Par Alain GARNIER ingénieur et directeur du bureau d'études GARNIER à Reims.
Cette chronique fait suite à celle dénommée «Et si on s'attaquait aux économies d'énergie dans l'industrie ?». Elle examine le cas concret d'une usine existante comme il y en a tant d'autres.
Les besoins et les solutions
Voici de façon résumée, le contenu des installations en place de l'exemple concret qui nous servira de référence.
- Production de chaleur centralisée à partir de deux chaudières non à condensation équipées de brûleurs gaz à deux allures 60/100% : le rendement chaudière et de génération sont faibles, les pompes à débit fixe entraînent des consommations électriques importantes.
- Des groupes de production d'eau glacée, à compression par air, éparpillés dans l'usine et qui ont été installés au coup par coup : matériel vétuste (+ de 50 000 h) et avec un faible EER, le fluide frigorigène sera interdit à brève échéance, il y a une absence de secours et pas de foisonnement des besoins permettant une bonne efficience énergétique.
- Un groupe de production d'eau glacée à compression par eau avec sa tour de refroidissement ouverte : la consommation est importante en produits de traitement et en eau d'appoint, il faut contrôler fréquemment la non existence de légionnelle ; le matériel est vétuste (+ de 50 000 h) ; les pompes à débit fixe entraînent des consommations électriques importantes.
- Production d'air comprimé par des compresseurs à pistons : ils fonctionnent en tout ou rien et obligent à avoir des réservoirs tampon de stockage et de refroidissement.
- Climatisation d'ateliers et de bureaux par cassettes 4 tubes et 2 batteries (eau glacée à 10/15°C et eau chaude 85/70°C).
- Make-up dans les grands ateliers qui avaient besoin jadis de forts renouvellements d'air pour le processus - ce qui n'est plus le cas, en été, pour les désurchauffer.
- Tourelles et groupes d'extraction d'air en toiture.
Les solutions d'améliorations proposées :
Si nous raisonnons « concept global », nous pouvons imaginer de remplacer les installations existantes de la façon décrite ci-après.
Bien entendu, ces solutions pourront être mises en œuvre, au fur et à mesure, en fonction de la vétusté de certains matériels, de la mise en sécurité, de la rapidité de l'amortissement (coût global) et de l'opportunité de travaux.
L'idée générale sera de passer du système actuel à 4 tubes à un système à 8 tubes de façon à pouvoir produire la chaleur, le rafraîchissement et le froid en priorité à partir d'énergies renouvelables et en plus de réaliser tous les transferts thermiques et toutes les récupérations d'énergie possibles afin de diminuer les consommations en énergies fossiles.
Production d'eau glacée et récupération de la chaleur
Solution performante
On remplacera tous les anciens groupes de production d'eau glacée à pistons disséminés dans l'usine. Ils sont usagés et leurs rendements sont trop faibles aujourd'hui.
On les remplacera par une production centralisée venant couvrir les besoins aussi bien des processus que du confort.
La production centralisée sera composée de deux types d'appareils de production d'eau glacée :
- Des groupes semi-hermétiques à double vis fonctionnant à l'électricité,
- Des machines à absorption à réchauffage indirect dont le bouilleur sera alimenté par une chaufferie gaz à condensation,
Des aéroréfrigérants adiabatiques permettront la dissipation de la chaleur de réjection provenant des condenseurs à eau. Le recours à l'eau ne se fera qu'au moment des pointes de température - la plupart du temps les aéroréfrigérants fonctionneront à sec.
Le refroidissement évaporatif utilise la température de bulbe humide de l'air ambiant, alors que les équipements de refroidissement à air sec dépendent de la température ambiante du bulbe sec. La température du bulbe humide est généralement de 8 à 12°C inférieure à la température du bulbe sec et les tours de refroidissement ou condenseurs évaporatifs sont donc capables d'atteindre des températures de refroidissement ou de condensation au moins égales à la différence de température entre celle du bulbe sec et du bulbe humide.
Une partie des besoins frigorifiques sera assurée par un système de free-chilling, c'est-à-dire par de l'eau refroidie par des aéroréfrigérants adiabatiques.
Des pompes de charge côté évaporateur, condenseur et bouilleur ne fonctionneront que quand il y aura une demande de production en froid.
Les circuits d'eau glacée, de refroidissement et de réjection de chaleur seront équipés de pompes à débit variable, lesquelles seront régulées en fonction des bilans thermiques.
Le choix des machines de production de froid à mettre en œuvre sera réalisé suivant la tarification (prix du kWf).
- En été, lorsque le prix du kWf électrique sera bas, on utilisera les groupes à compression électriques. Les machines à absorption seront utilisées pour les basses températures d'eau glacée.
- En hiver, lorsque le prix du kWf gaz sera bas, on utilisera les machines à absorption à réchauffage indirect, lesquelles seront alimentées par la chaufferie gaz. Les groupes à compression électriques seront utilisés en appoint et en secours.
C'est à la GTC qu'il reviendra de réaliser les bilans thermiques et d'assurer la priorité à partir des énergies récupérées.
Avantages
Cette production de froid commune permettra un secours et un foisonnement des puissances appelées. Un bilan thermique sera réalisé par la GTC de façon à ajuster la production aux besoins et ainsi obtenir une diminution de la consommation d'énergie et une usure moindre des matériels.
Le free-chilling permettra d'éviter de mettre en service les appareils de production d'eau glacée.
On aura une consommation moindre en énergie (électricité et gaz) et donc un coût de kWhf moins élevé ainsi qu'une durée de vie plus grande des appareils de production d'eau glacée.
On aura recours pour les groupes électriques à un fluide frigorigène R407C (mélange zéotrope de R-32, de R-125 et de R-134a) ne contenant plus de molécules chlorés.
On aura recours pour les machines à absorption à un fluide frigorigène eau + bromure de lithium non toxique et non classé Kyoto.
En remplaçant les tours ouvertes par des aéroréfrigérants adiabatiques, on supprimera les risques de légionellose. On aura moins de consommation d'eau et moins de produits de traitement d'eau pour le refroidissement - on obtiendra donc un coût de kWhf moins élevé.
Production de chaleur et d'eau chaude sanitaire
Solution performante
On remplacera les anciennes chaudières à haut rendement qui sont usagées et dont les rendements sont faibles aujourd'hui.
La production centralisée sera composée de chaudières à condensation, sans contrainte de débit minimum d'irrigation ni de température minimale d'entrée d'eau. Leur brûleur à prémélange intégré aura une large plage de modulation de puissance 8% à 100% ce qui permettra un excellent rendement de chaudière.
La modulation de puissance sera obtenue par une mise en service à 8% puis par une autre identique sur la chaudière n°2.
Ensuite la modulation de puissance sera obtenue par les deux chaudières qui fonctionneront simultanément.
Le rendement d'exploitation global annuel de la production de chaleur sera ainsi plus élevé qu'une mise en cascade classique.
La production d'eau chaude sanitaire sera de type semi-instantanée. Elle sera composée d'un ballon de stockage et d'un échangeur à plaques associé par un circuit de charge.
Pour optimiser la condensation dans les chaudières, on raccordera séparément sur celles-ci les retours des circuits régulés de chauffage et les retours provenant du primaire de la production d'eau chaude sanitaire.
Des pompes de charge sur les chaudières et les échangeurs ne fonctionneront que s'il y a une demande de production de chaleur ou de production d'eau chaude sanitaire.
Les circuits de chauffage et d'eau chaude sanitaire seront équipés de pompes à débit variable, lesquelles seront régulées en fonction des bilans thermiques.
C'est à la GTC qu'il reviendra de réaliser les bilans thermiques et d'assurer la priorité à partir des énergies récupérées.
Avantages
Cette production de chaleur commune permettra un secours et un foisonnement des puissances appelées. Un bilan thermique sera réalisé par la GTC de façon à ajuster la production aux besoins et ainsi obtenir une diminution de la consommation d'énergie et une usure moindre des matériels.
L'utilisation de la chaleur de réjection et de la désurchauffe des condenseurs des groupes permettra de préchauffer une grosse partie de l'eau chaude sanitaire. La production de chaleur gaz viendra juste en appoint et en secours.
On aura une consommation moindre en énergie (électricité et gaz) et donc un coût de kWhc moins élevé ainsi qu'une durée de vie plus grande des appareils de production de chaleur.
Chauffage, ventilation et climatisation d'atelier en ambiance contrôlée
L'atelier occupé par du personnel de production sera soumis à une ambiance contrôlée (température, humidité, surpression d'air) alors que l'atelier des étuves contigu ne le sera pas.
Solution performante
- Atelier occupé par du personnel de production :
On remplacera les anciens make-up qui sont usagés et dont le coût d'exploitation est élevé du fait d'un fort renouvellement d'air devenu inutile dans cet atelier.
La diffusion d'air sera réalisée au moyen de diffuseurs d'air à déplacement pourvus de registres de réglage de débit.
La diffusion d'air sera réalisée au plus près des postes de travail et en partie basse de l'atelier de façon à faire du zoning et ainsi éviter de chauffer tout le volume inutilement et surtout d'avoir à climatiser la partie haute sous toiture ou l'air chaud provenant tant des apports externes qu'internes stratifie.
La distribution d'air passera, en majeure partie, en sous toiture ; les gaines auront un tracé aéraulique simplifié pour ne pas créer trop de perte de charge ; les coudes comporteront des aubes directionnelles ; les gaines seront isolées.
Le chauffage sera réalisé en priorité grâce à la chaleur de réjection des condenseurs et la récupération de chaleur pratiquée sur les étuves. La batterie de préchauffage correspondante sera alimentée par les deux échangeurs venant des deux sources citées ci-avant. L'appoint de chaleur, parfois nécessaire au chauffage, sera réalisé par une seconde batterie elle-même alimentée par les chaudières à condensation.
La climatisation et la déshumidification seront réalisées, en priorité, par le système de free cooling : c'est-à-dire en tout air chaud rejeté à l'extérieur et en tout air frais introduit de compensation. La climatisation, parfois nécessaire en hiver et demi saison, sera réalisée en priorité par le système de free chilling ; c'est à dire par les aéroréfrigérants adiabatiques qui seront la plupart du temps capables de produire de l'eau froide à 13°C ce qui évitera de recourir à la production de froid.
Taux de couverture du free cooling avec aéroréfrigérant sec :
Taux de couverture du free cooling avec aéroréfrigérant humide :
- 60% des besoins en climatisation seront couverts par le système de free chilling obtenu avec un aéroréfrigérant fonctionnant en sec.
- 10% des besoins en climatisation seront couverts par le système de free chilling obtenu avec un aéroréfrigérant fonctionnant en humide.
- 10% des besoins en climatisation seront couverts par la production d'eau glacée obtenue avec un groupe et/ou une machine accouplés à un aéroréfrigérant.
Si un appoint en froid s'avère parfois nécessaire à la climatisation, celui-ci sera réalisé par une batterie alimentée par les machines à absorption qui seront capables de fournir de l'eau suffisamment froide pour assurer à la fois le refroidissement sensible et latent de l'air à traiter.
La climatisation et la déshumidification seront réalisées au moyen d'un tunnel de froid permettant de ne pas rejeter une partie de l'air déshumidifié à l'extérieur par le caisson de répartition se trouvant en aval, ce qui conduirait à créer un gaspillage.
Le tunnel de froid comportera trois batteries installées en série dont celle du milieu aura pour tâche la climatisation et la déshumidification, la première le pré-refroidissement et la dernière le réchauffage.
Ce système permettra un gain important d'énergie par rapport aux installations classiques.
La batterie de préchauffage permettra de remonter la température de l'air qui aura été déshumidifié.
Les deux batteries froides permettent de déshumidifier l'air chargé en humidité. Pour déshumidifier l'air, il faut d'abord le refroidir jusqu'à atteindre sa courbe de saturation, puis apparaîtra de la condensation. Ce phénomène permet donc de faire chuter le poids d'eau, donc de déshumidifier l'air. Ensuite, il est nécessaire de réchauffer cet air, afin que celui-ci atteigne la température ambiante. Grâce à la batterie « Tr », un préchauffage est réalisé.
Les batteries froides sont alimentées par une eau glacée à 5°C. Celle-ci circule à contre-courant par rapport au sens de l'air (favorisation de l'échange thermique).
Cette eau froide permet de refroidir l'air, en allant jusqu'à la courbe de saturation, puis permet de condenser l'eau contenue dans l'air. L'air chaud (27°C) provoque le réchauffement de cette même eau pour atteindre une température de 21°C en sortie des batteries froides.
En sortie de la batterie « Du », l'air est à 9°C, 7g/kg as. L'eau est à 21°C.
Cette eau à 21°C va circuler dans la dernière batterie, la batterie de transfert (« Tr »). Celle-ci permettra de chauffer l'air froid et sec.
La température d'air en sortie de la batterie « Tr » est alors d'environ 20°C.
Ce travail réalisé par la batterie de transfert est un travail gratuit puisque la puissance transmise par la batterie « Tr » ne sera pas à installer sur la batterie terminale de chauffage.
Ce système permettra de :
- Réaliser une économie de 30% sur le dimensionnement de l'évaporateur et sur la consommation du bouilleur.
- De récupérer 30% sur le chauffage en sortie de la déshumidification.
- D'obtenir une efficience énergétique du système de 46%.
Des pompes de charge sur les échangeurs ne fonctionneront que s'il y a une demande de production de chaleur ou de froid.
C'est à la GTC qu'il reviendra de réaliser les bilans thermiques et d'assurer la priorité à partir des énergies récupérées.
- Atelier des étuves :
Cet atelier comporte de nombreuses étuves qui reçoivent des paniers remplis de produits solides qui doivent séjourner dans de l'eau chaude pendant plusieurs heures à une température constante d'environ 70°C.
Les fuites des couvercles et les ouvertures de ces derniers en fin de cycle fait qu'il y a beaucoup de vapeur d'eau dans l'atelier. Une hotte située au-dessus des étuves permettra de concentrer la vapeur d'eau de façon à l'évacuer ensuite au moyen d'un groupe de d'extraction de fort débit d'air. Par ailleurs, un réseau d'extraction d'air spécifique permettra de mettre le vide d'air entre le plan d'eau et le couvercle en dépression de façon à minorer les fuites du couvercle.
Comme l'extraction d'air est importante dans cet atelier, une compensation d'air neuf sera réalisée au moyen d'une centrale de traitement d'air en toiture de façon à réaliser un double flux. L'air neuf sera réchauffé, son débit sera inférieur à celui extrait de façon à mettre cet atelier en légère dépression par rapport à l'atelier de production contigu.
Le chauffage sera réalisé en priorité grâce à la récupération de chaleur faite sur l'extraction d'air chaud et humide rejeté à l'extérieur. Ce système comportera une batterie de récupération de chaleur sur l'air extrait ainsi qu'une batterie de préchauffage sur l'introduction d'air neuf. Une boucle d'eau glycolée mise en circulation en hiver permettra le transfert de chaleur de batterie à batterie. L'appoint de chaleur parfois nécessaire au chauffage sera réalisé par une seconde batterie, elle-même alimentée par la chaleur de réjection des condenseurs et la récupération de chaleur des étuves. La batterie de réchauffage sera alimentée par les deux échangeurs venant des deux sources citées ci-avant.
Avantages
Ce traitement d'air sera à la fois, économique, efficace ; il assurera de bonnes conditions d'hygiène et olfactives ainsi qu'une ambiance peu humide.
On aura une consommation moindre en énergie (électricité et gaz) et donc un coût de kWhc et de kWhf moins élevé.
Chauffage et climatisation des petits ateliers et des bureaux
Solution performante
Les cassettes de chauffage et de climatisation à 4 tubes et 2 batteries seront conservées.
Le chauffage sera réalisé en priorité grâce à la récupération de chaleur des étuves. L'appoint de chaleur, parfois nécessaire au chauffage, sera réalisé par les chaudières à condensation. La batterie de chauffage de chaque cassette sera alimentée par les deux échangeurs venant des deux sources citées ci-avant.
La climatisation, parfois nécessaire en hiver et demi saison, sera réalisée en priorité par free chilling ; c'est à dire par les aéroréfrigérants adiabatiques qui seront la plupart du temps capables de produire d'eau froide à 13°C - ce qui évitera de recourir à la production de froid. L'appoint de froid, parfois nécessaire en été et demi saison, sera réalisé par les groupes d'eau glacée à compression électriques dont la température sera juste suffisante pour assurer le refroidissement sensible de l'air à traiter.
Ce système permettra un gain important d'énergie par rapport aux installations classiques.
Des pompes de charge sur les échangeurs ne fonctionneront que s'il y a une demande de production de chaleur ou de froid.
C'est à la GTC qu'il reviendra de réaliser les bilans thermiques et d'assurer la priorité à partir des énergies récupérées.
Avantages
Ce traitement d'air sera à la fois économique et efficace.
On aura une consommation moindre en énergie (électricité et gaz) et donc un coût de kWhc et de kWhf moins élevé.
Récupération de chaleur du compresseur d'air comprimé
Solution performante
L'énergie électrique consommée par un compresseur est presque intégralement convertie sous forme de chaleur, qui doit être éliminée par refroidissement. Ce refroidissement est non seulement nécessaire pour ne pas endommager les éléments du compresseur, mais joue également beaucoup sur le rendement énergétique du compresseur. En effet, plus le refroidissement est efficace, plus on se rapproche de la courbe idéale de compression, dite compression isotherme.
Cette courbe idéale est purement théorique au sens où l'action mécanique de comprimer l'air dégage inévitablement de la chaleur, mais démontre bien l'importance capitale du refroidissement sur l'énergie consommée par le compresseur.
Les modèles de compresseurs à vis exempts d'huile peuvent produire de l'eau chaude à une température supérieure à 90°C, assurant un refroidissement correcte du compresseur tout en récupérant l'énergie par de l'eau à haute température.
L'apport de chaleur est fonction du taux de charge du compresseur.
On installera un ballon de stockage avec un échangeur de récupération de chaleur sur la boucle de refroidissement du compresseur d'air. La chaleur de réjection sera évacuée sur la boucle de récupération de chaleur des étuves.
L'échangeur de refroidissement livré avec le compresseur d'air sera mis en fonctionnement au cas où la température de la boucle de refroidissement serait supérieure à 35°C à l'entrée du compresseur. La chaleur de réjection sera évacuée sur la boucle de refroidissement des aéroréfrigérants adiabatiques.
Avantages
Cette récupération de chaleur sera à la fois économique et efficace pour la production d'air comprimé.
On aura une consommation moindre en énergie (électricité et gaz) et donc un coût de kWhc moins élevé.
Récupération de chaleur des étuves pour les besoins divers
Les étuves contiennent des paniers remplis de produits solides qui doivent séjourner pendant plusieurs heures dans de l'eau à 70°C. Pour avoir des cycles courts, les paniers sont descendus par le dessus des étuves ; on ferme les couvercles et on remplit en eau déjà à 70°C. Des thermoplongeurs électriques n'ont plus qu'à assurer un maintien en température du fait des pertes par transmission des parois des étuves et des pertes par évaporation.
A la fin du cycle, l'eau des étuves sera vidangée dans un bac de stockage. Cette eau sera récupérée à environ 55°C du fait du refroidissement dû aux pertes par transmission des parois de ce bac et par évaporation.
Pour les industries soumises à des contraintes réglementaires fortes et/ou des difficultés d'approvisionnement en eau (stress hydrique) : celle-ci sera recyclée après avoir été filtrée par ultrafiltration. Le système d'ultrafiltration à membrane PVDF éliminera les particules en suspension, les bactéries et les virus ainsi que les plus grosses molécules organiques. Leur membrane pourra retenir les substances de l'ordre de 0,01 micromètre. Des nettoyages chimiques périodiques seront nécessaires pour conserver les performances hydrauliques initiales du système.
La chaleur sera récupérée au moyen d'un échangeur permettant le préchauffage de l'eau recyclée. Un ballon tampon permettra de tenir compte du déphasage dans les cycles de vidange et de remplissage des étuves. L'appoint de chaleur permettant de nouveau une montée en température à 70°C sera obtenu par un second échangeur alimenté par les chaudières gaz à condensation.
Avantages
Les installations de recyclage et de valorisation amélioreront la rentabilité économique du traitement des effluents liquides.
Cette récupération de chaleur sera à la fois économique et efficace pour la production d'eau des étuves et des besoins d'eau chaude à basse température.
On aura une consommation moindre en énergie (électricité et gaz) et donc un coût de kWhc moins élevé.
Par Alain GARNIER
Alain Garnier est ingénieur et directeur du bureau d'études GARNIER 120 rue Gambetta à Reims
– Lauréat du premier prix de l'Eco-Efficacité catégorie « concepteurs » en 2009
récompense remise lors de l'UCE (Université du confort et de l'eau) de ICO à Lille.
www.be-garnier.fr
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Sources & liens