1

GENIE CLIMATIQUE ET ENERGETIQUE

FICHE DE LECTURE

Conception et optimisation des installations de traitement d’air

Projet de Fin d’Etudes réalisé par Timothée HEILIG

Tuteur : Bernard FLAMENT

à COFELY NORD-EST Agence Alsace Neudorf Suivi par Cécile GENTILE

AOÛT 2011

2

L’objectif principal du PFE « Conception et optimisation des installations de traitement d’air » est d’équiper le Département Travaux de COFELY d’un outil lui permettant de concevoir un traitement d’air. Il a été développé dans le but d’être utilisé par les collaborateurs du groupe et plus particulièrement par les chargés d’affaires et les techniciens d’études et travaux du département. Il répond à un double intérêt :

� L’outil permet de compléter le cahier des charges lors d’une demande de chiffrage auprès des fournisseurs de CTA : utilisation pré-chiffrage.

� Il peut également constituer un moyen de contrôle sur les dimensionnements effectués par ces fournisseurs : utilisation post-chiffrage.

1. Logiciel d’aide à la conception d’une centrale de traitement d’air

1.1. Description générale du programme

La méthode de conception est celle qui m’a été enseignée durant mes années d’étude. Elle se décompose en trois grandes lignes :

� Une première phase de saisie des données de dimensionnement (charges du local, type de traitement d’air : contrôle hygrométrique ou non, conditions d’ambiance et conditions limites extérieures) ;

� Une phase de calcul des conditions de soufflage : détermination de la température de soufflage et du débit d’air soufflé dans le local ;

� Une phase de conception de la CTA, de calcul de la puissance et du débit des différents éléments constituants la centrale.

Le programme informatique d’aide à la conception des CTA a été développé sur Excel. Les deux premières phases de la démarche de conception se font sur une interface utilisateur qui rend le logiciel plus intuitif. Il est d’autant plus simple d’accès que cette interface comporte des boutons d’aides. Exemple : sur l’onglet correspondant à la phase de calcul des conditions de soufflage, le concepteur a la possibilité d’ouvrir une fenêtre dans laquelle apparaissent des tableaux le guidant dans son choix du débit ou de température de soufflage.

3 onglets pour la définition

des fonctionnements limites

Bouton d’aide

Interface utilisateur

3

1.2. Restriction du modèle

Selon les charges du local d’étude et les spécifications du traitement d’air renseignées au préalable par l’utilisateur du programme, le programme propose une solution unique. Sa représentation sur le diagramme de l’air humide (DAH) figure parmi celles-ci-dessous :

Situation Représentation

DAH Fonctionnement

CTA

Chauffage simple

Batterie chaude (avec ou sans préchauffage)

Chauffage avec contrôle hygrométrique

Batterie chaude + Injection de vapeur

Chauffage avec contrôle hygrométrique

Batterie chaude + Pulvérisation à eau

Refroidissement simple (avec déshu. non contrôlé)

Batterie froide

Refroidissement avec contrôle hygrométrique

Batterie froide + Batterie chaude

Refroidissement avec contrôle hygrométrique

Batterie froide + Injection de vapeur

Refroidissement avec contrôle hygrométrique

Batterie froide + Pulvérisation à eau

4

1.3. Validation du programme

Tout programme informatique nécessite une phase de validation. Cette phase permet de s’assurer que les résultats obtenus correspondent bien à ceux attendus.

Pour ce faire, les résultats obtenus par le programme vont être comparés avec ceux obtenus chez les fournisseurs suite à des consultations lors de projets concrets.

Prenons l’exemple d’un projet sur lequel j’ai travaillé : la rénovation du traitement d’air chez un grand industriel (KNORR). Lors du chiffrage du projet, le cahier des charges suivant a été transmis à plusieurs fournisseurs dont GEA et TRANE qui ont répondu à notre demande :

Situation été hiver

Température extérieure [°C] 35 -15

Humidité extérieure [%] 40 90

Charges sensibles [kW] 400 -250

Charges latentes [kg/h] 0 0

Volume local [m3]

Température intérieure [°C] 29 22

Humidité intérieure [%] 50 50

Contrôle hygrométrique

Récupération d'énergie

Débit d'air neuf [m3/h]

Température de soufflage [°C] 14 ND

Débit soufflage [m3/h]

Cahier des charges

30% du débit soufflé

non

non défini

18300

échangeurs à glycol

Résultat obtenu par l’outil d’aide à la conception des CTA (situation d’hiver)

5

Tableau comparatif des différentes conceptions dont celle obtenue par l’outil

Conception Ecart relatif [%] Conception Ecart relatif [%]

été 14 14 0,0 14,0 0,0

hiver 32 30 6,3 30 6,7

77385 80000 3,4 82350 6,0

23216 24000 3,4 25000 7,1

x x x x x

Puissance batterie froide [kW] 783 785 0,3 743,0 5,4

Puissance réchauffage [kW] 388 537 38,4 366,0 6,0

Débit d'humidification [m3/h] x x x x x

TRANEGEAOutil d'aide

Débit d'air neuf [m3/h]

Débit soufflage [m3/h]

Ture de

soufflage [°C]

Puissance préchauffage [kW]

Conception CTA

Les écarts relatifs sont relativement faibles : moins de 8% sur toutes les données TRANE. Seule la puissance de la batterie chaude de la conception GEA présente plus de 35% d’écart relatif avec celle donnée par l’outil d’aide. La puissance de la batterie chaude GEA est surestimée. Ceci s’explique par le fait que GEA n’a pas pris en compte la récupération d’énergie dans son dimensionnement. L’entrée dans la batterie chaude se fait à 16,4 °C selon l’outil d’aide (16,9°C selon la fiche technique TRANE) alors qu’elle se fait à 10°C selon la fiche technique GEA.

2. Optimisation énergétique : la récupération d’énergie

La deuxième partie du PFE propose une étude sur une notion devenue fondamentale aujourd’hui : la récupération d’énergie. Nombreux sont les clients intéressés par ce concept.

Pour illustrer mes propos, il suffit d’évoquer une affaire sur laquelle un de mes collègues a récemment travaillé : l’intégration de récupérateurs de chaleur sur toutes les CTA de la Maison de la Région à Strasbourg. L’appel d’offre, auquel a répondu COFELY, consiste à équiper plus d’une dizaine de CTA existantes.

Ce PFE est l’occasion de faire un point rapide sur les différentes technologies de la

récupération d’énergie. Mais l’une d’entre elles présente des qualités uniques : le récupérateur à eau glycolée. Il s’agit d’une technologie de récupération d’énergie particulièrement adaptée à la rénovation de part sa flexibilité de mise en œuvre. En effet, le récupérateur est composé de deux échangeurs air-eau indépendants que l’on peut placer à distance l’un de l’autre, en gaine ou en CTA.

Ils existent deux types de régulation possibles : avec ou sans vanne trois voies sur le

circuit d’eau glycolée. Le PFE met en avant le rôle de la V3V : � Prévention contre le colmatage de l’échangeur placé sur l’air extrait � Récupération d’énergie plus importante Le récupérateur à eau glycolée est une des optimisations énergétiques proposé à

KNORR dans le cadre de la rénovation du traitement d’air d’un de ses locaux de production. Pour convaincre le client d’adopter cette optimisation, un temps de retour a été calculé. L’étude a pour objectif la détermination de ce TRI.

Sans risque de surchauffe du local, le système sans V3V peut fonctionner pour des températures extérieures inférieures à 7°C. Avec V3V, il permet de récupérer jusqu’à 10°C extérieure. La plage de fonctionnement du système avec V3V est donc plus importante et permet de gagner presque un an sur le TRI du système (TRI = 5ans).

6

Le TRI prend en compte : � Le coût d’investissement lié à la récupération d’énergie ; � Les coûts d’exploitation : la consommation électrique engendrées par la pompe sur le

circuit hydraulique et la surconsommation des ventilateurs ; � Les économies d’énergie faites sur le chauffage uniquement.

Détails du calcul du TRI (récupérateur à eau glycolée sans et avec V3V)

sans V3V avec V3V

3305 4471

96,1 81,5

317,5 364,4

414,7 475,8

9412,80 10800,9

43239,47 43239,47

[kWh/an] 2994,3 4050,7

[€/an] 275,48 372,67

[kWh/an] 49056 49056

[€/an] 4513,15 4513,15

5,1 4,5

heures de fonctionnement [h/an]

puissance moyenne [kW]

énergie récupérée [MWh/an]

gaz économisé [MWh/an]

économies réalisées [€/an]

investissement [€]

TRI [ans]

récupérateur eau glycolée

coûts pompe

coûts ventilateur

Graphique représentant la part d’énergie récupérée par rapport au besoin global de chauffage

Economies prévisionnelles du chauffage (basées sur l'année 2010)

45%

55%

364,4 [MWh] d'énergie "gratuite" fournit par la récupération (avec V3V)

441,2 [MWh] d'énergie fournit par la batterie chaude

Besoin chauffage total 806 [MWh]