Synthèse Conception Et Optimisation Des Installations de Traitement d'Air

7/23/2019 Synthse Conception Et Optimisation Des Installations de Traitement d'Air

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HEILIG Timothe Conception et optimisation des installations de traitement dairFLAMENT Bernard Aot 2011

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Lobjectif principal du PFE Conception et optimisation des Installations detraitement dair est de munir le Dpartement Travaux de COFELY dun outil lui permettantde concevoir un traitement dair. Cet outil a t dvelopp sur Excel. Il est dot duneinterface utilisateur qui permet au concepteur de renseigner toutes les donnes essentielles la conception. Sur cette interface, de nombreux boutons daide laccompagnent dans lechoix du systme mettre en place. Cet outil offre la possibilit soit de pouvoir contrler lesdimensionnements raliss par les fournisseurs comme GEA, TRANE, CIAT ou CARRIER,ou soit de raliser des demandes de chiffrage plus prcises.

Aujourdhui, la rcupration dnergie est devenue une optimisation incontournable.Ce PFE propose une tude sur lune de ses technologies : le rcuprateur eau glycole.Le rle majeur de la vanne trois voies sur son circuit hydraulique sera dmontr.

Mots cls : traitement dair, rcupration dnergie, CTA, conception, rcuprateur eau glycole

The main purpose of the project design and optimization of the air treatmentinstallations is to supply the Work Department of COFELY with an air treatment designprogram. This program was developed on Excel. He is equipped with a user interface whichenables designer to enter all the necessary data. On this interface, many command buttons

can help the designer to choose the suitable system. With this tool, designer can eithercontrol the supplier files like the one made by GEA, TRANE, CIAT or CARRIER, or makemore accurate price demand.

Nowadays, the energy recycling is became an optimization which cant be ignored.This project suggest a study on one of it technology: the glycol energy recycling system. Themajor function of the four-ways valve will be pointed.

Keywords : air treatment, energy recycling, design, glycol


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Jadresse mes remerciements tout particulirement Mme. Ccile GENTILE,responsable du dpartement travaux lagence Alsace COFELY, pour mavoir donnlopportunit dentrer dans son quipe et me permettre ainsi de menrichir du

professionnalisme et des comptences du personnel de COFELY Nord-Est.

Je remercie galement toute lquipe travaux et notamment M. Mathieu ALBERTUS,M. Thomas SIMON et M. Dominique GRASSER pour avoir partag leur savoir-faire et leurexprience. Je leur suis reconnaissant de leurs conseils, de leur coute et de toutes leursconsidrations mon gard.

Je remercie M. Bernard FLAMENT, mon tuteur institutionnel, pour son suivi durantmon PFE, ainsi que M. Armand ERB et tout le corps enseignant pour leur soutien et leuraccompagnement lors de la prparation de mon diplme dIngnieur durant mes annesdtudes lINSA Strasbourg.

Introduction............................................................................................................... 31. Prsentation de COFELY GDF-SUEZ................................................................. 4

1.1. La socit..................................................................................................... 41.2. Lagence Alsace........................................................................................... 5

2. Conception dune Centrale de Traitement dAir............................................. 82.1. Intrts dun outil daide au dimensionnement ............................................. 82.2. Domaine technologique................................................................................ 9

2.3. Description du programme......................................................................... 122.4. Validation du programme ........................................................................... 20

3. Optimisation nergtique : la rcupration de chaleur................................ 243.1. Gnralits................................................................................................. 243.2. Le rcuprateur eau glycole.................................................................. 263.3. Etude de cas : rnovation du traitement dair chez KNORR....................... 27

3.3.1. Cots lis la rcupration dnergie ................................................. 283.3.2. Economies dnergie........................................................................... 343.3.3. TRI ...................................................................................................... 35

3.4. Systme rgul avec V3V.......................................................................... 363.4.1. Principe ............................................................................................... 36

3.4.2. Rgulation........................................................................................... 363.4.3. Limite de fonctionnement.................................................................... 383.4.4. Economies dnergie et TRI................................................................ 39

4. Conclusion ....................................................................................................... 40Nomenclature et abrviations................................................................................... 415. Bibliographie ................................................................................................... 426. Annexes ........................................................................................................... 43


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Dans le cadre de la cration du dpartement travaux, dont les objectifs sont deprofessionnaliser les tudes de dimensionnement dinstallation et de proposer des solutionsadaptes aux besoins de chacun des ses clients (collectivits, industriels, entreprises du

secteur tertiaire, tat et tablissement publics), COFELY souhaite mettre en place un outil dedimensionnement dinstallation de conditionnement dair. Cest la mission dont jai tcharge.

Le programme est intitul Aide la conception des CTA . Il automatise unedmarche de conception dune centrale de traitement dair (CTA). A partir de donnesdentres telles que les conditions dambiance, extrieures ou encore les charges du local, leprogramme calcule une conception type et affiche le rsultat sous forme de schma deprincipe de la CTA.

Les schmas de principe rsultants peuvent tre utiliss de diffrentes manires : Le concepteur peut les soumettre ses fournisseurs de CTA (GEA, TRANE,

CARRIER ou CIAT) pour complter sa demande de chiffrage ; Ils peuvent constituer un moyen de contrle sur les dimensionnements effectus par

ces fournisseurs.Ce programme a t dvelopp sur Excel. Excel est un logiciel rpandu dans la

socit puisquil est install sur les ordinateurs de chaque collaborateur du groupe. Ladiffusion du programme au sein de la socit naura donc pas de limite technique.

Excel est un logiciel adapt lanalyse de donnes et il peut tre associ un logicielde programmation : Visual Basic. Le programme doit tre simple et intuitif. Visual Basicpermet, en outre, de crer une interface utilisateur qui permettra de guider le concepteurdans sa saisie des donnes dentre. Par ailleurs, linterface sera dote de boutons daide.

Lorsque loutil daide la conception est cre, il sera intressant de comparer lesrsultats obtenus avec les fiches techniques des fournisseurs sur un projet concret. Il sagitde la phase de validation et elle se fera travers un projet sur lequel jai travaill : larnovation du traitement dair chez un grand industriel (KNORR).

La deuxime partie du PFE propose une tude sur une notion devenue fondamentaleaujourdhui : la rcupration dnergie. Nombreux sont les clients intresss par ce concept.

Pour illustrer mes propos, il suffit dvoquer une affaire sur laquelle un de mescollgues a rcemment travaill : lintgration de rcuprateurs de chaleur sur toutes lesCTA de la Maison de la Rgion Strasbourg. Lappel doffre, auquel a rpondu COFELY,consiste quiper plus dune dizaine de CTA existantes.

Ce PFE est loccasion de faire un point rapide sur les diffrentes technologies de larcupration dnergie. Mais lune dentre elles prsente des qualits uniques : lercuprateur eau glycole. On verra quelles sont ces qualits et pourquoi il estparticulirement adapt la rnovation. Lappel doffre de la Maison de la Rgion inclut

exclusivement ce type de rcupration.Le rcuprateur eau glycole est une des optimisations nergtiques propos KNORR dans le cadre de la rnovation du traitement dair dun de ses locaux de production.Pour convaincre le client dadopter cette optimisation, un temps de retour a t calcul.Ltude a pour objectif la dtermination de ce TRI. Nous distingueront deux cas de figure quiopposent deux mise en uvre diffrentes du rcuprateur eau glycole :

Sans vanne trois voies sur le circuit deau glycole ; Avec vanne trois voies.

Nous verrons les avantages en termes de scurit de fonctionnement et en termesdconomies financires que peut apporter cette V3V.


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1.

1.1.

COFELY est n de la fusion d'Elyo et Cofathec. Leader europen des services enefficacit nergtique et environnementale, COFELY conoit, met en uvre et exploite dessolutions qui permettent aux entreprises et aux collectivits de mieux utiliser les nergies etde rduire leur impact environnemental : deux enjeux devenus urgents.

Pour aider ses clients rpondre aux objectifs du Grenelle de lEnvironnement,COFELY sappuie sur son expertise en exploitation-maintenance et sur lutilisation desnergies renouvelables.

Grce lintgration de services, COFELY sengage dans la dure et par contrat surdes rsultats auprs de ses clients.

COFELY dcline son savoir-faire en trois mtiers : La conception, lexploitation et la distribution des nergies locales et renouvelables Lamlioration des performances nergtiques et environnementales Lintgration de services

COFELY fait partie de GDF SUEZ Energie Services qui emploie 80 000 collaborateurspour un chiffre daffaires de 14 milliards deuros. En inscrivant la croissance responsable aucur de ses mtiers (nergie, services lnergie et environnement), GDF SUEZ se donnepour mission de relever de grands dfis : rpondre aux besoins en nergie, assurer lascurit dapprovisionnement, lutter contre les changements climatiques et optimiserlutilisation des ressources.

COFELY conforte sa position de leader sur son march, o elle affronte un nombrelimit dacteurs qui peuvent rivaliser en termes de visibilit commerciale et de qualit dessolutions techniques. Son principal concurrent est la socit DALKIA, filiale du GroupeVEOLIA, qui concurrence au niveau corporate le Groupe GDFSUEZ sur ses activitsdans leau et lenvironnement.

Figure 1Chiffres cls COFELY France


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COFELY regroupe 90 agences et filiales rparties dans 5 rgions. Ce maillage serr permet COFELY une relle proximit avec ses clients.

1.2.

Rattache la Direction Rgionale Nord-Est, lAgence Alsace, localise au 15 ruedAltkirch Strasbourg, est compose de six dpartements localiss dans toute lAlsace :

Le Dpartement Travaux, situ Strasbourg. Le Dpartement Rsidentiel Tertiaire Bas Rhin, situ Strasbourg Le Dpartement FM (Facility Management), situ Strasbourg Le Dpartement Industrie Bas Rhin, situ Strasbourg Le Dpartement Centre Alsace, situ Sausheim Le Dpartement Haut Rhin, situ Sausheim

Figure 2Reprsentation de COFELY en France :rgions administratives, siges sociaux et agences


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Cette agence emploie 232 collaborateurs, placs sous la direction du DirecteurdAgence M. Jrme GOMEZ, pour un chiffre daffaires de 47 millions deuros.

Mon stage sest effectu au sein du Dpartement Travaux, dirig par Mme CcileGENTILE, qui, laide de chargs daffaires et de techniciens tudes et travaux, greltude, le chiffrage et la ralisation des divers travaux.

Le Dpartement Travaux travaille en troite collaboration avec les DpartementsExploitation. Ces dpartements interviennent dans le cadre de la maintenance et de laconduite des installations nergtiques des clients.

Les dpartements dexploitation sont diviss en plusieurs quipes, pilotes par desresponsables dquipe exploitation (REE). Cest eux qui transmettent au dpartementtravaux les demandes faites par leurs clients.

Ces demandes ne sont transmises que dans le cas de travaux ncessitant une tudeapprofondie qui ne peut pas tre ralise par les techniciens dexploitation. Le dpartementtravaux nintervient pas dans le cas dun remplacement lidentique dun simple quipement(ex : pompe, vanne,).

Figure 3Organigramme hirarchique du Dpartement Travaux COFELY Nord-Est

Responsable Dpartement TravauxCcile GENTILE

BAS-RHIN

Chargs dAffairesDominique GRASSER

Timothe HEILIG (Stagiaire)

Techniciens Etude et TravauxThomas SIMONQuentin LEFURMichel REYSS

Jean-Jacques SCHNEIDERXavier TIGAHIRE (Apprenti)

SecrtariatVronique PROT

Conducteur de TravauxDaniel PIERRET

HAUT-RHIN

Responsable dquipeMathieu ALBERTUS

Charg dAffaireHerv DOSDA

Techniciens Etude et TravauxCeprayil YUKSELLionel GORISSE

Joffrey KUDRON (Apprenti)

SecrtariatCorinne BERSAUTER


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Le dpartement travaux reprsente un service supplmentaire propos aux clientsCOFELY. Ces derniers ont la possibilit de consulter dautres entreprises dinstallation ouencore de lancer un appel doffre lorsque limportance des travaux le justifie.

Pour assurer son dveloppement et accrotre sa rentabilit, le service Travauxrpond ce type de march mme lorsquil provient dun client ne figurant pas dans sonportefeuille (COFELY na pas la charge de lexploitation du site du client).

Le Dpartement Travaux fonctionne comme un bureau dtudes. Les parties chiffrageet tude sont entirement ralises par le charg daffaires ou le technicien dtudes ettravaux (TET). Durant cette phase de pr-tude, lorsque le client figure dans le portefeuilleCOFELY, le charg daffaires a lavantage de pouvoir sappuyer sur lquipe dexploitationpour dfinir au plus juste le besoin du client. Lorsque celui-ci a choisit COFELY poureffectuer ses travaux, le charg daffaires devient chef du projet et choisit ses sous-traitants(consults durant la phase de chiffrage en gnral). COFELY na pas dquipe dinstallation.Il sagit dun dsavantage sur des projets minimes o les entreprises locales se placent plusfacilement. Mais ce dsavantage peut tre compens par les nombreux partenariats queCOFELY honorent avec ses fournisseurs.

Quelques exemples de grands travaux raliss par le Dpartement Travaux : La rnovation de la production de froid sur le site de General Motors Strasbourg

(2011) La rnovation de la production deau glace et dair comprim sur le site de

Bestfoods France Industrie (Knorr) Duppigheim (2007-2008). La rnovation de la production deau glace de la clinique Saint Odile Strasbourg

(2009). Le remplacement des chaudires vapeur sur le site de Bestfoods France Industrie

(Knorr) Duppigheim (2009-2010) La rnovation de la chaufferie alimentant le rseau de chaleur du Ried Strasbourg :

passage du fioul lourd au gaz (2010-2011). La rnovation des sous-stations du Ried (2010-2011) La rnovation de chaufferies dans le secteur rsidentiel : passage du fioul

domestique au gaz.


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2.

2.1.

Loutil daide au dimensionnement de Centrale de Traitement dAir (CTA) est un outildvelopp dans le but dtre utilis par les collaborateurs du groupe et plus particulirementpar les chargs daffaires du dpartement travaux COFELY rcemment mis en place. Cesderniers traitent rgulirement des projets mettant en jeu linstallation ou la rnovation deCTA. Lobjectif de cet outil est de les aider dans la phase dtude. La phase dtudecomprend la conception de linstallation ainsi que le chiffrage de la ou des solution(s)retenue(s).

La CTA est un quipement technique coteux qui fait appel diffrentes technologies(technologie du froid et du chaud, changeurs, ventilation, diffusion dair,). Sondimensionnement est relativement dlicat et est, gnralement, confi auxfournisseurs/constructeurs. GEA Happel, CARRIER, CIAT, TRANE, AIRWELL WESPER

reprsentent les fournisseurs les plus consults. En leur proposant un pr-dimensionnementralis par loutil, le charg daffaires a lopportunit dtre plus prcis dans sa demande deconsultation. Sur une installation de traitement dair, loutil permet donc la cellule travauxde complter son rle de bureau dtudes. Le champ daction du fournisseur est ainsi rduit sa juste valeur : la fourniture du matriel. Loutil peut galement constituer un simplemoyen de vrification des dimensionnements raliss par les fournisseurs.

Dans un contexte conomique difficile, la phase de chiffrage est primordiale. Endimensionnant la CTA au plus juste, des conomies peuvent tre ralises sur la fourniturede lquipement. La dfinition dun dbit dair par exemple dtermine la taille de la CTA etdonc son prix. Il est important de dterminer correctement ce dbit dair en fonction dubesoin rel et de limposer au fournisseur.

Figure 4Tailles des CTA CAIRplus (GEA HAPPEL)en fonction du dbit dair


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2.2.

On dsigne par Centrales de Traitement dAir, des matriels assurant la climatisation(et la dshumidification), le chauffage et/ou lhumidification de grands locaux ou dun nombreimportant de locaux. Leur construction est souvent modulaire. Cela procure une grande

libert au concepteur au moment o il compose une centrale. Il choisit la position de chaquelment par rapport aux autres et slectionne tous les lments indpendamment. Les CTAsont installs lextrieur des locaux climatiss, par exemple en terrasse ou dans un tagetechnique [1].

Loutil permet de dimensionner une CTA unizone sans traitement terminal. Lair y esttrait et est achemin par un conduit dair basse vitesse (2 7 m/s) et basse pression. Ilest distribu dans le local o la zone traite par un rseau de soufflage. Le dbit dair travers la CTA est constant, la temprature et lhygromtrie de lair souffl varient suivant lescharges du local. On dfinit le local comme tant un espace ayant des charges thermiqueset hydriques identiques et simultanes. Le local peut reprsenter un ensemble de locaux.LaCTA intgre un conduit dextraction. Le dbit souffl est gale au dbit extrait, loutil nepermet pas de mettre le local en surpression (comme cest le cas pour les salles empoussirement contrles ou salles blanches). Lair extrait a les mmes caractristiquesque lair du local.

Chaque lment ou caisson ralise un traitement lmentaire dont la modlisation

utilise pour le programme a t directement inspire du cours intitul Traitement dair (1)dispens par M. FLAMENT en GCE4 [4]. Les lments constitutifs de la CTA et leurmodlisation utilise pour laborer loutil sont rsums sur les pages ci-aprs.

Figure 5Schma dune CTA assurant le chauffage et le refroidissement de lair

sans contrle hygromtrique


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Le rcuprateur dnergieIl permet de rcuprer une part de lnergie sur lair extrait quil transmet lair neuf.

Modlisation :- On suppose le transfert dhumidit nul (contrairement lchangeur par

accumulation ou rgnration qui permet les changes tant de chaleur

sensible que d'humidit) : lvolution de lair humide travers le rcuprateurse fait humidit spcifique constante.

- Fonctionnement possible uniquement pour prchauffer lair neuf, leprogramme ne prvoit pas lutilisation du rcuprateur pour le pr-rafraichissement.

- Les caractristiques de lair en sortie se dduisent de lefficacit thermique durcuprateur (voir partie 3 : Optimisation nergtique : la rcupration dechaleur).

Le caisson de mlangeIl permet de raliser un mlange entre une partie de lair extrait (air recycl) et lairneuf. Il intgre des volets placs sur les conduits dair neuf, dair recycl et dair

rejet. Ces volets rglent les dbits correspondants. Ils sont, le plus souvent,motoriss.

Modlisation :- Les caractristiques de lair mlang se dduisent des bilans enthalpiques et

hydriques faisant intervenir les caractristiques de lair neuf, de lair recycl etles dbits massiques correspondants.

La batterie de prchauffageElle permet de prchauffer lair mlang en hiver afin de protger la batterie froidecontre le gel (si celle-ci fonctionne sans eau glycole). Ce prchauffage estintressant notamment lorsquune batterie de rchauffage, place aprs la batterie

froide (et non pas avant comme cest le cas pour la batterie de prchauffage), estncessaire au contrle de lhumidit du local (dshumidification avec contrlehygromtrique).

Modlisation :- Evolution de lair humidit spcifique constante.

La batterie froideElle assure le refroidissement et la dshumidification. Elle peut tre fluidefrigorigne (dtente directe) mais le plus souvent, elle reoit de leau glace enprovenance dun groupe de production deau glace.

Modlisation :- Lvolution de lair travers la batterie froide se fait avec transfert dhumidit

et de chaleur. La vapeur contenue dans l'air humide se refroidit de la mmemanire que lair sec. La vapeur se condense sur la surface de la batteriefroide dont la temprature de surface est infrieure la temprature de rosede l'air.

- Loutil nintgre pas la possibilit de raliser un refroidissement sec (sanscondensation de lair). Ce type de refroidissement peut tre intressant pourles locaux informatiques ou IRM (o les charges hydriques sont nulles) maisles rgimes deau des batteries froides classiques sont trop faibles pour viterla condensation.

- Lair en sortie de batterie froide est un mlange entre lair lentre de labatterie froide et un air satur la temprature moyenne de surface debatterie.


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La batterie de rchauffageElle assure le complment de chauffage de lair. Elle peut tre compose dersistances lectriques mais le plus souvent, elle est irrigue par de leau chaude enprovenance dune chaufferie ou dune sous-station.

Modlisation :- Evolution de lair humidit spcifique constante.

La rampe dhumidificationLhumidification de lair se fait par injection de vapeur provenant dun humidificateurautonome ou dun rseau de vapeur. Lhumidification est galement possible parpulvrisation deau avec un humidificateur adiabatique.

Modlisation :- Lorsque lhumidification se fait par injection de vapeur, le traitement dair

ralis est reprsent par une isotherme sche. Lair en sortie de caissonsest humidifi mais la temprature est la mme qu lentre.

-

Lorsque lhumidification se fait par pulvrisation deau, le traitement se fait demanire suppose isenthalpique.

Les ventilateurs de soufflage et de repriseIls assurent la circulation de lair dans la CTA ainsi que dans le rseau.

Modlisation :- Les ventilateurs nengendrent aucune transformation de lair except dans le

cas o lair est refroidit par la batterie froide. Dans ce dernier cas, unchauffement de 1C d au ventilateur de soufflage est prendre en compte.

Dautres lments composent une CTA. Les filtres, par exemple, sont essentiels pourassurer la diffusion dun air de bonne qualit ou pour prserver les autres lments (lesbatteries contre le colmatage par exemple). Mais ils nengendrent aucune transformation delair humide. Le programme nintgre pas la notion de filtration.

Figure 6Symboles des lments constituants la CTA, utiliss par loutil

Chauffage Refroidissement Ventilateur Humidification


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Lassociation des ces traitements dair lmentaires permet de conditionner lairsouffl de manire vaincre les charges du local. Selon ces charges et les spcifications dutraitement dair renseignes au pralable par lutilisateur du programme, le programmepropose une solution unique. Sa reprsentation sur le diagramme de lair humide (DAH)figure parmi celles-ci-dessous [3]. Le rpertoire de solutions a fait lobjet dun entretien avecM. Laurence HIGGINSON, responsable dagence Est chez GEA HAPPEL (voirAnnexe 1).

SituationReprsentation

DAHFonctionnement

CTA

Chauffage simpleBatterie chaude(avec ou sans prchauffage)

Chauffageavec contrle hygromtrique

Batterie chaude +Injection de vapeur

Chauffageavec contrle hygromtrique

Batterie chaude +Pulvrisation eau

Refroidissement simple(avec dshu. non contrl)

Batterie froide

Refroidissementavec contrle hygromtrique

Batterie froide +Batterie chaude


Batterie froide +Injection de vapeur


Batterie froide +Pulvrisation eau

2.3.

SupportLoutil daide au dimensionnement a t dvelopp sur Excel et sur Visual Basic(VB). VB est un logiciel de programmation. Il ma permis de crer une interfaceutilisateur, de lassocier un classeur Excel et de pouvoir coder les formules des

cellules du classeur de faon plus aise.

Figure 7Traitements dair utilisspar loutil daide au dimensionnement


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2/ Calcul des caractristiques de lair soufflInterface Projet > onglet Conditions de soufflage

1/ Renseignements des donnes de dimensionnementFeuille Excel Informations gnrales

Clic bouton Nouveau Projet Ouverture interface utilisateur Projet

Dfinition du projet :- Type de Traitement dair- Conditions climatiques- Charges du local- Conditions dambiance- Conditions de soufflage

(2)

(1) Choix de la caractristique de soufflage fixeTemprature OU dbit de soufflage

(2) Entre de cette caractristique

(3) Calcul de la caractristique complmentaire

(4) Bote de dialogue

(1)

(3)

(4)


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Figure 8Description du mode opratoire de loutil daide la conception du traitement dair

Clic bouton Exporter vers Excel Sortie interface utilisateur Projet(sauf erreur)

Chargement des donnes entres dans linterface,sur la feuille Informations gnrales

Clic bouton Modifiersur la feuilleInformations gnrales Chargement des donnes pralablement chargesdans la feuille Informations gnrales,sur linterface Projet

4/ Conception du traitement dairFeuille Excel Informations gnrales

Clic bouton Conception CTA Calcul du traitement dair adapt aux donnes figurant sur la feuilleInformations gnrales

Ouverture de la Feuille Conception CTAo figure les rsultats :- Schma de principe de la CTA ;- Puissance et dbit des lments intervenant dans le traitement dair- Caractristiques de lair en diffrents points

3/ Chargement des donnes sur ExcelInterface Projet> onglet Conditions de soufflage


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Le programme dtient alors toutes les donnes ncessaires aux calculs desconditions de soufflage. On retrouvera les algorithmes de calcul en Annexe 2. Ils sebasent sur les bilans enthalpiques et hydriques du local dtude ainsi que lesexpressions permettant de dterminer toutes les caractristiques de lair partir de 2grandeurs (Annexe 3 : Formulaire de lair humide).

Equations bilanmas x hS + Hsens mas x hA = 0 [kW]

mas x rS x 3600 + Hlat mas x rA x 3600 = 0 [kg/h]

O- les conditions de soufflage hS [kJ/kg], rS [kg/kg] et le dbit massique mas

[kg/s] sont calculs par loutil- les conditions dambiance hA [kJ/kg], rA [kg/kg] et les apports sensibles

Hsens et latents Hlat sont dfinis par le cahier des charges

En cliquant sur le bouton Calculer, lutilisateur dmarre les boucles de calculncessaires la dfinition des conditions de soufflage mais galement dautresboucles ayant dautres fonctionnalits :

- Fonctionnement Tout air neuf Lutilisateur a la possibilit dintgrer un mlange son traitement dair endfinissant un dbit dair neuf. Si celui-ci est suprieur au dbit dair calcul

par le programme, il dtecte lanomalie et prend le dbit dair neuf pourrfrence. Le systme fonctionne alors en tout air neuf et les conditions desoufflage sont recalcules.

- Message Contrle hygromtrique de la dshumidification impossible Le rgime de temprature ou la temprature dvaporation de la batteriefroide est trop lev pour assurer la dshumidification. Autrement dit,lhumidit spcifique de lair satur la temprature moyenne de surface dela batterie est suprieure celle de lair souffl. Le programme ne prend pasen compte le cas prsent.

Figure 10Bilan du local

Air souffl(hS, rS)

Air repris

(hA, rA)

CTA

Apports(Hsens, Hlat)


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- Message Augmenter le dbit dair neuf jusqu Typiquement, il sagit de situation hivernale avec charges thermiquespositives (les apports internes au local sont suprieurs aux dperditions). Lemessage apparat dans la bote de dialogue lorsque le dbit dair neuf doittre augment pour viter de faire fonctionner la batterie froide en pleinesaison de chauffe (volution symbolise par une droite bleue sur le DAH ci-dessous). Le programme recommande alors un dbit dair neuf dans la botede dialogue. Sur le DAH, selon la position du point de soufflage par rapport la droite de mlange (droite reliant le point extrieur et lambiance en noir surla figure ci-dessous), lair mlang devra ensuite tre chauff (droite rouge)ou humidifi.

En calculant les conditions de soufflage, lutilisateur a dfinit entirement sonsystme. La prochaine tape est lexportation des donnes sur la feuille ExcelInformations gnrales. Aprs vrification de celles-ci, la conception de la CTA peuttre lance par un simple clic sur le bouton de commande nomm Conception CTA.Lappui sur ce bouton lance un ou deux modules de codes selon quun ou deuxfonctionnements soient dfinis (voir Annexe 4). Chaque module suit unenchanement chronologique de procdures bien dfini. Chaque procdurereprsente lvolution de lair travers un caisson et prend pour base de calcul lescaractristiques de lair lentre du caisson.

Figure 11Schmatisation du modle utilis pour adapter le dbit dair neuf la situation hivernale avec apport thermique positif

Lgendeext (air extrieur), A (ambiance), E (mlange), S (air souffl)

Dbit dair neuf non adaptUtilisation batterie chaude

ET froide

Dbit dair neuf adaptUtilisation batterie chaude seule

Augmentationdbit dair neuf

A

E

ext S


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Prenons lexemple de la batterie froide. Dans lenchanement du module, elle estprcde par la batterie de prchauffage. La procdure de la batterie froide prendradonc pour base de calcul lair en sortie de la batterie de prchauffage (mme si cettedernire na engendr aucune transformation de lair).

Lvolution de lair travers la batterie froide peut tre modlise par un segment surle DAH. Ce segment est inclus dans un demi-segment qui a pour origine le pointreprsentant lair en sortie de batterie de prchauffage (indice BC) et passant par le

point reprsentant lair satur la temprature moyenne de surface de la batteriefroide (indice ms). La droite correspondante est dfinie par une quation de typeaffine si lon considre la temprature et lhumidit spcifique. En connaissant unedes caractristiques de lair en sortie de batterie froide (tBF ou rBF), il est possible dedfinir entirement cet air grce une des quations ci-dessous :

rBF = rPCtPC)-(tBFtms-tPC

rms-rPC+

tBF = tPCrPC)-(rBFrms-rPC

tms-tPC+

La batterie froide peut tre commande dans diffrentes situations : sans contrlehygromtrique, avec contrle hygromtrique et humidification par injection de vapeur,

avec contrle hygromtrique et humidification par pulvrisation deau. Cettecommande seffectue selon la figure 13 ci-dessous.

extPC

Air souffl

S

Rcuprateurdnergie

Mlange

Batterie deprchauffage

Batterie froide

Batterie derchauffage

Humidificateur

Air neuf

extAir recycl

R

E

PC

BF

RC

Figure 12Enchanement des procdures

au sein dun module

Lgende

Procdure

Indice de lair(utilis par le programme)


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Action batterie froide nulle

Entre = Sortie :tBF = tPCrBF = rPC

Caisson invisible

NON

Besoin en froidtE


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Figures 14- Cahier des charges du localmlange, envoy auxfournisseurs *ND = Non Dfini- Rsultats obtenus par loutildaide la conceptionconstructeurs.

Situation t

Temprature extrieure [C] 35

Humidit extrieure [%] 40

Charges sensibles [kW] 100

Charges latentes [kg/h] 0

Volume local [m3] 4150Temprature intrieure [C] 29

Humidit intrieure [%] 50

Contrle hygromtrique non

Rcupration d'nergie non

Dbit d'air neuf [m3/h] 100%

Temprature de soufflage [C] ND

Dbit soufflage [m3/h] 30000

Cahier des charges

2.4.

Tout programme informatique ncessite une phase de validation. Cette phase permetde sassurer que les rsultats obtenus correspondent bien ceux attendus.

Pour ce faire, les rsultats obtenus par le programme vont tre compars avec ceux

obtenus chez les fournisseurs suite des consultations lors de projets concrets.

Prenons les cas du projet de rnovation du traitement dair dans deux locaux deproduction chez KNORR, DUPPIGHEIM. Linstallation existante du premier local, le local mlange , est constitue de climatiseurs indpendants au R22 (fluide frigorigne dontlutilisation sera proscrite ds 2015). Le traitement dair du second local se fait via plusieursCTA vtustes et la production de froid est assure par des batteries dtente directefonctionnant galement au R22. Par ailleurs, dans les deux locaux, la puissance froid desinstallations est insuffisante.

COFELY exploite les installations nergtiques du site industriel (chaufferie vapeur,production deau glace) et a dcid de proposer un budget travaux pour la rnovation dutraitement dair des 2 locaux. A cette occasion, des consultations ont t lances auprs de

nos fournisseurs. Tous ont reu les mmes cahiers des charges. TRANE et GEA HAPPELont rpondu notre demande.

Local mlange


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21

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

t 19,2 14 27,1 16,0 20,0

hiver x x x x x

30000 30000 0,0 30000 0,0

30000 30000 0,0 30000 0,0x x x x x

Puissance batterie froide [kW] 284 338 18,8 308 7,6

Puissance rchauffage [kW] x x x x x

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

Outil d'aide

Ture de

soufflage [C]

Dbit soufflage [m3/h]

Dbit d'air neuf [m3/h]Puissance prchauffage [kW]

Conception CTAGEA TRANE

Commentaires- Les carts relatifs sont non ngligeables puisquils avoisinent les 20% (jusqu

29% dcart entre la temprature de soufflage GEA et celle de loutil).

- Ralisons le bilan du local avec les donnes GEA (voirAnnexe 5) :tS = 14C, phiS = 93,6% hS = 38 kJ/kg, VS = 0,825 m3/kg

tA = 29C, phiA = 50% hA = 62 kJ/kgmas = QvS / (VS x 3600) = 10,1 kg/s

Hsens = mas x (hA hS) = 191,1

La charge sensible vaincue par le systme GEA (191 kW) est presque deuxfois plus grande que celle spcifie dans le cahier des charges (100 kW).

- Le systme TRANE (voirAnnexe 6) se rapproche davantage des rsultats de

loutil mais il est galement surdimensionn.

Figure 16

CTA local mlange propos par TRANE, vue de dessus

Figure 15Tableau de comparaison entre les rsultats de loutil daide la conception et desfiches techniques constructeurs. Les carts relatifs des donnes constructeurs sontcalculs par rapport aux rsultats de loutil

Extracteur

SoufflageFiltre G3 Batterie froide Sparateur de gouttelettes - Ventilateur


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22

Local conditionnementLes besoins de ce local sont tels quils ont t divis par deux. Le traitement dair estassur par deux CTA identiques. Chaque CTA est conu de manire satisfaire lecahier des charges suivant :

Situation t hiver

Temprature extrieure [C] 35 -15

Humidit extrieure [%] 40 90

Charges sensibles [kW] 400 -250

Charges latentes [kg/h] 0 0

Volume local [m3]

Temprature intrieure [C] 29 22

Humidit intrieure [%] 50 50

Contrle hygromtrique

Rcupration d'nergie

Dbit d'air neuf [m3/h]

Temprature de soufflage [C] 14 ND


Cahier des charges

30% du dbit souffl

non

non dfini

18300

changeurs glycol

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

t 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 rchauffage [kW] 388 537 38,4 366,0 6,0

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

TRANEGEAOutil d'aide

Dbit d'air neuf [m3/h]


Ture de

soufflage [C]

Puissance prchauffage [kW]

Conception CTA

Commentaires- Les carts relatifs sont relativement faibles : moins de 8% sur toutes les

donnes TRANE (voirAnnexe 7).- Seule la puissance de la batterie chaude de la conception GEA prsente plus

de 35% dcart relatif avec celle donne par loutil daide. La puissance de labatterie chaude GEA est surestime. Ceci sexplique par le fait que GEA napas pris en compte la rcupration dnergie dans son dimensionnement.Lentre dans la batterie chaude se fait 16,4 C selon loutil daide (16,9Cselon la fiche technique TRANE) alors quelle se fait 10C selon la fichetechnique GEA (voirAnnexe 5).

Figures 17- Cahier des charges de chacune des deux CTA du local conditionnement,envoy aux fournisseurs- Tableau de comparaison entre les rsultats de loutil daide la conception etdes fiches techniques constructeurs


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Au vu des rsultats de cette tude comparative, on peut valider un des objectifs duprogramme : le contrle du dimensionnement ralis par les fournisseurs. Dans lecas du local conditionnement, les carts relatifs par rapport aux donnes constructeursont faibles (de lordre de 10% dans le cas de la conception de la CTA du localconditionnement chez KNORR). Nanmoins, dans certains cas de figure, on note des

carts plus importants (local mlange KNORR). Ils soulignent non pas une erreur decalcul du programme mais bien un surdimensionnement ralis par les constructeurs.Lerreur relative provient des conditions de soufflage. En reprenant le bilan du localmlange chez KNORR avec les conditions de soufflage propos par GEA, onsaperoit que le cahier des charges initial na pas t scrupuleusement respect.

Figure 181 des 2 CTA local conditionnement propos par GEA, vue de dessus

(les batteries de rcupration ny sont pas reprsentes tant donn quellessintgrent en gaine)

F5

130

70860

30

2740

130

30860

F5

30

3060

130

C-1120-W

830

1460

130C-1120-W 130

60

3120

60

3240

130

60 640 27303300 (1) M

1200 960 40 10003200 (2) M

6 40 440200 8802160 (3) M

2660

130

2660 (4 ) M11450

ExtractionFiltre F5 Ventilateur - Mlange

SoufflageMlange - Filtre F5 Batterie chaude Batterie froide Ventilateur

Air neuf

Airrecycl


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3. :

3.1.

La rcupration dnergie est un procd qui permet de tirer partie de lnergie de

lair rejet. Elle permet de raliser un prchauffage de lair neuf (ou un pr-rafrachissementselon les cas). Diffrentes technologies permettent cette rcupration :

Lchangeur plaquesSystme de rcupration dnergie par change direct de chaleur au travers deplaques dchanges. Les deux flux dair croiss (air neuf et air rejet) passent lun cot de lautre spars par des plaques en aluminium. Son efficacit thermique sesitue entre 50 et 60%. Il sagit dun systme fiable (absence de panne et grandedure de vie) mais il y a ncessit damener les rseaux dair neuf et dair rejet secroiser. Par ailleurs, pour viter les surchauffes en t, il faut prvoir un by-pass delchangeur.

Le rcuprateur caloducsSystme de rcupration compos dune batterie dans laquelle un fluide frigorignechange dtat. Il absorbe la chaleur en partie basse et se transforme en gaz qui migreen partie haute. En partie haute, il cde la chaleur lair neuf et se condense. Sonefficacit thermique se situe entre 45 et 55%. Il prsente les mmes inconvnientsque lchangeur plaques. Les deux flux dair doivent tre superposs et le flux dairneuf doit tre en partie haute.

Figure 19

Photo dun caisson de rcupration changeur plaques [6]

Figure 20Photo dun rcuprateur caloduc [6]


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Lchangeur roueSystme de rcupration par stockage dnergie sur une roue munie dun changeur.Lair rejet cde une partie de sa chaleur la roue qui aprs un demi tour, latransfre lair neuf. Son efficacit thermique se situe entre 65 et 75%. Pouraccrotre le rendement, lchangeur peut tre imprgn dun produit hygroscopiquequi permet le transfert dhumidit entre les deux flux dair. Le systme prsente unrendement lev de rcupration mais il ncessite damener les rseaux dair neuf etdair rejet au mme endroit. Par ailleurs, il intgre un lment tournant ce quiimplique un entretien du systme dentranement. Il est galement encombrant peutprovoquer une contamination de lair neuf par lair vici.

Lchangeur accumulateur de chaleurSystme de rcupration par accumulation dnergie dans des changeurs. Un voletpermet dinverser, toutes les minutes, le cycle de lair. Lnergie stock pralablementest utilise pour chauffer lair neuf. Son rendement exceptionnel est compris entre 85et 95%. Ceci sexplique par le fait que lhumidit est galement rcupre. Il permetgalement de pr-rafrachir lair neuf en t. Cependant son cot dinvestissementreste trs lev et les flux dair sont en contact (contamination).

Figure 21

Photo dun changeur roue [6]

Figure 22Schma de principe du rcuprateur accumulateur de chaleur [6]


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Le rcuprateur eau glycole (voir partie 3.2)Ce systme de rcupration fait lobjet dune tude plus approfondie, dtaille ci-dessous.

Plusieurs facteurs influencent le choix technologique de la rcupration : budget duclient, configuration du site, possibilit de croiser les flux ou non, nature du local (pour unesalle blanche, par exemple, les rcuprateurs incluant un risque de contamination de lairneuf seront proscrits).

Le projet de rnovation du traitement dair dans le local conditionnement chezKNORR (voqu en partie 2.4) prvoit 2 CTA quips chacune dun rcuprateur eauglycole. Ltude qui suit va permettre de justifier ce choix technologique dans un premiertemps. Ensuite, nous verrons les diffrentes tapes du calcul du TRI (temps de retour surinvestissement) li la fourniture et la pose dun seul de ces rcuprateurs.

3.2.

Le rcuprateur eau glycole est constitu de deux batteries (ou changeurs)places l'une dans le rseau d'extraction, l'autre dans le rseau damene dair neuf. Ellesont lavantage de pouvoir se placer en CTA ou en gaine dair. Les batteries de de soufflageet d'extraction sont relies entre elles par un circuit de tuyauteries comprenant notammentune pompe de circulation. Dans le circuit ainsi constitu circule de l'eau glycole (antigel). Cefluide caloporteur sert de vecteur de transport des calories puises dans l'air extrait (chaud,par ex : 20C) vers l'air neuf (froid, par ex : - 10C).

Malgr une efficacit nergtique relativement modeste (entre 40 et 60%) compar celle dun changeur rotatif par exemple (entre 60 et 95%), le choix du rcuprateur eauglycole se justifie trs souvent car sa mise en uvre bnficie dune grande souplesse etnotamment en rnovation :

Lorsque les CTA sont remplaces par des nouvelles mais les rseaux de soufflage etdextraction sont maintenues (cas du projet KNORR). Dans ce cas, le concepteur nadautre choix que de proposer la mise en place de rcuprateur eau glycole parcequil na pas la possibilit damener les flux dair neuf et dair rejet au mme endroit.

Lorsque le projet consiste intgrer la rcupration dnergie sur une CTA et desrseaux existants. Les batteries de rcupration se placent alors en gaine.

Figure 23Schma du rcuprateur eau glycol

Air Rejet Air extrait

Air neufprchauff

Air Neuf


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27

3.3. :

La prsente tude vise dterminer les conomies annuelles potentiellementralisables grce la rcupration dnergie et den dduire un temps de retour sur

investissement. Au pralable, une estimation des cots dexploitation sajoutant au surcotli la pose et la fourniture des quipements est ncessaire.

On verra galement les modifications apporter sur le circuit deau glycole dans lebut damliorer linstallation. On dmontrera notamment lintrt dune V3V motorise tantsur le plan nergtique que prventif (protection contre le gel).

Pour ltude, on utilisera les caractristiques du rcuprateur prconis par GEA, undes fournisseurs sollicits pour le chiffrage.

Marque GEA HAPPEL ECOFLOW

Type Batterie eau glycole 30%Montage Extrieur1 changeur sur lair extrait + 1 sur lair neufPanoplie circuit hydrauliqueBac condensats

Hiver Rendement 57.7%

Puissance 170.4 kW

Echangeur sur Air neuf Air extrait

Matriau Cadre Acier galva

Tube Cu

Ailette AlType des tubes SD211/100

Rangs / circuits [RR/WW] 8/18

Pas d'ailettes mm 2.10

Raccords int. / ext. Extrieur

Raccordements DN 1 x 50

Contenance l 68

Air Dbit m/h 24000

Perte de charge Pa 181 195

Temp. Entre / H.R. C/% -15.0/90 22.0/45

Temp. Sortie / H.R. C/% 6.3/16 5.5/100Dbit condensats kg/h 0.0 52.4

Eau glycole Dbit m/h 8.2

Entre/Sortie C/C 15/-5 -5/15

Perte de charge kPa 61.5


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3.3.1.

Fourniture et pose des quipements

Dans le cadre de ltude pour llaboration du budget travaux, un budget vente

optionnel de 86.478,93 est prvu pour la rcupration. Ce montant reprsente uninvestissement supplmentaire pour le client qui lui permet dassocier sontraitement dair une rcupration dnergie. Ce traitement dair fait appel 2 CTAidentiques et donc 2 systmes de rcupration, soit 43.239,465 le systme.Ce montant comprend la pose et la fourniture :

- des deux caissons de rcupration intgres en gaine dair (comprenantnotamment les batteries et une filtration sur lair neuf) ;

- de lensemble du circuit hydraulique en DN50 (pompe, vannes darrts, vannede rglage, vase dexpansion 30 L, pot dinjection de glycol, purgeur )

Dans cette premire partie, le systme ne comprend pas de V3V sur le circuithydraulique, la pompe est commande en tout ou rien : la puissance rcupre est

maximum ou elle est nulle (pompe larrt). Cette pompe est pilote par unrgulateur. Ce rgulateur calcule un diffrentiel de temprature T entre latemprature de lair neuf et celle de lair rejet. A partir dune certaine valeur de cediffrentiel, il met en marche la pompe.

Figure 24Schma du circuit hydraulique du rcuprateur eau glycole sans V3V

AIR NEUF

AIR REJETE

T


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Figure 25Schmatisation des fluxdair travers la CTA

Estimation du temps de fonctionnement de la rcupration

Pour connatre lnergie lectrique en [kWh] consomme par la pompe sur lanne2010 (anne dtude), il faut estimer sa dure de fonctionnement.

La situation limite de fonctionnement de la rcupration correspond la situation laquelle la temprature de lair issu du mlange entre lair recycl et lair neufprchauff est suprieur la consigne de soufflage. Lobjectif de cette partie est detrouver ce point de fonctionnement limite.

Lefficacit thermique du rcuprateur, suppos constante (57,7%), est dfini par

lexpression suivante :tt

ttneufairrejetair

neufairprchauffneufairE

=

On en dduit lexpression de la temprature dair neuf prchauff en fonction de lairneuf (la temprature de lair rejet tant pris 22C).Lair neuf prchauff est ensuite mlang avec lair recycl suivant la relation

suivante :80000

5600024000 tt

t

recyclairprchauffneufair

mlangair

+

=

O la temprature de lair recycl est prise 22C. On peut donc dfinir uneexpression de la temprature de lair mlang en fonction de lair extrieur (en bleufonc sur le graphique).

Air souffl

80000 m3/h

Air extrait22C

80000 m3/h

CTA

Rcuprateur

Air neuf

24000 m3/h

Air rejet22C

24000 m3/h

Air neuf prchauff

24000 m3/h

Air recycl22C

56000 m3/h

Batteriechaude

Airmlang


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En CTA, la rgulation du chauffage se fait comme dcrit ci-dessous :- Une consigne dambiance de 22C en saison hivernale ;- Une temprature de soufflage de 30C pour -15C extrieure ;- Une temprature de non chauffage de 16C.

La consigne est symbolise par la droite rose sur le graphique ci-dessous :

15,0

20,0

25,0

30,0

-15 -12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 15

text [C]

Temprature aprs mlange

et rcupration

Consigne de temprature

soufflage obtenue par 2

points : (-15,30) et (16,16)

Sur le graphique, les deux droites se croisent au point limite de fonctionnement de larcupration (7 ; 20,1). En faisant fonctionner la rcupration au-del dunetemprature extrieure de 7C, il y a risque de surchauffe. Le diffrentiel T derglage est donc gale 22 - 7 = 15C. En-dessous de celui-ci, larrt de la pompeest command.

Les caractristiques (temprature et humidit) de lair neuf (non prchauff) surlanne 2010 proviennent de Mtonorm. Les valeurs sont donnes heur par heure.La temprature extrieure est infrieure 7C pendant 3307 heures soit plus de 137jours.

Avec une puissance absorbe par la pompe de 0,906 [kW], lnergie consomme estde 2294 [kWh] sur lanne 2010. A 92 c/kWh lectrique, le cot dexploitation li lacirculation de la pompe sestime 275,48 /an (ce qui est largement ngligeablecompar linvestissement que reprsente loption rcupration).

Cots dexploitation : Estimation de la consommation lectrique de la pompe sur lecircuit hydraulique

Pour ce faire, une consultation t faite auprs de SALMSON.Les spcifications sont les suivantes :HMT = 12,3mCE (correspondant la somme des pertes de charges cot eauglycole des 2 changeurs)Dbit = 8,2 m3/h (dbit donn par le fabricant des changeurs, GEA)

Figure 26Evolution de la consigne de soufflage en fonction de la temprature extrieure (droite rose)Evolution de lair mlang aprs passage de lair neuf dans le rcuprateur rendement constant(droite bleu marine)


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Dans loffre propose par SALMSON, la courbe n3 se rapproche le plus du point defonctionnement recherch : HMT=12,3mCE et dbit = 8,2 m3/h. Pour corriger lcart,un robinet de rglage sera plac avant la pompe.Loffre SALMSON nous donne la puissance absorbe par le moteur : 0,906 kW

Figure 27Fiche technique de la pompe utilise sur le circuit hydraulique de la rcupration


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Cot dexploitation : Estimation de la surconsommation lectrique des ventilateurs

La mise en place dun changeur supplmentaire dans le conduit damene dair neufa pour consquence daccrotre les pertes de charge (PdC) de 181 [Pa] (donneGEA).Sans rcupration, les PdC sont values 523 [Pa] (rseau de soufflage +lments constitutifs de la CTA).

On obtient ainsi 2 points de fonctionnement du ventilateur :- Sans rcupration : 523 [Pa], 80000 [m3/h]- Avec rcupration : 704 [Pa], 80000 [m3/h]

Le ventilateur NTHZ 1120 T1 slectionn prsente un rgime de fonctionnementdcrit par le diagramme qui suit.


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Figures 28Diagramme de fonctionnement du ventilateur de soufflage avec, en rouge, les 2 points de fonctionnement

80

704

523


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Par lecture sur le diagramme, on obtient une puissance absorbe de 19,8 [kW] sansrcupration (15 [kW], 76%) et une puissance absorbe de 22,7 [kW] en ajoutant lespertes de charge de la batterie de rcupration (18,5 [kW], 82%). Soit une diffrencede puissance lectrique de 2,8 [kW].

Le ventilateur de soufflage fonctionnant toute lanne et la rcupration ntant pasbipasse, la surconsommation de 2,8 [kW] est rpercuter mme lorsque larcupration est larrt. Soit une surconsommation lectrique de 24.528 [kWh]. A92 c/kWh lectrique, le cot dexploitation li la surconsommation du ventilateursestime 2.256,58 /an.

3.3.2.

Diminution des consommations de chauffage

La rcupration dnergie permet le prchauffage de lair neuf pour des tempraturesextrieures infrieures 7C soit 3305 heures en 2010.

Pendant les heures de fonctionnement de la rcupration, il est possible de retrouverla puissance rcupre partir de la temprature de lair extrait (22C) et de celle delair neuf (donnes mtonorm). Heure par heure, on dtermine la temprature delair neuf prchauffe grce lefficacit du rcuprateur puis la puissance derchauffage de lair grce la formule P=0,34 x QvAN x T [W].En sommant les puissances calcules heure par heure, on obtient une nergieconomise annuelle en [kWh].Il en rsulte une conomie dnergie de 317,5 [MWh].

En supposant le rendement de production de la chaufferie de 85% et le prix du MWhPCS de gaz 22,7 , les conomies ralises par la rcupration en modeprchauffage seul svaluent 9.412,80 /an.

Diminution des consommations de climatisation

En mode rafraichissement, il est intressant de faire fonctionner les batteries dercupration lorsquil y a un besoin de rafraichissement (la temprature ambiante estsuprieure sa consigne) et lorsque la temprature extrieure est suprieure latemprature ambiante (condition essentielle pour rafraichir lair neuf).

On peut noter ici que le free-cooling a un fonctionnement complmentaire : lair neufdoit tre plus froid que lair ambiant.

Et tout comme le free-cooling, la rcupration dnergie peut tre enclenche avantque le systme de climatisation ne se mette en marche. Effectivement, si larcupration est utilise pour rafrachir le local, elle doit pouvoir senclencher sur uneplage de temprature ambiante bien plus large que celle de la batterie froide (si lesconditions extrieures le permettent).

Ainsi, mme lorsque la batterie froide est larrt, la rcupration rafrachissante participe aux conomies dnergie en pr-refroidissant le local. De ce fait, lvaluation

des conomies dnergie est relativement dlicate.


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Par ailleurs, pour des raisons inconnues, les fournisseurs ne prconisent pas larcupration eau glycole en t pour le rafraichissement de lair neuf. Selon GEAHAPPEL, elle est possible mais leur chiffrage ninclut pas de bac de rcupration descondensats sous les deux batteries de rcupration (voirAnnexe 6): seule la batteriesur lair rejet en est munie. Or, en faisant tourner la rcupration en t, lacondensation se fait au niveau de la batterie place sur la conduite dair neuf(refroidissement + dshumidification).

Prise en compte de la rcupration dans la conception

Si la rcupration est prise en compte dans la conception de la CTA, une diminutionde la puissance de la batterie chaude est prendre en compte. Elle implique unediffrence dinvestissement de la batterie chaude favorable et donc des conomiesfinancires supplmentaires (ce nest pas le cas de la prsente tude).

3.3.3.

Le TRI prend en compte : Le cot dinvestissement li la rcupration dnergie ; Les cots dexploitation : la consommation lectrique engendres par la pompe sur le

circuit hydraulique et la surconsommation des ventilateurs ; Les conomies dnergie faites sur le chauffage uniquement

sans V3V

3305

96,1

317,5

414,7

9412,80

43239,47

[kWh/an] 2994,3

[/an] 275,48

[kWh/an] 49056

[/an] 4513,15

5,1

heures de fonctionnement [h/an]

puissance moyenne [kW]

nergie rcupre [MWh/an]

gaz conomis [MWh/an]

conomies ralises [/an]

investissement []

TRI [ans]

rcuprateur eau glycole

cots pompe

cots ventilateur

Avec un tel temps de retour (5,1 ans), le client ne risque pas de vouloir prendre loption de

rcupration dnergie. Pour diminuer ce dlai plusieurs solutions soffrent nous : Diminuer le budget li la rcupration au dtriment de sa rentabilit pour COFELY ; Augmenter la part dair neuf mais la conception de la CTA serait diffrente et

intgrerait des lments plus nergivores ; Intgrer une vanne trois voies sur le circuit hydraulique de rcupration.


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36

3.4. 3

3.4.1.

La mise en place dune vanne trois voies sur le circuit deau glycole permet dlargir

la plage de fonctionnement de la rcupration tout en vitant de dpasser la temprature deconsigne.

En effet, en mi-saison et en t, pour viter la surchauffe de l'air la sortie durcuprateur : il faut rduire l'change pour viter que la temprature de l'air neuf deviennetelle qu'elle contribue surchauffer l'ambiance intrieure. La V3V permet donc de moduler lapuissance et donc de faire fonctionner la rcupration au dessus des -8C extrieur(contrairement au fonctionnement en TOR, sans V3V).

En hiver, elle permet dviter le gel du ct de l'air rejet : si l'change est tel que latemprature de l'air extrait chute sous 0C, il faut rduire le transfert de chaleur pour viter legivre de l'changeur. Sans V3V, il y a un risque de colmatage de la batterie. En secolmatant, la batterie risque dempcher le passage de lair rejet et, de ce fait, dgrader laqualit de lair intrieur. Cependant, il sagit dune situation extrmement rare : dans le casdu projet KNORR par exemple, dans la situation limite dhiver, lair est rejet 5,5C.

3.4.2.

En demi-saisonLa grandeur de rglage auxiliaire prpondrante est alors la temprature desoufflage. On utilise alors comme ensemble rgleur la vanne 3 voies. S'il fautrduire la puissance de l'changeur, on diminue alors le dbit d'eau glycole encirculation dans l'changeur sur l'air neuf. Dans les cas extrmes, la vanne se ferme

compltement et la pompe de circulation s'arrte.

En tLorsqu'en t la temprature extrieure augmente, la diffrence avec la tempraturede reprise augmente galement car mme si l'on admet une temprature intrieureplus leve, cette dernire augmente moins vite que la temprature extrieure. Il estdonc tout fait judicieux de rcuprer du "froid" de l'air repris pour le transfrer l'airneuf. La pompe de circulation est alors mise en route en fonction de l'cart detemprature entre la temprature de l'air neuf et celle de l'air repris. La vanne 3 voiesfonctionne alors en rglage simple (passage direct de l'eau sans mlange nidrivation).

Figure 29Schma dun rcuprateur eau glycole intgr en CTA

avec montage dune V3V sur le circuit hydraulique


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En hiverLorsque la temprature extrieure est basse, la temprature du fluide intermdiairepourrait tomber en dessous de 0C. En fonction de l'tat de l'air repris, il n'est pasimpossible que l'changeur de chaleur sur lequel circule l'air repris se mette geler.Pour viter une telle situation et ses graves consquences, on prvoit un thermostatantigel qui n'est autre qu'une sonde de temprature place sur le conduit arauliqueen amont de l'changeur. En fonction de ses indications, la vanne 3 voies ragit defaon rduire le dbit-masse de fluide intermdiaire qui circule dans l'changeur dechaleur travers par l'air neuf, d'o une diminution de la quantit de chaleurtransfre. [5]

Figures 30Schma du circuit hydraulique du rcuprateur eau glycole avec V3V

T

R Consignetempraturede souffla e

AIR REPRIS

AIR NEUF


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38

3.4.3.

Contrairement au systme sans V3V, la rcupration peut se faire au-del dunetemprature extrieure de 7C en modulant la puissance rcupre. Au-del des 7Cextrieure, lefficacit nergtique du rcuprateur chute. Avec la V3V, les limites de

rcupration sont repousss jusqu une temprature extrieure de 10C. Le diffrentiel Tde commande de la pompe est rduit : sa valeur est de 22 10 = 12C

Lorsque la temprature extrieure est suprieure 10C, la rcupration nest pluspossible car le mlange est suffisant : il apporte lnergie ncessaire lobtention de latemprature de consigne et mme davantage.Exemple : pour une temprature extrieure de 11C, sans rcupration, la temprature de

lair mlang est de C18,780000

22560001124000=

+. Pourtant, cette temprature

extrieure, la consigne nest que de 18,3C ! Typiquement, on entre dans la plage defonctionnement du free-cooling.

Evolution des caractristiques de l'air au cours de l'anne 2010

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

01/201

0

02/201

0

03/201

0

04/201

0

05/201

0

06/201

0

07/201

0

08/201

0

09/201

0

10/201

0

11/201

0

12/201

0

Tureext.[C]

0

20

40

60

80

100

Hygroe

xt.[%]

Zone de

fonctionnement

de la rcupration

d'nergie

(avec V3V)

Figures 31Description du traitement dair fonction de la temprature extrieure

Figures 32Evolution des tempratures dair extrieur au cours de lanne 2010 avec, en fond rouge, le

fonctionnement du rcuprateur eau glycole sans V3V

-15 7 10

Text [C]

Fonctionnement de la batterie chaude

Fonctionnement de la rcupration (avec V3V)

Fonctionnement du Free-Cooling (augmentation du dbit dair neuf)

26


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39

3.4.4.

sans V3V avec V3V

3305 4471

96,1 81,5

317,5 364,4414,7 475,8

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]

nergie rcupre [MWh/an]gaz conomis [MWh/an]

conomies ralises [/an]

investissement []

TRI [ans]

rcuprateur eau glycole

cots pompe

cots ventilateur

Lintgration dune vanne trois voies sur le circuit de rcupration nous a permisdaugmenter le temps de fonctionnement du rcuprateur et donc sa rentabilit. Le temps de

retour est rduit de presque un an par rapport au systme sans vanne trois voies.

Pour conclure sur cette tude mene sur la rcupration eau glycole, on proposede faire le bilan de chauffage sur lanne 2010 en supposant la rcupration existante.Lobjectif est de dterminer la part dconomie ralise par rapport au besoin en chauffagetotal. Ce-dernier se dfinit comme tel [11] :

Tb)(Ti

DJ1624DepE

=

O-

E est lnergie ncessaire au chauffage en [kWh] (=2 x 250 soit 500 kW)- Dep est la somme des dperditions thermiques en [kW]- 24 est le nombre dheures dutilisation par jour (on suppose donc quil nya

pas de ralentit de nuit : fonctionnement nocturne de la production)- DJ16 est le nombre de Degr-Jour de base 16C, la temprature de non

chauffage (2484 sur lanne 2010)- Ti est la temprature ambiante (22C)- Tb est la temprature extrieure de base (-15C)

On obtient une nergie de chauffage de 806 [MWh]. Or 364 [MWh] sont fournis par larcupration dnergie (systme avec V3V). Le bilan est illustr par le graphique ci-dessous :

Economies prvisionnelles du chauffage

(bases sur l'anne 2010)

45%

55%

364,4 [MWh] d'nergie "gratuite"

fournit par la rcupration (avec V3V)

441,2 [MWh] d'nergie

fournit par la batterie chaude

Besoin chauffage total 806 [MWh]


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40

4.

Lobjectif de ce PFE est dapporter au dpartement travaux de COFELY les lmentsncessaires la conception dune CTA. Le travail ralis consistait standardiser unedmarche de conception et de lautomatiser grce un programme informatique.

La mthode de conception est celle qui ma t enseigne durant mes annesdtude. Elle se dcompose en trois grandes lignes

Une premire phase de saisie des donnes de dimensionnement (charges du local,type de traitement dair : contrle hygromtrique ou non, conditions dambiance etconditions limites extrieures) ;

Une phase de calcul des conditions de soufflage : dtermination de la temprature desoufflage et du dbit dair souffl dans le local ;

Une phase de conception de la CTA et de calcul de la puissance et du dbit desdiffrents lments constituants la centrale.

Le programme informatique daide la conception des CTA a t dvelopp surExcel. Les deux premires phases de la dmarche de conception se font sur une interface

utilisateur qui rend le logiciel plus intuitif. Il est dautant plus simple daccs que cetteinterface comporte des boutons daides. Exemple : sur longlet correspondant la phase decalcul des conditions de soufflage, le concepteur a la possibilit douvrir une fentre danslaquelle apparaissent des tableaux le guidant dans son choix du dbit ou de temprature desoufflage.

Jai eu loccasion de pouvoir tester loutil sur un projet concret. Pour chiffrer ce projet,des consultations ont t faites auprs de fournisseurs de CTA. Ainsi, les rsultats obtenuspar le programme ont t confronts aux fiches techniques de GEA et TRANE, deuxfournisseurs partenaires de COFELY. Les rsultats sont satisfaisants puisque les cartsrelatifs par rapport aux donnes techniques des fournisseurs sont relativement faibles (delordre de 10% dans le cas de la conception de la CTA du local conditionnement chezKNORR). Nanmoins, dans certains cas de figure, on note des carts plus importants (localmlange KNORR). Ils soulignent non pas une erreur de calcul du programme mais bien unsurdimensionnement ralis par les constructeurs. Lerreur relative provient des conditionsde soufflage. En reprenant le bilan du local mlange chez KNORR avec les conditions desoufflage propos par GEA, on saperoit que le cahier des charges initial na pas tscrupuleusement respect. On peut affirmer que le logiciel rpond un de ces objectifs : lecontrle du dimensionnement ralis par les fournisseurs.

La seconde partie du PFE propose une tude sur le rcuprateur eau glycole. Ilsagit dune technologie de rcupration dnergie particulirement adapte la rnovationde part sa flexibilit de mise en uvre. En effet, le rcuprateur est compos de deux

changeurs air-eau indpendants que lon peut placer distance lun de lautre, en gaine ouen CTA.Ils existent deux types de rgulation possibles : avec ou sans vanne trois voies sur le

circuit deau glycole. Le PFE met en avant le rle de la V3V : Prvention contre le colmatage de lchangeur plac sur lair extrait Rcupration dnergie plus importante

Prenons le cas du projet du local conditionnement chez KNORR. Sans risque desurchauffe du local, le systme sans V3V peut fonctionner pour des tempraturesextrieures infrieures 7C. Avec V3V, il permet de rcuprer jusqu 10C extrieure. Laplage de fonctionnement du systme avec V3V est donc plus importante et permet degagner presque un an sur le TRI du systme complet.


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X indice faisant rfrence un environnement= A (ambiance), S (soufflage), E (mlange),BF (sortie de batterie froide), PC (sortie de la batterie de prchauffage), ext

(extrieur)QvS dbit de soufflage [m3/h]dtS cart de soufflage [K]Hsens charges sensibles [kW]Hlat charges latentes [kW]tX temprature du local [C]phiX humidit relative [%]mas dbit spcifique dair souffl[kg/s]hX enthalpie spcifique [kJ/kg]rX humidit spcifique [kg/kg]VX volume spcifique [m3/kg]tms temprature moyenne de surface de la batterie froide [C]

rms humidit spcifique de lair sature tms [kg/kg]

Contr. ContrleHygro. HygromtriqueDshu. DshumidificationHumidif. Humidification


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42

5.

[1] Jacques BOUTELOUP et al : Les Systmes, collection Climatisation etConditionnement dair, Les ditions parisiennes, Tours 1998, 247 pages

[2] Jacques BOUTELOUP et al : Traitement dair, collection Climatisation etConditionnement dair, Les ditions parisiennes, Tours 1996, 166 pages

[3] www.dimclim.fr

[4] Bernard FLAMENT : Traitement dair (1) Support de cours GCE3, INSAStrasbourg, 2009-2010

[5] Bernard FLAMENT : Traitement dair (2) Support de cours GCE4, INSAStrasbourg, 20010-2011

[6]www.energieplus-lesite.be

[7] Sites fournisseurs :gea-happel.frrobatherm.frtrane.frciat.frsauter.fr

[8] Sites pour consultation des forums et apprendre la programmation sur Visual

Basic : developpez.comexcel-downloads.comcommentcamarche.net

[9] Franck P. INCROPERA et al : Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6medition, John Wiley & Sons edition, Etats-Unis 2007, 997 pages

[10] P. DAL ZOTTO : Mmotech gnie nergtique, 3me

dition, EditionsCASTEILLA, Paris 2003, 607 pages

[11] Grard DU CHESNE : Energie et techniques nergtiques Support de coursGCE5, COSTIC Saint Rmy Ls Chevreuse, 2010


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6.

Annexe 1 Compte-rendu de lentretien avec M. HIGGINSON, GEA HAPPEL

Annexe 2 Algorithmes VB Calcul des conditions de soufflage

Annexe 3 Formulaire de lair humide

Annexe 4 Algorithmes VB Module de conception du traitement dair(fonctionnement 1)

Annexe 5 Fiches techniques GEA CTA Mlange

Annexe 6 Fiches techniques GEA CTA Conditionnement

Annexe 7 Fiches techniques TRANE CTA Mlange KNORR

Annexe 8 Fiches techniques TRANE CTA Conditionnement KNORR

Annexe 9 Compte-rendu de lentretien avec M. BONIN, SAUTER

Documents

Synthèse Conception Et Optimisation Des Installations de Traitement d'Air