à mettre en place devra être dicté par l’étude de dangers.

Ancien système de réfrigération de la ville de Montréal

Annexe 4, Figure 1 : Ancien système de réfrigération de la ville de Montréal

 
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Annexe 4, Figure 1 : Ancien système de réfrigération de la ville de Montréal

Le schéma illustre un système noyé (vaporiseur rempli d’ammoniac) de réfrigération à l’ammoniac avec un échangeur de chaleur coque et tubes servant à refroidir la saumure circulant sous la dalle, un réservoir de haute pression, trois compresseurs et un condenseur évaporatif. Le système contient 568 kg d’ammoniac.

Système de réfrigération à l’ammoniac à charge critique de la ville de Montréal

Annexe 4, Figure 2 : Système de réfrigération à l’ammoniac à charge critique de la ville de Montréal

 
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Annexe 4, Figure 2 : Système de réfrigération à l’ammoniac à charge critique de la ville de Montréal

Le schéma illustre un système à charge critique. Un échangeur à plaques qui est beaucoup plus compact qu’un échangeur à coque et tubes est utilisé pour refroidir la saumure. Il en résulte dans le cas qui est illustré un inventaire d’ammoniac de 114 kg versus 568 kg pour un système conventionnel.

(Publié avec l’autorisation de Claude Dumas, Ville de Montréal)
Figure 2 : Système de réfrigération à l’ammoniac à charge critique

Tableau 1 : Mesures pour la conception d’une installation intrinsèquement plus sécuritaire
Performance Consommation énergétique annuelle (kWh)
  • Réduire l’inventaire d’ammoniac
  • Considérer utiliser des systèmes à charge critique d’ammoniac pour la réfrigération des arénas.
  • Évacuer en sécurité l’ammoniac provenant d’une fuite
  • Considérer utiliser un ventilateur mécanique d’urgence à haute vélocité de sortie et dilution interne.
  • S’assurer de la présence et fonctionnalité d’une alarme de non-onctionnalité du ventilateur d’urgence.
  • S’assurer que les palles du ventilateur d’urgence sont fabriquées d’un matériau qui ne produit pas d’étincelles.
  • S’assurer que les moteurs électriques utilisés pour les ventilateurs sont de type complètement fermé (totally enclosed).
  • Capter l’ammoniac provenant d’une fuite
  • Considérer utiliser un épurateur à l’aspiration du ventilateur mécanique pour capter l’ammoniac provenant d’une fuite avant d’évacuer l’air provenant du local technique.
  • Utiliser un caloporteur secondaire
  • Utiliser un antigel comme caloporteur secondaire dont l’éthylène glycol ou le propylène glycol circulant au refroidisseur de fluide pour condenser l’ammoniac dans un échangeur de chaleur situé dans le local technique
  • Assurer une détection fiable de la présence d’ammoniac
  • S’assurer que deux types de détecteurs sont utilisés pour assurer une redondance et maintenir un niveau de sécurité élevé :
  • Détecteurs à cellule électrochimique pour les basses concentrations d’ammoniac (jusqu’à 800 ppm); et,
  • Détecteurs à cellule infrarouge pour les hautes concentrations d’ammoniac (i.e. 10% de la limite inférieure d’explosivité (LIE)
  • Les détections des basses concentrations servent à déclencher divers niveaux d’alerte alors que la détection de hautes concentrations (i.e. > 250 ppm déclencherait la mise à l’arrêt des équipements électriques du local technique à l’exception du ventilateur mécanique d’urgence).
  • Remplacer les équipements à haut risque
  • Considérer remplacer les échangeurs coque et tubes par des échangeurs à plaques.
  • Utiliser des échangeurs à plaques semi-soudées pour le refroidisseur de saumure;
  • Utiliser des échangeurs à plaques complètement soudées pour le condenseur à plaques.
  • Prévenir la migration d’ammoniac vers l’aréna
  • Considérer ne pas fournir d’accès au local technique de classe T par un corridor reliant directement l’aréna à ce local technique pour prévenir la migration d’ammoniac vers l’aréna en cas de fuite. Considérer offrir exclusivement une voie d’accès par l’extérieur sans lien direct avec l’aréna.
  • S’assurer que le système de ventilation de l’aréna ne capte pas l‘ammoniac émis par le système de ventilation d’urgence du local technique ou les équipements sur le toit du local technique, dont le condenseur évaporatif. Ajouter un détecteur d’ammoniac à l’aspiration du système de ventilation de l’aréna.
  • Considérer la position et la direction de l’évacuation d’air du local technique de classe T qui pourraient nuire aux riverains et empêcher l’accès libre de l’immeuble pour les premiers intervenants (pompiers, sécurité civile) ainsi que l’évacuation de l’aréna en cas de fuite d’ammoniac.
  • Prévenir les expositions du personnel lors du drainage d’huile
  • S’assurer que le drainage d’huile est effectué en circuit fermé pour prévenir l’exposition du personnel à l’ammoniac.
  • À noter que le système de retour d’huile peut être automatisé
  • Coupler les détecteurs d’ammoniac avec les dispositifs de mise en arrêt
  • Considérer coupler les électrovannes avec les détecteurs d’ammoniac de sorte que celles-ci ferment automatiquement si de l’ammoniac est détecté.
  • S’assurer que le système de réfrigération n’est pas réarmé automatiquement suite à une détection d’ammoniac.
  • Installer un réservoir de neutralisation à l’eau
  • Considérer installer un réservoir de neutralisation rempli d’eau pour recevoir l’ammoniac provenant des soupapes de décharge (soupapes de surpression).
  • Éliminer les sources communes de fuite d’ammoniac
  • Considérer enlever et/ou remplacer les verres de regard par des détecteurs de niveau à colonnes métallique et flotteur magnétique.
  • Considérer déconnecter physiquement l’équipement qui n’est plus utilisé
  • Informer les travailleurs et les pompiers
  • S’assurer que les conduites, les équipements et la robinetterie sont identifiés aux fins d’opération et d’intervention durant une situation d’urgence.
  • S’assurer que les plans sont à jour et disponibles au service d’incendie.
  • Assurer la gestion de la sécurité opérationnelle
  • Mettre en place un programme holistique de gestion de la sécurité opérationnelle y incluant la formation du personnel d’opération de l’aréna et le plan d’intervention d’urgence.

Un système frigorifique à l’ammoniac situé à l’intérieur d’un bâtiment doit être installé dans un local technique de classe T. L’air du local technique doit être évacué vers l’extérieur pour le contrôle de la température et lors de fuite d’ammoniac sur l’équipement de réfrigération. Le Code B52-05 spécifie les formules mathématiques pour le calcul des flux de ventilation requis pour les salles mécaniques ainsi que d’autres exigences.
Le ventilateur mécanique doit être correctement conçu pour éviter le réentrainement de l’ammoniac vers le sol et même vers l’aréna. La Figure 3 tirée du ASHRAE HANBOOK 1999 illustre les phénomènes associés avec l’utilisation de ventilateur.

Effets de sillage

Annexe 4, Figure 3 : Effets de sillage

 
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Annexe 4, Figure 3 : Effets de sillage

Le schéma illustre les phénomènes associés avec l’utilisation du ventilateur mécanique. Le vent induit des phénomènes de recirculation, une première zone dite zone de recirculation du toit et une seconde dite zone de recirculation due au sillage. Ces zones de recirculation auront tendance à amener l’ammoniac au sol.

 

Figure 3 : Effets de sillage

Le vent induit des phénomènes de recirculation, une première zone dite zone de recirculation du toit et une seconde dite zone de recirculation due au sillage. Ces zones de recirculation auront tendance à amener l’ammoniac au sol.

Il faut donc que le flux d’ammoniac provenant du ventilateur se détache des zones de réentrainement. Ceci peut être accompli en le diluant au préalable et en fournissant suffisamment de vélocité au gaz. Le standard ANSI/IIAR 2-2008 à l’article 13.3.7.1 spécifie « Tous les ventilateurs d’évacuation doivent être dirigés verticalement vers le haut avec une vélocité minimum de 12,7 m/s (2 500 pi/min). » Ce concept n’a malheureusement pas été utilisé dans la majorité des installations de réfrigération que l’auteur a étudiées. Il a été noté que la sortie de cette ventilation était dirigée vers le sol ou carrément au sol ce qui représente un potentiel d’exposition pour les personnes présentes dans le secteur. Les photos qui suivent montrent des installations qui augmentent le potentiel d’exposition en cas de libération d’ammoniac.

La figure 4 montre un ventilateur dont la sortie dirige le gaz vers le toit. La présence d’un mur à proximité crée une zone de recirculation à cause de l’effet de sillage ce qui accentue le rabattement du gaz vers le sol. Les simulations ont montré que les habitants des duplex illustrés en arrière-plan de la photo seraient potentiellement exposés à des concentrations d’ammoniac qui pourraient affecter leur santé.

Sortie de la ventilation d’urgence au sol

Annexe 4, Figure 4 : Sortie de la ventilation d’urgence au sol

 
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Annexe 4, Figure 4 : Sortie de la ventilation d’urgence au sol

Cette photo montre un ventilateur dont la sortie dirige le gaz vers le toit. La présence d’un mur à proximité crée une zone de recirculation à cause de l’effet de sillage, ce qui accentue le rabattement du gaz vers le sol.

Figure 4 : Sortie de la ventilation d’urgence au sol

La figure 5 montre une vue en élévation d’une simulation du nuage d’ammoniac avec un ventilateur d’urgence dirigé vers le sol.

Nuage d’ammoniac avec un ventilateur d’urgence dirigé vers le sol

Annexe 4, Figure 5 : Nuage d’ammoniac avec un ventilateur d’urgence dirigé vers le sol

 
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Annexe 4, Figure 5 : Nuage d’ammoniac avec un ventilateur d’urgence dirigé vers le sol

La figure illustre une vue en élévation d’une simulation du nuage d’ammoniac avec un ventilateur d’urgence dirigé vers le sol.

 

____ 750 ppm ____ 150 ppm (Logiciel de simulation PHAST v. 6.7) Simulation JP Lacoursière inc.
Figure 5 : Nuage d'ammoniac, ventilateur d'urgence dirigé vers le sol
Dans le cas particulier qui est illustré le nuage d’ammoniac touche des riverains situés à proximité de l’’aréna. La charge d’ammoniac de ce système de réfrigération est de 114 kg (250 lbs).
La figure 6 présente le même scénario que celui illustré à la 4 sauf que le gaz est dirigé verticalement vers le haut par un ventilateur haute vélocité et dilution interne avec vitesse d’évacuation de 26 m/s.

Nuage d’ammoniac avec un ventilateur haute vélocité de sortie et dilution interne et une vitesse de 26 m/s

Annexe 4, Figure 6 : Nuage d’ammoniac avec un ventilateur haute vélocité de sortie et dilution interne et une vitesse de 26 m/s

 
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Annexe 4, Figure 6 : Nuage d’ammoniac avec un ventilateur haute vélocité de sortie et dilution interne et une vitesse de 26 m/s

La figure illustre une vue en élévation d’une simulation du nuage d’ammoniac avec un ventilateur dirigé vers le haut à haute vélocité et dilution interne avec une vitesse d’évacuation de 26 m/s.

 

____ 750 ppm ____ 150 ppm (Logiciel de simulation PHAST v. 6.7) Simulation JP Lacoursière inc.
Figure 6 : Nuage d’ammoniac, ventilateur haute vélocité de sortie et dilution interne, vitesse 26 m/s
Il faut cependant prendre d’autres dispositions s’il y a des édifices en hauteur surplombant le local technique à proximité, dont l’utilisation d’un épurateur (laveur d’air). Il existe sur le marché plusieurs ventilateurs mécaniques avec sortie dirigée verticalement vers le haut.

Ventilateurs mécaniques verticaux avec sortie dirigée vers le haut

Annexe 4, Figure 7 : Ventilateurs mécaniques verticaux avec sortie dirigée vers le haut

 
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Annexe 4, Figure 7 : Ventilateurs mécaniques verticaux avec sortie dirigée vers le haut

La figure illustre le ventilateur Strobic Tri-Stack, qui favorise la dilution de l’ammoniac par aspiration d’air dans le ventilateur et une haute vélocité d’évacuation.

 

Figure 7 : Ventilateurs mécaniques verticaux avec sortie dirigée vers le haut
Certains ventilateurs comme le Strobic Tri-Stack®Note de bas de page 4 ou le Cook Modèle QMXVP/QMXHPVPNote de bas de page 5 favorisent la dilution de l’ammoniac par aspiration d’air dans le ventilateur et une haute vélocité d’évacuation, ce qui atteins l’objectif du standard ANSI/IIAR 2-2008 et devrait réduire l’impact au sol.
Nous sommes d’avis que ce type de ventilateur devrait être la norme pour les arénas québécois réfrigérés à l’ammoniac. Leur coût incrémental est parfaitement justifiable et permettra plus de flexibilité pour l’utilisation du sol à proximité de l’aréna.
Gestion de la sécurité opérationnelle
La sécurité des installations de réfrigération à l’ammoniac nécessite un programme holistique de gestion. Les éléments de ce programme présentés dans les paragraphes qui suivent sont basés sur les pratiques recommandées par IIAR. Ce programme atteint les objectifs du programme FRIGO de la CSST. Une synthèse de ce programme suit.

  1. Imputabilité. Nommer une personne responsable des programmes de prévention et des plans d’urgence des installations de réfrigération à l’ammoniac;
  2. Connaître le procédé : garder à jour les plans et procédures;
  3. Dangers du procédé : garder à jour la liste des dangers du procédé;
  4. Revues de prédémarrage : Faire des revues de prédémarrage avant la mise en marche après des arrêts prolongés, des réparations ou des modifications aux installations;
  5. Gestions des changements : Établir une procédure de gestion des changements aux installations ou aux procédures, s’assurer que les pièces conformes sont utilisées pour la maintenance;
  6. Gestion des entrepreneurs : Établir une procédure de gestion des entrepreneurs œuvrant dans ces installations;
  7. Intégrité mécanique : Établir un programme pour conserver l’intégrité mécanique des équipements : maintenance préventive;
  8. Procédures : Élaborer les procédures critiques d’opération et de maintenance;
  9. Formation : Prodiguer la formation sur l’opération des équipements, la maintenance, le plan d’urgence;
  10. Plan d’urgence : Élaborer un plan d’urgence qui couvre les riverains, le personnel d’opération et les clients de l’aréna. Ce plan couvre la communication à fournir aux riverains, l’alerte, l’évacuation, le confinement, l’intervention;
  11. Vérifications : Faire des vérifications de conformité de ce programme selon une fréquence préétablie.

Plan d’urgence

  1. Mettre en place un plan d’urgence qui traite tant de la sécurité du personnel, des usagers de l’aréna et des riverains.
  2. En cas de fuite majeure, l’atmosphère à l’intérieur du local technique pourrait devenir explosive. La présence d’huile en aérosol pourrait réduire la limite inférieure d’explosivité sous la limite inférieure d’explosivité de l’ammoniac. Interrompre toute alimentation électrique à l’intérieur du local technique à l’exception du système de ventilation vers l’extérieur, car l’alimentation électrique peut causer un allumage des gaz explosifs. Ventiler le local avant d’y pénétrer. Il vaut mieux libérer à l’atmosphère l’ammoniac présent dans le local que d’y conserver une atmosphère explosive.
  3. Prévoir installer des interrupteurs de ventilateurs indépendants facilement accessibles à l’intérieur et à l’extérieur du local technique. L’objectif ici est de pouvoir garder les ventilateurs en opération lorsque l’alimentation électrique est interrompue aux autres équipements.
  4. Ne pas utiliser le local technique pour l’entreposage de matériel, dont les matières combustibles et les produits chimiques.
  5. Contrôler l’accès au local technique.
  6. Établir une procédure d’intervention en cas de fuite d’ammoniac dans le local technique.
  7. S’assurer que les sorties d’urgence sont identifiées.
  8. S’assurer qu’une plaque signalétique montrant les informations requises par la norme est en place;
  9. Afficher des schémas montrant les routes d’évacuations.
  10. Contenir l’eau contaminée à l’ammoniac en cas de fuite, d’arrosage de la fuite à l’eau pour en disposer dans un poste d’eau usée.
  11. Afficher une interdiction de fumer, d’utiliser une flamme nue et de souder près des sorties du local.

Les recommandations qui ont été formulées précédemment sont destinées à assurer la sécurité des travailleurs, des usagers d’arénas et du public. Bien qu’elles ne soient pas complexes d’application, il y aurait lieu de développer et diffuser un cours dont l’objectif serait de revoir les technologies pour assurer la sécurité des travailleurs, des usagers d’arénas et du public, qui soit destinée aux concepteurs des systèmes de réfrigération pour arénas et des gestionnaires de ces arénas. Cette formation devrait être sanctionnée par l’Ordre des ingénieurs du Québec. Ce programme pourrait être élaboré et diffus par une institution universitaire.

L’organigramme illustre le processus à suivre pour le choix des mesures d’atténuation et de la modélisation de scénarios d’accidents qui pourraient être nécessaires.

Annexe 4, Figure 8 : L’organigramme illustre le processus à suivre pour le choix des mesures d’atténuation et de la modélisation de scénarios d’accidents qui pourraient être nécessaires.

 
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Appendix 4, Figure 8: The flowchart illustrates the process to follow for the selection of mitigation measures and modelling of accident scenarios that may be required.

Ce diagramme illustre l’étude de dangers qui doit être complétée. Il d’agit d’une évaluation systématique pour identifier les situations dangereuses associées à un procédé ou une activité afin d’en évaluer l’importance.

 

Annexe 5 :   Étude technique de réfrigération des arénas au CO2

Étude technique de réfrigération des arénas au CO2 dans le cadre du projet d’étude technico-commerciale de réfrigération au CO2 dans les arénas
Jean-Paul Lacoursière, ing., Stéphanie Lacoursière, ing. M. Sc. A.
JP Lacoursière inc.
35, rue Lemoyne, Repentigny, (Québec) Canada J6A 3L4
T : (450)-581-2315; C : (514) 770-2315; F : (450) 581-4539
Courriel : jpla@sympatico.ca

Rapport No. P00449-1-AB-rev0
Ce rapport abrégé résume le rapport complet portant le même titre publié le 17 mai 2013 à titre de prestation pour Ressources naturelles Canada - Groupe Bâtiments - Centre de la technologie de l'énergie de CANMET - 1615, boul. Lionel-Boulet, C.P. 4800, Varennes QC J3X 1S6 sous le contrat 3000505435.

Résumé

Les systèmes de réfrigération au CO2 (R744) reprennent leur place parce qu’ils ont un impact neutre sur l’ajout de gaz à effets de serre et que de nouveaux concepts d’ingénierie ont rendu leur opération plus efficace au point de vue énergétique. Une extension naturelle de ces applications est la réfrigération des arénas. Le CO2 n’est ni plus ni moins sécuritaire que les autres frigorigènes, mais il a des avantages et des inconvénients. Comme pour tous les autres frigorigènes, la clef pour un système sécuritaire est de concevoir, installer et opérer le système en ayant identifié, évalué et disposé de tous les dangers en utilisant un personnel bien formé pour concevoir et opérer le système de réfrigération. Le danger principal avec le CO2 est la possibilité de générer des concentrations létales à l’intérieur d’espaces confinés.

Des simulations ont été faites de fuite de CO2 dans l’enceinte d’un aréna suite au bris de tubes alimentant le frigorigène pour réfrigérer la dalle supportant la patinoire ainsi que des conduites alimentant les aérothermes servant au chauffage de l’enceinte. Le gaz est très lourd près du point d’émission, 2,3 relativement à l’air pour atteindre 1,5 après s’être réchauffé. Le gaz a tendance à se stratifier dans les zones inférieures avant de se disperser. La solution à sécurité intrinsèque consiste à confiner le CO2 dans le local technique et à utiliser des fluides caloporteurs pour la réfrigération de la dalle de la patinoire et pour le chauffage de l’enceinte et des chambres de joueurs. Il est recommandé de faire une étude de risques lors de la conception d’un système de réfrigération au CO2 pour bien cibler les enjeux et mettre en place un programme de sécurité opérationnelle pour gérer l’exploitation des installations.

Les systèmes de réfrigération au CO2 (R744) reprennent leur place parce qu’ils ont un impact neutre sur l’ajout de gaz à effets de serre et que de nouveaux concepts d’ingénierie ont rendu leur opération plus efficace au point de vue énergétique. Une extension naturelle de ces applications est la réfrigération des arénas. Certains considèrent que le CO2 représente une solution à long terme pour la réfrigération des arénas dans un concept de développement durable de ce secteur.

Les propriétés uniques du CO2 amènent des différences avec l’ammoniac [NH3 (R717)] pour la sélection des matériaux de construction, des composantes du système, de sa conception, sa mise en service et son exploitation, la sécurité de ces installations pour les travailleurs, les usagers et le public à l’extérieur de l’aréna (riverains).

Le mandat pour cette étude requiert de développer des recommandations sur les systèmes de réfrigération des arénas au dioxyde de carbone (CO2) avec objectif principal de commenter sur la sécurité de ces installations pour les travailleurs, les riverains.

Le CO2 et ses caractéristiques

Le CO2 est non-inflammable et non toxique en comparaison avec les autres frigorigènes naturels – les hydrocarbures (inflammables) et le NH3 (inflammable et toxique). Il est peu dispendieux, très disponible partout dans le monde et ne fait pas l’objet de restriction pour sa libération à l’atmosphère. Le défi le plus important est de concevoir un système rentable et fiable qui prend en compte les caractéristiques uniques du CO2, dont en particulier une pression cinq fois celle d’un système typique au NH3 et une température critique basse forçant à refroidir un fluide super critique au lieu de condenser un mélange à deux phases.

Bien que le point triple et les points critiques n’aient normalement pas d’influence pour le choix des frigorigènes communs, ceci n’est pas le cas avec le CO2. À pression atmosphérique, le CO2 ne peut exister que sous forme solide ou gazeuse et il ne peut former de liquide; sous -78,4oC c’est un solide « glace sèche »; à température plus élevée, il se sublime directement en gaz. À 5,2 bar (75,1 psi) et -56,6oC, le CO2 atteint un point triple. À ce point les trois phases, i.e. solide, liquide et vapeur existent simultanément en équilibre. Le CO2 atteint son point critique à 31,1oC. À cette température la densité du liquide et celle de la vapeur sont égales. En conséquence, aux températures au-dessus du point critique, la distinction entre les deux phases disparaît, et une nouvelle phase, la phase supercritique existe.

Les pressions des systèmes de réfrigération au CO2 sont beaucoup plus élevées que celles habituellement rencontrées, dont l’industrie de la réfrigération. Elles sont quand même à l’intérieur des possibilités des systèmes de réfrigération mécaniques utilisés dans d’autres industries. Le CO2 est considérablement plus dense que le NH3. Cette caractéristique particulière offre plusieurs bénéfices potentiels, dont des équipements (compresseurs et tuyauterie) de dimensions beaucoup plus petites que celles des systèmes de capacité similaire utilisant le NH3.

De plus, s’il y a un besoin de libérer le CO2 en cas de surpression, des dispositions spéciales doivent être prises pour empêcher le CO2 solide de bloquer les sorties des dispositifs de libération du gaz et de supporter adéquatement les tuyauteries à la sortie de ces dispositifs.

Limite d’exposition de la population au CO2 lors de situations d’urgence

À hautes concentrations, le CO2 peut affecter la fonction respiratoire avec asphyxie et même la mort. Il a des avantages et inconvénients. Le CO2 a une valeur moyenne d’exposition pondérée (VEMP) de 5 000 ppm alors que le NH3 a une VEMP de 25 ppm. Cette concentration représente le niveau le plus élevé auquel un travailleur peut être exposé en sécurité pendant huit heures. Bien que le CO2 semble plus sécuritaire que l’ammoniac, il peut aussi être létal. L’avantage de l’ammoniac est son odeur désagréable qui alertera les personnes exposées à la présence de ce gaz. Le CO2 est inodore et incolore de sorte que les concentrations peuvent être élevées sans que personne n’en soit conscient à moins d’avoir un système de détection.

Effets sur les humains

Le CO2 est classé comme réfrigérant A1 (la classification de toxicité et d’inflammabilité la plus basse selon le Standard 34 de ASHRAE). Il a une VEMP 5 fois plus élevée qu’un hydrochlorofluorocarbure. Ceci ne veut pas dire qu’il est cinq fois plus sécuritaire. Le CO2 est généralement considéré comme non toxique mais il ne supportera pas la vie et est très dangereux à des concentrations plus grandes que 10%. Le seuil de danger immédiat pour la vie et la santé (DIVS) du CO2 est de 40 000 ppm alors que celui de l’ammoniac est de 300 ppm. L’exposition à des concentrations de CO2 en excès de 30 000 ppm provoque un inconfort qui s’accentue avec le temps, qui comporte des difficultés respiratoires, une augmentation du pouls, des maux de tête, des étourdissements, des sueurs et une désorientation qui pourrait empêcher la personne exposée d’évacuer le site pour se protéger. Le Tableau 1 présente les seuils d’exposition au CO2 pour les travailleurs et la population qui sont préconisés par la Santé Publique.

Tableau 1 : Valeur pour CO2
Frigorigène Nom Travailleurs
Règlementation (ppm)
Population
Valeurs seuils (ppm)
Propriétés importantes
R744 Dioxyde de carbone (CO2) 5 000 40 000 5 000 30 000 (TEEL-1) 30 000 (TEEL-2) Asphyxiant simple
acronyms
Acronyms
 
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Acronyms

« VEMP » correspond à la valeur d’exposition moyenne pondérée (8 heures) du Règlement sur la santé et la sécurité du travail. « DIVS » signifie un danger immédiat pour la vie ou la santé. « Pas d’effets » indique la teneur de produit dans l’air ambiant à laquelle un individu peut être exposé jusqu’à une heure sans constat d’effet nuisible. Les « effets transitoires » correspondent à des concentrations plus grandes que AEGL-1, ERPG-1 ou TEEL-1. Les « effets irréversibles » correspondent à des concentrations plus grandes que AEGL-2, ERPG-2 ou TEEL-2. « TLV » signifie « Threshold Limit Values ». « P » correspond à la valeur plafond du RSST à ne pas dépasser pour quelque durée que ce soit. « RSST » signifie « Règlement sur la santé et la sécurité du travail ». « CFC » signifie « Chloro-fluoro-carbone ». « HCFC » signifie « Hydrogéno-cloro-fluoro-carbone ». « HFC » signifie « Hydrogéno-fluoro-carbones ». « ppm » est l'acronyme de « parties par million ». « LIE » signifie « Limite inférieure d'explosibilité ». Finalement, « n.d. » signifie « non disponible ».

 

Dangers potentiels des installations réfrigérées au CO2

Le CO2 n’est ni plus ni moins sécuritaire que les autres frigorigènes, mais il comporte des avantages et des inconvénients. Comme pour tous les autres frigorigènes, la clef pour un système sécuritaire est de concevoir, installer et opérer le système en ayant identifié, évalué et disposé de tous les dangers en utilisant un personnel bien formé pour concevoir et opérer le système de réfrigération. Le danger principal avec le CO2 est la possibilité de générer des concentrations létales à l’intérieur d’espaces confinés. Les espaces où du CO2 est utilisé ou serait potentiellement présent doivent avoir des senseurs avec alarmes pour déterminer les niveaux de CO2 et de O2 de sorte que les personnes présentes puissent être alertées et l’espace ventilée adéquatement. Les systèmes de détection du CO2 doivent être utilisés en combinaison avec une ventilation adéquate pour protéger les travailleurs et les usagers de l’aréna.

Le CO2 étant plus lourd que l’air, le meilleur endroit pour les senseurs de CO2 est approximativement à 1,3 m du plancher ce qui est juste sous le niveau où la plupart des personnes respirent. Lorsque les senseurs détectent un niveau dangereux de CO2 dans une pièce, une alarme doit être déclenchée et la chambre évacuée. De plus, des précautions spéciales doivent être prises pour éviter les fosses ou les endroits confinés qui pourraient y permettre une accumulation de ce gaz sans que personne ne s’en rende compte. Les deux exemples suivants décrivent des conditions propices à l’accumulation de concentrations létales de CO2 : une soupape de surpression dont la sortie est confinée par d’autres structures et une pompe de CO2 située dans un point bas du local technique.

Principes fondamentaux de sécurité pour la conception des systèmes de réfrigération

Les mêmes principes de sécurité qui s’appliquent aux systèmes de réfrigération qui utilisent d’autres frigorigènes s’appliquent au CO2:

  1. Éviter les chocs hydrauliques;
  2. Empêcher les liquides d’atteindre le compresseur;
  3. Inclure des soupapes de sûreté (soupapes de surpression) pour libérer les pressions trop élevées;
  4. Prévenir les vibrations excessives;
  5. Supporter les équipements et tuyauteries indépendamment.
  6. Prendre en compte les températures très basses et les pressions très élevées dans le choix des matériaux de construction.

Propriétés uniques du CO2 qui influencent la sécurité

  1. Le CO2 a des propriétés physiques uniques qui requièrent des précautions spécifiques.
  2. Le CO2 est naturellement plus lourd que l’air (poids moléculaire 44 vs 29 pour l’air vs 17 pour l’ammoniac).
  3. Le CO2 est inodore même à concentrations létales.
  4. Le CO2 présente des effets uniques sur le système respiratoire. Le CO2 liquide a un coefficient d’expansion très élevé. Il faut s’assurer que le CO2 n’est pas piégé dans la tuyauterie entre des vannes fermées. Une augmentation de la température du liquide piégé causera une augmentation de la pression qui pourrait excéder facilement la résistance de la tuyauterie. Cette précaution s’applique aussi à la vapeur de CO2 bien qu’à un niveau moindre. La vapeur piégée n’est pas prise en compte dans l’évaluation de la sécurité des autres frigorigènes alors que pour le CO2, il faut en prendre compte.
  5. Le soudage ou le chauffage ne doivent pas être permis sur toute tuyauterie d’un système de réfrigération qui contient du CO2.
  6. Le CO2 forme un solide lorsque le gaz ou le liquide à haute pression est libéré à l’atmosphère, solide qui peut obstruer les tuyauteries et empêcher les dépressurisations.
  7. Comme les systèmes au CO2 sont toujours en pression positive, ces systèmes sont moins susceptibles d’accumuler de l’eau. Cependant, l’eau est plus soluble dans la phase de CO2 liquide que dans la vapeur. Il en résulte qu’il peut y avoir formation de glace et colmatage à la vanne de détente.
  8. Les pressions élevées des systèmes de réfrigération au CO2 les distinguent des autres systèmes de réfrigération, par exemple des pressions de 75 à 110 bars peuvent être rencontrées.
  9. Les soupapes de sûreté (surpression) protégeant les équipements doivent être installées près du bout de la conduite et ne doivent pas être raccordées ensemble à une cheminée d’évent comme c’est fait pour le NH3. La perte de pression rapide qui se fait à travers la soupape de sûreté peut conduire à la production de CO2 solide, qui pourrait obstruer ou causer une perte de charge inacceptable dans la tuyauterie en aval de la soupape. La vitesse de sortie combinée à la masse de CO2 éjectée peut exercer une force de réaction importante sur la conduite qui doit être bien ancrée en place.
  10. Une bonne ventilation doit être fournie pour les locaux où le CO2 est utilisé. Éviter d’utiliser le CO2 lorsque ce gaz peut s’accumuler dans des points bas où des espaces confinés. Quitter les lieux immédiatement en cas de libération importante de CO2. Avant de retourner sur les lieux s’assurer que les concentrations de CO2 sont suffisamment basses. Les concentrations de CO2 peuvent être mesurées avec des senseurs fixes ou des équipements portatifs.
  11. Les personnes qui auraient succombé suite à une exposition au CO2 doivent être amenées à l’air libre rapidement. La respiration artificielle doit être administrée sur les personnes qui auraient cessé de respirer comme pour les personnes victimes d’une noyade.
Tableau 2 : Synthèse des dangers associés au CO2
Particularités du CO2 Conséquence
Fuite de CO2 dans un espace confiné dû à des malfaçons, une détérioration des équipements par le vieillissement, des chocs mécaniques, un séisme, des vibrations suite au mauvais alignement de pompes, compresseurs, etc.
  • Accumulation de CO2 à une concentration supérieure à la concentration létale
  • CO2 non détectable par l’odeur
  • CO2 plus lourd que l’air ou l’ammoniac à température ambiante (Poids moléculaires CO2 44, Air 29 et Ammoniac 17)
  • Faux sentiment de sécurité, car le CO2 est non détectable par l’odeur
  • Nécessité d’amener rapidement à l’air libre, les personnes qui auraient succombé à une exposition au CO2 et de pratiquer la respiration artificielle si requise
Pressions élevées, parfois plus de
100 bars (1 450 psig) avec potentiel de rupture catastrophique
  • Les équipements doivent être conçus pour résister à des pressions élevées
Basses températures parfois moins de -70oC
  • Les équipements doivent être conçus pour résister à des basses températures
  • Dangers d’engelures graves si exposition aux vapeurs de CO2 ou à la glace sèche
Forte expansion du CO2 en phase vapeur et liquide lorsque confiné entre des vannes fermées
  • Augmentation de la pression dans la tuyauterie et les appareils jusqu’à la rupture explosive de ces équipements
Formation de CO2 solide à la sortie des soupapes de surpression
  • Blocage dans les conduites en aval des soupapes de surpression empêchant la libération de la pression
Défis pour drainer le CO2 hors des équipements aux fins de maintenance
  • Blocage dans les conduites en aval des soupapes de surpression empêchant la libération de la pression

Accidentologie

Plusieurs ruptures de tubulures de système de réfrigération au CO2 pour supermarchés avec évacuation des occupants des lieux ont été rapportées au Royaume-Uni sans conséquences autres que l’évacuation des lieux par les occupants. Aux États-Unis, la rupture explosive d’une conduite où du CO2 s’était solidifié qu’un technicien de maintenance tentait de faire fondre en chauffant la conduite avec une torche, cause une perte de vie.

Configuration typique des arénas réfrigérés au CO2

On peut distinguer deux grandes approches pour la conception des systèmes de réfrigération utilisant le CO2 comme frigorigène :

  1. CO2 présent dans l’enceinte de l’aréna.
  2. CO2 confiné dans le local technique.

CO2 présent dans l’enceinte de l’aréna – réfrigération de la patinoire

La figure 1 représente un schéma de principe avec circulation de CO2 liquide dans la dalle de la patinoire. L’installation comporte deux circuits de CO2. Du CO2 liquide est pompé dans des tubes qui sont enfouis dans la dalle de la patinoire. Le débit de CO2 liquide est suffisant pour permettre un retour de liquide et vapeur vers le réservoir séparateur de vapeur/liquide (Low Pressure Liquid Receiver). La pression dans le réservoir séparateur est d’environ 24,1 barg (350 psig). Des compresseurs prennent aspiration sur le réservoir séparateur de vapeur/liquide pour porter la pression à 103,4 barg (1 500 psig) et à une température d’environ 104 oC. Une série d’échangeurs de chaleur permet de réchauffer une solution de glycol pour réchauffer le sol sous la dalle de la patinoire et chauffer l’enceinte et produire de l’eau chaude. Finalement, le gaz est refroidi dans un refroidisseur de gaz situé à l’extérieur (outdoor gas cooler).

Le gaz retourne au réservoir séparateur de gaz liquide en transitant par une vanne de détente ce qui conduit à la liquéfaction du gaz. Le réservoir séparateur gaz/liquide, la pompe de circulation de CO2 liquide dans la dalle, les compresseurs et les échangeurs de chaleur pour réchauffer la solution de glycol et produire de l’eau chaude sont à l’intérieur du local technique. Le refroidisseur de gaz est à l’extérieur du local technique. Les collecteurs d’alimentation et de retour de CO2 ainsi que les tubes enfouis dans la dalle de la patinoire sont à l’intérieur de l’enceinte de l’aréna. La dalle de béton réfrigérée supportant la glace agit comme l’évaporateur du frigorigène. L’échangeur de chaleur qui est enfoui dans la dalle réfrigérée est composé d’un réseau de tubes de cuivre 1/2" ID (fabrication spéciale, qui résiste à une plus forte pression que les tubes standard) et dont l’extérieur est recouvert d’une mince couche de polyéthylène haute densité pour les protéger de la corrosion causée par le contact avec le béton. Les tubes sont disposés selon l’axe de largeur de la patinoire.

Schéma de principe d’un système de réfrigération d’aréna avec CO<sub>2</sub> sous la dalle de la patinoire

Annexe 5, Figure 1 : Schéma de principe d’un système de réfrigération d’aréna avec CO2 sous la dalle de la patinoire

 
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Annexe 5, Figure 1 : Schéma de principe d’un système de réfrigération d’aréna avec CO2 sous la dalle de la patinoire

L’installation comporte deux circuits de CO2. Du CO2 liquide est pompé dans des tubes qui sont enfouis dans la dalle de la patinoire. Le débit de CO2 liquide est suffisant pour permettre un retour de liquide et vapeur vers le réservoir séparateur de vapeur/liquide. La pression dans le réservoir séparateur est d’environ 24,1 barg (350 psig). Des compresseurs prennent aspiration sur le réservoir séparateur de vapeur/liquide pour porter la pression à 103,4 barg (1 500 psig) et à une température d’environ 104 °C. Une série d’échangeurs de chaleur permet de réchauffer une solution de glycol pour réchauffer le sol sous la dalle de la patinoire et chauffer l’enceinte et produire de l’eau chaude. Finalement, le gaz est refroidi dans un refroidisseur de gaz situé à l’extérieur.

 

Figure 1 : Shéma de principe d’un système de réfrigération d’aréna avec CO2 sous la dalle de la patinoire

L’espacement des tubes de 1/2 " est de 4 po c/c et configuré en circuits de 2 passes sur 85’. Ces tubes sont enfouis dans la dalle dont l’épaisseur est de 3". La couverture de béton par-dessus les tubes est d’environ 1". (figure 2)

Alimentation de CO2 dans des tubes sous la dalle supportant la glace

Annexe 5, Figure 2 : Alimentation de CO2 dans des tubes sous la dalle supportant la glace

 
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Annexe 5, Figure 2 : Alimentation de CO2 dans des tubes sous la dalle supportant la glace

L’échangeur de chaleur qui est enfoui dans la dalle réfrigérée est composé d’un réseau de tubes de cuivre et dont l’extérieur est recouvert d’une mince couche de polyéthylène haute densité pour les protéger de la corrosion causée par le contact avec le béton. Les tubes sont disposés selon l’axe de largeur de la patinoire.

 

Figure 2 : Alimentation de CO2 dans des tubes sous la dalle supportant la glace
Le caniveau qui contient le collecteur de CO2 est disposé le long de l’axe de la longueur de la glace. Ce caniveau est situé sous le banc des joueurs. Quatre senseurs de CO2 et un ventilateur qui est sensé aspiré le CO2 gazeux provenant d’une fuite pour le rejeter à l’extérieur de l’édifice équipent le caniveau. La tubulure de 1/2" possède plusieurs joints dans le béton pour les « U bend » et les bagues d’assemblage. Ces joints sont assemblés par brasures  (figure 3).

Caniveau pour les collecteurs de CO2

Annexe 5, Figure 3 : Caniveau pour les collecteurs de CO2

 
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Annexe 5, Figure 3 : Caniveau pour les collecteurs de CO2

Le caniveau qui contient le collecteur de CO2 est disposé le long de l’axe de la longueur de la glace. La tubulure de ½ pouce possède plusieurs joints dans le béton pour les coudes en U et les bagues d’assemblage. Ces joints sont assemblés par brasures.

 

Figure 3 : Caniveau pour collecteurs de CO2

Le frigorigène CO2 liquide circule dans l’échangeur de chaleur qui est enfoui dans la dalle réfrigérée et s’y vaporise à température et pression constante, du point d’entrée jusqu’au point de sortie de la dalle. Le collecteur de frigorigène est de type retour renversé en cuivre 2¼". La pression au refoulement de la pompe est de 380 psig et de 350 psig à son aspiration, soit une perte de 30 psig dans le réseau de tuyauterie de la dalle aux conditions de charges maximales.

Mesures de sécurité

Pendant la saison estivale lorsque la patinoire n’est pas en fonction, le vaporisateur dans la dalle est vidé de son frigorigène CO2 (liquide) pour que la pression dans l’échangeur de chaleur n’excède pas la pression de design qui est de 580 psig, lorsque la dalle se réchauffe. En cas de panne de courant, aussi longtemps que la glace recouvre la dalle réfrigérée, la pression se maintiendra à 290 psig. Si la pression dans l’échangeur de chaleur devait excéder la pression de design, la soupape de surpression va ouvrir et relâcher la charge de frigorigène CO2 dans l’environnement. En saison estivale la pression du frigorigène dans le système frigorifique doit être maintenue en deçà de la pression de design des composantes du système frigorifique pour éviter de devoir relâcher la charge de frigorigène dans l’atmosphère. Un petit refroidisseur de réfrigérant de 4 HP, refroidi à l’air du local technique, embarqué sur le monobloc est utilisé pour maintenir la température et la pression dans le réservoir de frigorigène.

Le système frigorifique à recirculation de réfrigérant

Le système frigorifique utilise un seul circuit de réfrigération, 7 compresseurs de 20 HP chacun, qui fonctionnent en cycle transcritique et qui collectivement peuvent développer 70Tr à une pression de refoulement de 1200 psig et 350 psig d’aspiration. Les compresseurs sont de types accessibles semi-hermétiques, ce qui signifie que le moteur du compresseur beigne dans le réfrigérant R-744 qui le refroidit. Le réservoir de réfrigérant est conçu pour une pression de 40 barg (588 psig), l’épaisseur des murs du vaisseau est 7/8" et la soupape de sûreté ouvre à 550 psig. Le réservoir de frigorigène est dimensionné pour contenir la charge de frigorigène dans le système frigorifique. [1306 kg de R-744].

Dangers potentiels

Une fuite de CO2 liquide sur les collecteurs situés dans le caniveau qui les abrite, les tubes enfouis sous la dalle ou à leur point de branchement avec les collecteurs d’alimentation ou de retour, représente un danger potentiel pour les personnes présentes dans l’enceinte de l’aréna.

CO2 présent dans l’enceinte de l’aréna – chauffage enceinte

Un système de réfrigération proposé comporte le refroidissement de la saumure dans un échangeur de chaleur au CO2 situé dans le local technique et le chauffage de l’enceinte par le CO2 chaud provenant du refoulement des compresseurs. Seule la saumure froide (similaire aux systèmes conventionnels à l’ammoniac) circule sous la dalle de la patinoire. Les compresseurs, réservoirs de CO2, séparateur gaz/liquide, échangeur à plaques CO2/saumure, échangeurs CO2 chaud/eau chaude sont situés dans le local technique. Les aérothermes chauffés par le CO2 chaud à haute pression sont dans l’enceinte de l’aréna (zone occupée) et le refroidisseur à gaz est à l’extérieur. Le CO2 gazeux haute pression est à environ 82,7 barg (1200 psig).

Dangers potentiels

Une fuite sur les tubes de CO2 chaud alimentant les aérothermes situés dans l’enceinte représente un danger potentiel pour les personnes qui y sont présentes.

CO2 confiné dans le local technique

Cette conception du système de réfrigération au CO2 pour aréna, implique que tous les équipements contenant du CO2 à l’exception du refroidisseur de CO2 chaud et de sa tuyauterie sont à l’intérieur du local technique. Ce système comporte un échangeur à plaques pour refroidir la saumure qui circule sous la glace et des échangeurs pour réchauffer la solution de glycol servant au chauffage de l’enceinte et pour l’eau chaude. Ce système de réfrigération au CO2 ne comporte aucun équipement contenant du CO2 dans la zone occupée. Tous les équipements contenant le CO2 à l’exception du refroidisseur à gaz sont situés dans le local technique de sorte à prévenir l’exposition des personnes qui sont dans l’enceinte de l’aréna.

Dangers potentiels

Les dangers potentiels pour les personnes présentes dans l’enceinte seront très faibles s’il y a une séparation hermétique entre le local technique et l’enceinte de l’aréna.

Simulation de fuite de CO2 à l’intérieur de l’enceinte de l’aréna

L’objectif des simulations est de déterminer le comportement du CO2 suite à une fuite. Trois scénarios de fuite de CO2 ont été étudiés :

  1. Fuite de CO2 liquide sur un tube circulant sous la dalle de la patinoire au niveau du caniveau abritant les collecteurs de CO2
  2. Fuite de CO2 gazeux sur un tube alimentant un aérotherme situé près du plafond de l’enceinte
  3. Ouverture de soupape de surpression

En ce qui a trait aux scénarios 1 et 2, nous avons posé l’hypothèse d’un bris complet d’un tube afin d’identifier les pires conséquences d’un tel événement. Nous avons aussi posé l’hypothèse aux fins de simplification que le système se drainerait au complet de son contenu de CO2. Nous sommes conscients qu’une certaine quantité de CO2 resterait prisonnière des équipements. Cette simplification ne modifie pas les conclusions générales découlant des simulations.

Modèle pour les simulations de fuites de CO2

La simulation de fuites accidentelles de CO2 représente un défi à cause de son comportement thermodynamique, dont son diagramme de phase. À pression atmosphérique, le CO2 est un solide qui se sublime en gaz. Ces comportements doivent être pris en compte dans la simulation. Les simulations ont été faites avec le logiciel PHAST (Process Hazard System Tools) de Det Norske Veritas (DNV) v. 6.7.

Fuite de CO2 liquide sur un tube de la dalle sous la patinoire

Le scénario implique la rupture d’un tube de 1/2" au point de raccordement avec un collecteur situé dans le caniveau qui longe la bande de la patinoire.

Tableau 3 : Annexe 5
Diamètre du tube : ½ po Pression : 400 psig Température : -7,3oC
Inventaire de CO2 3 500 lb Flux : 6 kg/s Durée : 4 min
Dimension du caniveau : 67,1 m (longueur) x 304,8 mm (profondeur) x 457,2 mm (largeur) Ventilateur du caniveau : 1 000 SCFM Dimension du caniveau : 67,1 m (longueur) x 304,8 mm (profondeur) x 457,2 mm (largeur)
Concentration de CO2 à simuler : 30 000 ppm Ventilation aréna : 8 000 SCFM mis en marche instantanément lors de la fuite  

La figure 4 montre la vue en élévation de la concentration 30 000 ppm de CO2 selon les directions horizontales (bleu), à 45o (vert) et verticales (orange). À noter que le nuage résultant de la fuite de direction horizontale a une hauteur de 1 m sur une longueur de 46 m. Ces distances sont pour les premières secondes, le CO2 va continuer de s’accumuler derrière la bande de la patinoire et éventuellement déborder sur la patinoire. Les directions à 45 o et verticales présentent aussi des dangers, car le CO2 continue de s’accumuler près du sol. Il y a lieu de noter que les concentrations près du sol seraient beaucoup plus importantes et pourraient potentiellement excéder les concentrations létales. De plus, aux fins de simulation nous avons posé l’hypothèse de la mise en marche immédiate du ventilateur de 8 000 SCFM. Il faudrait probablement au moins 2 min avant que ce ventilateur soit fonctionnel et ce ventilateur situé au toit de l’édifice serait inefficace pour aspirer un gaz lourd qui s’est accumulé près du sol.

Vue en élévation de 30 000 ppm suite à une rupture d’un tube de CO2 de ½ pouce
Annexe 5, Figure 4 : Vue en élévation de 30 000 ppm suite à une rupture d’un tube de CO2 de ½ pouce pipe
 
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Annexe 5, Figure 4 : Vue en élévation de 30 000 ppm suite à une rupture d’un tube de CO2 de ½ pouce pipe

La figure montre une vue en élévation de la concentration 30 000 ppm de CO2. Le nuage de la fuite a une hauteur de 1 mètre sur une longueur de 46 mètres.

 

Figure 4 : Vue en élévation de 30 000 ppm suite à une rupture d’un tube de CO2 de ½ ″

Tableau 4 : Annexe 5
SCÉNARIOS CONSÉQUENCES MESURES D’ATTÉNUATION POTENTIELLES
L’introduction de CO2 dans l’enceinte de l’aréna (zone occupée) n’est pas une solution intrinsèquement sécuritaire, c'est-à-dire que le risque va toujours être présent, risque qu’il faudra gérer par des mesures d’atténuation actives. Par contre si le CO2 est confiné dans le local technique, le risque pour les usagers de l’aréna est éliminé. Les paragraphes qui suivent décrivent les scénarios qui ont été simulés, leurs conséquences et des mesures d’atténuation qui pourraient être utilisées.
Bris de tubes de CO2 liquide servant à réfrigérer la dalle de la patinoire suite à une malfaçon, un défaut de matériau, un choc mécanique, un séisme, le vandalisme Libération potentielle de CO2 dans l’enceinte de l’aréna, développement de concentrations dangereuses d’un gaz asphyxiant au niveau de la patinoire, des bancs de joueurs et des rangées inférieures de spectateurs et potentiel de pertes de vie Utiliser des tubes de plus petit diamètre
Utiliser un matériau plus robuste et résilient que le cuivre
Réduire le nombre de joints soudés
Utiliser des procédures de soudages qui assurent une qualité constante
Prendre en compte les effets potentiels de séisme dans la conception du réseau de réfrigération
Confiner les collecteurs dans un caniveau avec un couvert robuste et hermétique pouvant résister à la pression qui pourrait s’y développer, équipé de senseurs de CO2 avec alarme et d’un ventilateur de capacité adéquate dont la sortie est dirigée vers un endroit sécuritaire
Prévoir une ventilation de l’enceinte avec buses d’aspiration au niveau des parties inférieures de l’aréna
Inclure des dispositifs d’arrêt de pompe et de compresseurs sur détection de fuite de CO2
Inclure des vannes solénoïdes permettant d’isoler le circuit sous la dalle du reste du système de réfrigération et de l’éventer à l’atmosphère
Bris de conduite dans l’enceinte de l’aréna de CO2 gazeux chaud provenant du refoulement des compresseurs suite à une malfaçon, un défaut de matériau, un choc mécanique ou un séisme Libération potentielle de CO2 dans l’enceinte de l’aréna, développement de concentrations dangereuses d’un gaz asphyxiant au niveau de la patinoire, des bancs de joueurs et des rangées inférieures de spectateurs et potentiel de pertes de vie
  • Réduire le nombre de joints de tuyauterie
  • Utiliser des procédures de soudages qui assurent une qualité constante
  • Prendre en compte les effets potentiels de séisme dans la conception du réseau de réfrigération
  • Inclure des dispositifs d’arrêt de pompe et de compresseurs sur détection de fuite de CO2
Ouverture de soupape de surpression Libération potentielle de CO2 à l’extérieur de l’aréna avec potentiel de blessures, d’exposition à un gaz asphyxiant et d’engelures et potentiel de pertes de vie
  • Positionner la sortie de la soupape de surpression à un endroit sécuritaire, clôturer l’endroit pour empêcher les personnes de se placer en position dangereuse
  • S’assurer que la soupape de surpression est à distance sécuritaire des sorties de l’aréna et du local technique
  • S’assurer que la tuyauterie est suffisamment ancrée pour résister à la force de réaction résultant de l’éjection de CO2 à très haute vitesse

Étude de risques et gestion de la sécurité opérationnelle

Les installations de réfrigération d’aréna au CO2 comporte des risques à cause des volumes important de frigorigène, des pressions élevées, des températures basses, du comportement de ce gaz s’il est libéré dans l’enceinte de l’aréna et de la présence de population potentiellement vulnérable (enfants sur patins) qui rendrait difficile l’application rapide d’un plan d’urgence. C’est pourquoi, il est nécessaire lors de la conception de faire une étude de risque pour bien cibler les enjeux et de mettre en place un programme de sécurité opérationnelle pour gérer l’exploitation des installations.

Étude de risques

L’étude de risques doit identifier les dangers significatifs associés au système de réfrigération au CO2 et les mesures pour réduire et contrôler les risques pour toutes les personnes qui pourraient être affectées dont les travailleurs, les usagers de l’aréna et les riverains. L’étude de risque doit être enregistrée formellement et partagée avec le donneur d’ouvrage et les autorités compétentes qui ont besoin de connaître ces informations pour gérer les risques et mettre en place le plan d’urgence. L’étude de risques doit être gardée à jour.

Formation en santé et sécurité

Les recommandations qui ont été formulées précédemment sont destinées à assurer la sécurité des travailleurs, des usagers d’arénas et du public. Bien qu’elles ne soient pas complexes d’application, il y aurait lieu de développer et diffuser un cours dont l’objectif serait de revoir les technologies pour assurer la sécurité des travailleurs, des usagers d’arénas et du public, qui soit destiné aux concepteurs des systèmes de réfrigération pour arénas et des gestionnaires de ces arénas. Cette formation devrait être sanctionnée par l’Ordre des ingénieurs du Québec. Ce programme pourrait être élaboré et diffusé par une institution universitaire.

Conclusion et recommandation

Le CO2 est un frigorigène qui offre un potentiel intéressant à cause de ses caractéristiques neutres sur le réchauffement global et son potentiel de récupération énergétique. Le CO2 n’est ni plus ni moins sécuritaire que les autres frigorigènes, mais il a des avantages et des inconvénients. Comme pour tous les autres frigorigènes, la clef pour un système sécuritaire est de concevoir, installer et opérer le système en ayant identifié, évalué et disposé de tous les dangers en utilisant un personnel bien formé pour concevoir et opérer le système de réfrigération. Le danger principal avec le CO2 est la possibilité de générer des concentrations létales à l’intérieur d’espaces confinés.

Des simulations ont été faites de fuite de CO2 dans l’enceinte de l’aréna suite au bris de tubes alimentant le frigorigène pour réfrigérer la dalle supportant la patinoire ainsi que des conduites alimentant les aérothermes servant au chauffage de l’enceinte. Le logiciel PHAST, v. 6.7 utilisé pour les simulations tant pour déterminer le flux libéré à l’atmosphère et la dispersion du gaz prend en compte les données thermodynamiques du CO2 et le diagramme de phases. C’est un des meilleurs outils disponibles. La rupture d’un tube de 1/2" de CO2 liquide au niveau du caniveau où sont situés les collecteurs de distribution et retour peut conduire à une accumulation de gaz en excès de 30 000 ppm dans les zones inférieures de l’aréna, dont les bancs des joueurs, la patinoire et les rangées inférieures de bancs de spectateurs. Le gaz est très lourd près du point d’émission, 2,3 relativement à l’air pour atteindre 1,5 après s’être réchauffé. Le gaz aura donc tendance à se stratifier dans les zones inférieures avant de se disperser. La rupture d’une conduite de CO2 chaud en provenance des compresseurs et alimentant les aérothermes pourrait conduire à une accumulation de CO2 en excès de 30 000 ppm dans les zones inférieures de l’aréna. Le problème est cependant moins sévère que pour la rupture d’un tube de liquide.

Après avoir pris en compte le comportement du CO2 suite à une fuite de liquide ou de gaz on peut conclure que :

  • La solution à sécurité intrinsèque consiste à confiner le CO2 dans le local technique et à utiliser des fluides caloporteurs pour la réfrigération de la dalle de la patinoire et pour le chauffage de l’enceinte et des chambres de joueurs.

À défaut de confiner le CO2 dans le local technique, il est recommandé de :

  • Utiliser des tubes d’un diamètre plus petit que 1/2" pour la réfrigération de la dalle de la patinoire;
  • Utiliser un matériau plus robuste et résilient que le cuivre;
  • Réduire le nombre de joints de tuyauterie;
  • Utiliser des procédures de soudage qui assurent une qualité constante;
  • Prendre en compte les effets potentiels de séisme dans la conception du réseau de réfrigération;
  • Confiner les collecteurs de CO2 liquide dans un caniveau avec couvert robuste et hermétique pouvant résister à la pression qui pourrait s’y développer, équipé de détecteurs de CO2 avec alarme et d’un ventilateur de capacité adéquate dont la sortie est dirigée vers un endroit sécuritaire;
  • Prévoir une ventilation de l’enceinte de l’aréna avec buses d’aspiration au niveau des parties inférieures de l’aréna;
  • Positionner la sortie de la soupape de surpression à un endroit sécuritaire, clôturer l’endroit pour empêcher les personnes de se placer en position dangereuse;
  • S’assurer que la soupape de surpression est à distance sécuritaire des sorties de l’aréna et du local technique;
  • S’assurer que la tuyauterie est suffisamment ancrée pour résister à la force de réaction résultant de l’éjection du CO2 à très haute vitesse;
  • S’assurer que les espaces où du CO2 est utilisé ou serait potentiellement présent ont des détecteurs avec alarmes pour déterminer les niveaux de CO2 et de O2 de sorte que les personnes présentes puissent être alertées et l’espace ventilé adéquatement;
  • Faire une étude de risques lors de la conception d’un système de réfrigération au CO2 pour bien cibler les enjeux et mettre en place un programme de sécurité opérationnelle pour gérer l’exploitation des installations;
  • Mettre en place un programme de gestion de la sécurité opérationnelle qui comprend les éléments suivants :
    • Imputabilité : nommer une personne responsable des programmes de prévention et des plans d’urgence des installations de réfrigération au CO2;
    • Connaître le procédé : garder à jour la documentation des installations de réfrigération y incluant les plans et procédures;
    • Dangers du procédé : garder à jour la liste des dangers du procédé qui ont été répertoriés dans l’étude de risques;
    • Revues prédémarrage : faire des revues prédémarrage avant la mise en marche après des arrêts prolongés, des réparations ou des modifications aux installations;
    • Gestions des changements : établir une procédure de gestion des changements aux installations ou aux procédures, s’assurer que les pièces conformes sont utilisées pour la maintenance;
    • Gestion des entrepreneurs : établir une procédure de gestion des entrepreneurs œuvrant dans ces installations;
    • Intégrité mécanique : établir un programme pour conserver l’intégrité mécanique des équipements : maintenance préventive;
    • Procédures : élaborer les procédures critiques d’opération et de maintenance
    • Formation : prodiguer la formation sur l’opération des équipements, la maintenance, le plan d’urgence;
    • Plan d’urgence : élaborer un plan d’urgence qui couvre les riverains, le personnel d’opération et les clients de l’aréna. Ce plan couvre la communication à fournir aux travailleurs, l’alerte, l’évacuation, le confinement, l’intervention;
    • Vérifications : faire des vérifications de conformité de ce programme selon une fréquence préétablie;
    • Développer un programme de formation sur la sécurité des systèmes de réfrigération sanctionné par l’Ordre des ingénieurs du Québec à être diffusé aux concepteurs de systèmes de réfrigération. Ce programme pourrait être élaboré et diffusé par une institution universitaire.

Annexe 6 : Guide de gestion des risques pour système de réfrigération aux halocarbures pour arénas

Développement d’un guide sur la gestion des risques à l’intention des concepteurs des systèmes frigorifiques d’arénas utilisant les halocarbures comme frigorigènes

Jean-Paul Lacoursière, ing., Stéphanie Lacoursière, ing. M. Sc. A.
JP Lacoursière inc.
35, rue Lemoyne, Repentigny, (Québec) Canada J6A 3L4
T :  (450)-581-2315; C : (514) 770-2315; F : (450) 581-4539
Courriel : jpla@sympatico.ca

Rapport No. P00460-1-AB-rev0
Ce rapport abrégé résume le rapport complet portant le même titre publié le 31 mars 2013 à titre de prestation pour Ressources naturelles Canada - Groupe Bâtiments - Centre de la technologie de l'énergie de CANMET - 1615, boul. Lionel-Boulet, C.P. 4800, Varennes  QC  J3X 1S6 sous le contrat 3000505435.

Résumé

Les hydro chlorofluorocarbures (HCFCs) et les hydrofluorocarbures (HFC) ont été introduits plus tard comme frigorigène. Les CFCs et HCFCs sont en parties responsables de la destruction de la couche d’ozone. Le protocole de Montréal vise le bannissement complet des CFCs et des HCFCs dont le R-22 fait parti. Les HFCs, qui ont été développés pour remplacer les CFCs et HCFCs, ne détruisent pas la couche d’ozone mais ceux-ci sont reconnus comme de puissants  gaz à effet de serre.  Les systèmes de réfrigération aux HFCs représentent une alternative pour la réfrigération des arénas lorsque l’ammoniac [NH3 (R717)]  ou le dioxyde de carbone [CO2 (R744)] présentent des risques inacceptables pour les riverains ou les usagers des arénas et que les coûts des mesures de prévention et d’atténuation sont jugés inacceptables  L’étude de risques doit identifier les dangers significatifs associés au système de réfrigération aux HFCs et les mesures pour réduire et contrôler les risques pour toutes les personnes qui pourraient être affectées dont les travailleurs, les usagers de l’aréna et les riverains. De plus, un programme de gestion de la sécurité opérationnelle qui prend en compte la maintenance et les plans d’urgence doit être mis en place.

Les chlorofluorocarbures (CFCs) ont été utilisés comme frigorigènes depuis les années 1930.  Les hydrochlorofluorocarbures (HCFCs) et les hydrofluorocarbures (HFCs) ont été introduits plus tard comme frigorigène. Les CFCs et HCFCs sont en parties responsables de la destruction de la couche d’ozone. Le protocole de Montréal vise le bannissement complet des CFCs et des HCFCs dont le R-22 fait parti. Les HFCs, qui ont été développés pour remplacer les CFCs et HCFCs, ne détruisent pas la couche d’ozone mais ceux-ci sont reconnus comme de puissants  gaz à effet de serre. 

Les systèmes de réfrigération au HFCs représentent cependant une alternative pour la réfrigération des arénas lorsque l’ammoniac [NH3 (R717)]  ou le dioxyde de carbone [CO2 (R744)]  présentent des risques inacceptables pour les riverains ou les usagers des arénas et que les coûts des mesures de prévention et d’atténuation sont jugés inacceptables.  Des précautions particulières doivent cependant être prises pour l’utilisation sécuritaire des HFCs dans les arénas.

Problématique et mandat

Le mandat consiste à développer une étude technique sur les systèmes de réfrigération des arénas aux hydrofluorocarbures (HFCs) avec objectif principal de commenter sur la sécurité de ces installations pour les travailleurs, les usagers de l’aréna et le public à l’extérieur de l’aréna (riverains).

Lea HFCS et leurs caractéristiques

Un frigorigène doit satisfaire plusieurs exigences dont certaines ne sont pas reliées à leur habilité à transférer la chaleur.  La stabilité aux conditions d’utilisation est une propriété essentielle.  L’inflammabilité du frigorigène et sa toxicité sont des propriétés importantes dans le cas de la réfrigération des arénas.  De plus les effets sur la couche d’ozone et le potentiel de gaz à effets de serre sont également d’importantes considérations à prendre en compte  dans le choix du frigorigène.

Les frigorigènes sont classés en groupes de sécurité selon les critères suivants.  La classification de sécurité consiste en deux caractères alphanumériques (i.e., A2 ou B1).  (ASHRAE Standard 34 - 2010).

Les frigorigènes sont classés en deux niveaux de toxicité – A ou B selon le niveau d’exposition permis:

  • Les frigorigènes de Classe A ont le plus bas niveau de toxicité tel qu’indiqué par la limite d’exposition permise (PEL) de 400 ppm ou plus, si la toxicité a été définie ou une valeur d’exposition moyenne pondérée (VEMP) de 400 ppm ou plus.
  • Les frigorigènes de Classe B ont un plus haut niveau de toxicité tel qu’indiqué par la limite d’exposition permise (PEL) de moins de 400 ppm, si la toxicité a été définie ou une valeur d’exposition moyenne pondérée (VEMP) de moins de 400 ppm.

Les frigorigènes sont classés en trois niveaux d’inflammabilité (1, 2, 3) et une sous-classe optionnelle (2L) selon des tests de limites inférieures d’inflammabilité, de chaleur de combustion, et de la mesure optionnelle de la vitesse de combustion;

  • Un frigorigène composé d’une seule substance chimique est de Classe 1 lorsqu’il ne présente pas de propagation de flamme lorsque soumis à un essai dans l’air à 60oC et 101,3 kPa.  Des paramètres spécifiques s’appliquent pour les frigorigènes composés de plusieurs substances chimiques;
  • Un frigorigène composé d’une seule substance chimique est de Classe 2 lorsqu’il remplit les trois conditions suivantes :
    1. Présente une propagation de flamme, lorsque soumise à un essai dans l’air à 60oC et 101,3 kPa;
    2. Présente une limite inférieure d’inflammabilité (LII) >0,10 kg/m3 à 23oC et 101,3 kPa (d’autres conditions peuvent s’appliquer si le frigorigène n’a pas de LII à ces conditions); et,
    3. Possède une chaleur de combustion <19 000 kJ/kg.
  • Un frigorigène composé d’une seule substance chimique est de Classe 2L lorsqu’il a une vitesse maximale de combustion ≤10 cm/s lorsque soumis à un essai dans l’air à 60oC et 101,3 kPa; 
  • Un frigorigène composé d’une seule substance chimique est de Classe 3 lorsqu’il remplit les deux conditions suivantes :
    1. Présente une propagation de flamme, lorsque soumise à un essai dans l’air à 60oC et 101,3 kPa;
    2. Présente une limite inférieure d’inflammabilité (LII) ≤0,10 kg/m3 à 23oC et 101,3 kPa ou une chaleur de combustion ³19 000 kJ/kg (d’autres conditions peuvent s’appliquer si le frigorigène n’a pas de LII à ces conditions).

D’autres paramètres s’appliquent concernant les limites d’exposition dangereuses pour la vie (mortalité, sensibilisation du système cardiaque, effets sur le système nerveux central, autres effets empêchant l’évacuation en sécurité), et la diminution de la concentration d’oxygène. (ASHRAE Standard 34 2010).

Le texte qui suit sur les concentrations dangereuses de CFC, HCFC et HFC est tiré d’un courriel fournissant les propriétés des principaux réfrigérants et les valeurs seuils d’exposition, Slavko Sebez, Direction de la santé publique de la capitale nationale, 2013. (Sebez 2013)

Tableau 1 : Valleurs seuils ds refrigerants de synthèse
Réfrigérants Nom Travailleurs
Règlementation (ppm)
Population
Valeurs seuils (ppm)
Propriétés importantes
R12 (CFC) Dichlorodifluorométhane 1000 15 000 1000 3 000 (TEEL-1) 10 000 (TEEL-2) Ininflammable
R22 (HCFC) Chlorodifluorométhane 5 000 n.d. 1000 1 250 (TEEL-1) 7 500 (TEEL-2) Ininflammable
R32 (HFC) Difluorométhane n.d n.d. n.d. 1 300 (TEEL-1) 1 300 (TEEL-2) Ininflammable, asphyxiant simple
R125 (HFC) Pentafluoroéthane n.d n.d. n.d. n.d.) n.d. Ininflammable, asphyxiant simple
R410A HFC) Mélange R32 et R125 n.d n.d. n.d. n.d.) n.d. Ininflammable, asphyxiant simple
acronyms
Acronyms
 
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Acronyms

« VEMP » correspond à la valeur d’exposition moyenne pondérée (8 heures) du Règlement sur la santé et la sécurité du travail. « DIVS » signifie un danger immédiat pour la vie ou la santé. « Pas d’effets » indique la teneur de produit dans l’air ambiant à laquelle un individu peut être exposé jusqu’à une heure sans constat d’effet nuisible. Les « effets transitoires » correspondent à des concentrations plus grandes que AEGL-1, ERPG-1 ou TEEL-1. Les « effets irréversibles » correspondent à des concentrations plus grandes que AEGL-2, ERPG-2 ou TEEL-2. « TLV » signifie « Threshold Limit Values ». « P » correspond à la valeur plafond du RSST à ne pas dépasser pour quelque durée que ce soit. « RSST » signifie « Règlement sur la santé et la sécurité du travail ». « CFC » signifie « Chloro-fluoro-carbone ». « HCFC » signifie « Hydrogéno-cloro-fluoro-carbone ». « HFC » signifie « Hydrogéno-fluoro-carbones ». « ppm » est l'acronyme de « parties par million ». « LIE » signifie « Limite inférieure d'explosibilité ». Finalement, « n.d. » signifie « non disponible ».

 

Les dangers des frigorigènes sont reliés à leurs propriétés physiques et chimiques aux pressions et températures associés aux systèmes de réfrigération des arénas et à la localisation des équipements de réfrigération en rapport avec les zones occupées par les usagers de l’aréna. (ASHRAE Standard 15, 2010)  Des blessures, pertes de vie et dommages à la propriété peuvent être causés par plusieurs événements dont:

  • La rupture d’une composante sous pression ou une explosion avec potentiel de projection de débris ou écroulement de l’édifice;
  • La libération de frigorigène suite à un bris de composante (tuyauterie), à une fuite sur un joint mécanique ou à une opération incorrecte; 
  • La libération de frigorigène suite à la corrosion sous le calorifugeage des tuyauteries;
  • Un incendie résultant d’une déflagration ou alimenté par le frigorigène ou l’huile lubrifiante;
  • L’accumulation d’huile de lubrification dans les évaporateurs qui peut réduire le transfert de chaleur ou la circulation de frigorigène.

Des blessures ou pertes de vie peuvent survenir suite à la libération de frigorigène dont:

  • La suffocation par des frigorigènes plus lourds que l’air libérés dans des espaces qui ne sont pas ventilés de façon adéquate;
  • Des effets narcotiques ou de sensibilisation du système cardiaque;
  • Des effets toxiques des vapeurs de frigorigènes ou de leurs produits de décomposition suite aux contacts de flammes ou de surfaces chaudes;
  • Des attaques corrosives des yeux, de la peau et des autres tissus;
  • Le gel des tissus par contact avec le liquide froid.

Les HFCs sont généralement non inflammables et ne présentent pas de dangers d’incendie ou d’explosion sous les conditions normales des systèmes de réfrigération.  Dans certaines circonstances inhabituelles, quelques HFCs présentent des caractéristiques d’inflammabilité, i.e., R-134a (Tétrafluoroéthane 1,1,1,2) (FM 2012)

Principes fondamentaux de sécurité

Les mêmes principes de sécurité qui s’appliquent aux systèmes de réfrigération qui utilisent les autres réfrigérants s’appliquent aux HFCs, à savoir :

  1. Éviter les chocs hydrauliques.
  2. Empêcher les liquides d’atteindre le compresseur.
  3. Inclure des soupapes de sûreté (soupapes de surpression) pour libérer les pressions trop élevées.
  4. Prévenir les vibrations excessives.
  5. Supporter les équipements et tuyauteries indépendamment.
  6. Prendre en compte les températures très basses et les pressions très élevées dans le choix des matériaux de construction.
  7. Dimensionner les conduites (longueur et diamètre) pour assurer le transport de l’huile de lubrification sans perte de pression excessive qui occasionnerait des pertes d’efficacité du système de réfrigération.
  8. Mettre en place un programme de maintenance dont une maintenance préventive pour les équipements critiques.
  9. Mettre en place un plan d’intervention d’urgence avec personnel formé et le garder fonctionnel.

Les HFCs ont certaines propriétés physiques uniques qui requièrent des mesures de précautions spécifiques.

  1. Les HFCs sont naturellement plus lourds que l’air.  Ils auront tendance à s’accumuler dans les points bas s’ils sont relâchés à l’atmosphère.
  2. Les conduites en cuivre de HFCs peuvent être de petits diamètres et fragiles aux impacts.
  3. La vibration générée par les compresseurs peut causer la rupture des joints brassés.
  4. La présence d’humidité dans le frigorigène peut conduire à la formation de glace à la  vanne de détente.
  5. Des particules de rouille ou de métal peuvent se déposer sur les sièges des vannes solénoïdes, empêchant ces vannes de fermer hermétiquement.

Configuration typique des arénas réfrigérés au HFCs

La figure 1 représente un schéma de principe d’un système de réfrigération pour aréna avec circulation de HFCs. Le système de réfrigération comporte le refroidissement d’une saumure qui circule sous la dalle de la patinoire par un échangeur de chaleur aux HFCs situé dans le local technique et le chauffage de l’enceinte et de l’eau des douches par les HFCs gazeux chauds provenant du refoulement des compresseurs.

Les compresseurs, réservoirs de HFC, séparateur gaz/liquide, échangeur HFC/saumure, le condenseur HFCs /fluide secondaire (éthylène glycol) sont situés dans le local technique.  Les aérothermes situés dans l’enceinte de l’aréna (zone occupée) sont alimentés par la boucle de fluide secondaire  qui récupère la chaleur du système de réfrigération. Après la récupération de chaleur des aérothermes et/ou des pompes à chaleur, le surplus de chaleur de la boucle de fluide secondaire est rejeté au refroidisseur de fluide situé à l’extérieur de l’aréna.

Dangers potentiels

La totalité du réfrigérant est confinée dans le local technique. La zone de danger est donc limitée aux occupants de ce local. Il n’y a pas de dangers qui ont été identifiés pour les riverains.

Système semi-hermétique monobloc avec pompe à chaleur pour le chauffage de l’eau
Annexe 6, Figure 1 : Système semi-hermétique monobloc avec pompe à chaleur pour le chauffage de l’eau
 
Version textuelle

Annexe 6, Figure 1 : Système semi-hermétique monobloc avec pompe à chaleur pour le chauffage de l’eau

Schéma de principe d’un système de réfrigération pour aréna avec circulation de HFCs. Le système de réfrigération comporte le refroidissement d’une saumure qui circule sous la dalle de la patinoire par un échangeur de chaleur aux HFCs situé dans le local technique et le chauffage de l’enceinte et de l’eau des douches par les HFCs gazeux chauds provenant du refoulement des compresseurs.

 

Figure 1 : Système H5: système semi-hermétique monobloc avec pompe à chaleur pour le chauffage de l'eau

Local technique

Les clauses suivantes tirées du chapitre 6 du Code de réfrigération mécanique (CSA B52-05) sont reproduites aux fins de compréhension des infrastructures où sont abrités les équipements de réfrigération aux HFCs.

Les fondations et les supports des condenseurs, des groupes compresseur-condenseur et des motocompresseurs doivent être solides et incombustibles.

Les organes mécaniques doivent être conformes à tous les règlements relatifs à l’hygiène et à la sécurité au travail.

On doit procéder de l’une des façons suivantes, au moins, pour assurer que les travaux d’inspection et d’entretien des systèmes frigorifiques sont réalisés de façon sécuritaire :

  • L’équipement de plancher doit être installé de façon que des dégagements suffisants soient assurés autour de l’équipement pour effectuer les travaux d’entretien et de dépannage en toute sécurité.
  • L’équipement qui n’est pas accessible du plancher doit être installé de façon qu’on puisse l’atteindre de façon sécuritaire :
    • au moyen d’échelles ou d’escaliers permanents équipés de plateformes et de rampes conformes aux exigences sur la sécurité au travail de l’autorité compétente pertinente ; ou
    • à l’aide d’un appareil de levage mobile. L’utilisation d’un appareil élévateur, au lieu des dispositifs fixes dont il est question au sous-alinéa b) (i) doit être permise seulement si cet appareil se trouve en tout temps sur les lieux, s’il est acceptable en vertu des exigences de l’autorité compétente sur la sécurité au travail et si la nature du système frigorifique est telle qu’il peut être entretenu de cette façon en toute sécurité.
  • L’équipement installé sur un toit ou une mezzanine doit être placé à 3 m de tout bord si un risque de chute existe, sous réserve de l’alinéa d). Si les exigences sur la sécurité au travail de l’autorité compétente en cause demandent un retrait plus important, on doit se conformer à ces exigences.
  • Si l’équipement installé sur un toit ou une mezzanine ne peut être placé en retrait conformément à l’alinéa c), des rampes et des points d’attache pour les dispositifs d’arrêt de chute doivent être fournis conformément aux exigences sur la sécurité au travail de l’autorité compétente en cause.

Chaque local technique doit être muni d’une ou de plusieurs portes qui s’ouvrent vers l’extérieur, à fermeture automatique (et étanche s’il s’agit de portes qui s’ouvrent vers le bâtiment). Le nombre de portes doit être suffisant pour permettre aux personnes de sortir rapidement du local en cas d’urgence.  Les portes ne doivent pas ouvrir sur un corridor public ou une salle de réunion. À l’exception des portes et des panneaux d’accès des conduits d’air ou des appareils de traitement de l’air conformes, le local technique ne doit comporter aucune ouverture par laquelle le frigorigène peut s’échapper.

Détecteurs de fuite de HFCs

Un détecteur de fuite de HFCs doit être installé dans un endroit où le HFC qui fuit est le plus susceptible de se retrouver, i.e 1,3 m du sol et doit être activé à une valeur non supérieure à la VEMP (TLV/TWA). Une fois activé, le détecteur doit :

  • déclencher une alarme sonore facile à entendre ; et
  • actionner la ventilation mécanique.

Note : Dans certains cas, plusieurs détecteurs ou points de détection peuvent être requis (p. ex., à cause de la configuration du local technique ou des schémas d’écoulement d’air).

Ventilation

L’air du local technique doit être évacué vers l’extérieur. Une ventilation requise en vertu du code B52-05.  Il y a lieu de noter que les HFCs sont plus lourds que l’air.  Prévoir l’aspiration des ventilateurs près du sol.  La capacité des ventilateurs doit être conforme aux exigences du code B52-05.

Étude de risques et gestion de la sécurité opérationnelle

Les installations de réfrigération d’aréna aux HFCs comportent des risques à cause des volumes importants du frigorigène, des pressions élevées, des températures basses, du comportement de ces gaz s’ils sont libérés dans l’enceinte de l’aréna et de la présence de population potentiellement vulnérable (enfants sur patins) qui rendrait difficile l’application rapide d’un plan d’urgence.  C’est pourquoi il est nécessaire lors de la conception de faire une étude de risques pour bien cibler les enjeux et de mettre en place un programme de sécurité opérationnelle pour gérer l’exploitation des installations.

Étude de risques

L’étude de risques doit identifier les dangers significatifs associés au système de réfrigération aux HFCs et les mesures pour réduire et contrôler les risques pour toutes les personnes qui pourraient être affectées dont les travailleurs, les usagers de l’aréna et les riverains.  L’étude de risques doit être enregistrée formellement et partagée avec le donneur d’ouvrage et les autorités compétentes qui ont besoin de connaître ces informations pour gérer les risques et mettre en place le plan d’urgence.

L’étude de risques doit être gardée à jour.

Gestion de la sécurité opérationnelle

La sécurité des installations de réfrigération utilisant les HFCs nécessite un programme holistique de gestion.  Les éléments de ce programme présentés dans les paragraphes qui suivent sont basés sur les pratiques recommandées par IIAR et FM Global.

  1. Imputabilité : nommer une personne responsable des programmes de prévention et des plans d’urgence des installations de réfrigération;
  2. Connaître le procédé : garder à jour la documentation des installations de réfrigération y incluant les plans et procédures;
  3. Dangers du procédé : garder à jour la liste des dangers du procédé qui ont été répertoriés dans l’étude de risques;
  4. Revues de prédémarrage : faire des revues de prédémarrage avant la mise en marche après des arrêts prolongés, des réparations ou des modifications aux installations;
  5. Gestions des changements : établir une procédure de gestion des changements aux installations ou aux procédures, s’assurer que les pièces conformes sont utilisées pour la maintenance;
  6. Gestion des entrepreneurs : établir une procédure de gestion des entrepreneurs œuvrant dans ces installations;
  7. Intégrité mécanique : établir un programme pour conserver l’intégrité mécanique des équipements : maintenance préventive;
  8. Procédures : élaborer les procédures critiques d’opération et de maintenance;
  9. Formation : Prodiguer la formation sur l’opération des équipements, la maintenance, le plan d’urgence;
  10. Plan d’urgence : élaborer un plan d’urgence qui couvre les riverains, le personnel d’opération et les clients de l’aréna.  Ce plan couvre la communication à fournir aux travailleurs, l’alerte, l’évacuation, le confinement, l’intervention;
  11. Vérifications : faire des vérifications de conformité de ce programme selon une fréquence préétablie.

Plan d’intervention d’urgence

La sécurité des installations de réfrigération aux HFCs nécessite la mise en place d’un plan d’intervention d’urgence qui doit inclure à minima les objectifs suivants :

  1. S’assurer que le personnel d’opération est bien formé sur les procédures d’opération spécifiques, les divers dangers des frigorigènes utilisés, et des équipements (compresseurs, pompes, échangeurs de chaleur), et des interventions à appliquer en cas de fuite ou autres urgences;
  2. Identifier et former le personnel (opération, maintenance et surveillance (préposés à l’aréna, gardiens, etc.) qui auraient à intervenir en cas de fuite ou déversement de frigorigène.  S’assurer que ce personnel est bien au fait des dangers du frigorigène utilisé dans l’aréna.  S’assurer que l’équipement adéquat est disponible et accessible y incluant les détecteurs de gaz, les appareils respiratoires autonomes (ARA), les vêtements de protection, les ventilateurs.  Conduire à fréquence régulière des sessions de formation et exercices.
  3. Identifier les personnes à l’extérieur de l’aréna qui doivent être alertées lors d’une urgence.  Ceci pourrait inclure les services incendies, urgence santé (ambulances) et les autorités environnementales.
  4. S’assurer que les vannes critiques qui contrôlent les flux de frigorigène sont clairement identifiées.

Conclusions et recommandations

Les systèmes de réfrigération au HFCs représentent une alternative pour la réfrigération des arénas lorsque l’ammoniac [NH3 (R717)]  ou le dioxyde de carbone [CO2 (R744)]  présentent des risques inacceptables pour les riverains ou les usagers des arénas et que les coûts des mesures de prévention et d’atténuation sont jugés inacceptables.

Il est recommandé de :

  • Faire une étude de risques lors de la conception d’un système de réfrigération aux HFCs pour bien cibler les enjeux et mettre en place un programme de sécurité opérationnelle pour gérer l’exploitation des installations;
  • Mettre en place un programme de gestion de la sécurité opérationnelle qui comprend les éléments suivants :
    • Imputabilité : nommer une personne responsable des programmes de prévention et des plans d’urgence des installations de réfrigération;
    • Connaître le procédé : garder à jour la documentation des installations de réfrigération y incluant les plans et procédures;
    • Dangers du procédé : garder à jour la liste des dangers du procédé qui ont été répertoriés dans l’étude de risques;
    • Revues de prédémarrage : faire des revues de prédémarrage avant la mise en marche après des arrêts prolongés, des réparations ou des modifications aux installations;
    • Gestions des changements : établir une procédure de gestion des changements aux installations ou aux procédures, s’assurer que les pièces conformes sont utilisées pour la maintenance;
    • Gestion des entrepreneurs : établir une procédure de gestion des entrepreneurs œuvrant dans ces installations;
    • Intégrité mécanique : établir un programme pour conserver l’intégrité mécanique des équipements : maintenance préventive;
    • Procédures : élaborer les procédures critiques d’opération et de maintenance;
    • Formation : prodiguer la formation sur l’opération des équipements, la maintenance, le plan d’urgence;
    • Plan d’urgence : élaborer un plan d’urgence qui couvre les riverains, le personnel d’opération et les clients de l’aréna.  Ce plan couvre la communication à fournir aux travailleurs, l’alerte, l’évacuation, le confinement, l’intervention;
    • Vérifications : faire des vérifications de conformité de ce programme selon une  fréquence préétablie.