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Rénovation des installations de CVC. Exemple dans l’industrie

Par Alain GARNIER ingénieur et directeur du bureau d'études GARNIER à Reims.



Filiale du groupe ESSILOR, BBGR est le second fabricant de verre à l’échelle européenne. Les installations de «production de froid processus ou climatisation» sont pour la plupart de 1989 et ont donc plus de 24 ans; elles doivent être remplacées afin de tenir compte du secours et des nouveaux besoins de renouvellement d’air pour la santé.


De plus les équipements en place sont très consommateurs d’énergie car les groupes de froid sont individuels et ont été sélectionnés sur des valeurs élevées en condensation. C’est donc une remise en cause importante portant sur la stratégie énergétique de cette usine de production qui est recherchée.


Vue aérienne du site de BBGR1 à Sézanne
Vue aérienne du site de BBGR1 à Sézanne (avant travaux) Bâtiment haut


Polymérisation
« Polymérisation » au 1er étage - 9,7 millions de verres ont été fabriqués en 2012




Objectifs d’une rénovation énergétique en milieu industriel

L’objectif du maître d’ouvrage est de remplacer les installations existantes de « froid «climatisation » et de « froid processus » de façon à répondre aux nombreux buts  suivants :

  • Supprimer la vétusté (la production de froid a 24 ans),
  • Diminuer la consommation d'énergie et les coûts propres à la production de « froid dédié au rafraîchissement et à la climatisation » par une meilleure efficience énergétique,
  • Avoir un mix énergétique en production de froid (gaz en hiver et électricité en été),
  • Faciliter l’exploitation,
  • Diminuer la consommation d'électricité des auxiliaires,
  • Avoir une possibilité de secours en froid (production d'énergie et dissipation de la chaleur),
  • Supprimer les irritations et les odeurs dans les ateliers de polymérisation (santé et olfactif),
  • Avoir le plus possible recours aux EnR (gain sur les coûts d'exploitation et indépendance vis à vis des fluctuations des coûts d'énergie fossile),
  • Supprimer le R22 (CFC : chlorodifluorométhane) et prévoir son remplacement en R134a (HFC : tétrafluoréthane). Depuis le 1er janvier 2010 suivant le règlement européen 2037/2000 sur les CFC et HCFC : c’est la fin de la commercialisation du R22, mais on prévoit l’utilisation du R22 recyclé jusqu’en 2015,
  • Supprimer les actuels risques de légionellose (présence de tours ouvertes de refroidissement),
  • Avoir à moyen terme une surpuissance en froid pour faciliter la maintenance,
  • Assurer la continuité de la production de froid même en cas de panne (proposer un schéma de décision),
  • Calculer et afficher les indicateurs de performances de façon à vérifier que les économies escomptées soient atteintes et qu’il n’y ait pas de dérive dans le temps,
  • Compter l'énergie produite et fournie à chaque atelier,
  • Remplacer l’isolation thermique de la toiture et installer une membrane blanche de l’atelier de polymérisation de façon à diminuer les besoins en froid.



Production future de chaleur et d’eau chaude sanitaire

La production de chaleur existe et donne satisfaction, les chaudières sont à condensation avec des brûleurs modulants en puissance de 25 à 100%, elles seront conservées. Dans quelques années, elles seront remplacées et entre-temps tout aura été fait pour que la condensation fonctionne au maximum, les émetteurs auront été changés : les batteries des centrales sont passées de 4 à 12 rangs et les ventilo-convecteurs verront leurs deux batteries chaude et froide mises en série pour en augmenter là aussi leur surface d’échange afin de pouvoir fonctionner à basse température et surtout revenir à très basse température.

La solution proposée est de remplacer la distribution d’eau en « étoile » par une en « série », au moyen d’une boucle primaire à débit variable. Les circuits seront branchés dessus en série suivant un ordre décroissant dépendant de leur température d’entrée. Chaque circuit sera branché sur la boucle primaire en dérivation, il comportera une vanne de régulation installée en mélange avec sa propre pompe de façon à obtenir un débit constant avec une température variable dans les émetteurs.

L’autre intérêt d’un tel montage hydraulique sera que l’on pourra même alimenter un circuit HT (à haute température) tel que le bouilleur d’une machine à absorption à réchauffage indirect ou encore un traitement anti-légionnelle par choc thermique. Car, on pourra grâce aux circuits suivants BT ou TBT descendre la température de retour à la chaudière à condensation. Si les besoins en production d’eau chaude sanitaire sont importants, on pourra même profiter du retour de la boucle primaire en BT pour préchauffer l’eau chaude sanitaire ce qui aura également pour effet de passer le retour de la chaudière en TBT et lui permettre de condenser d’avantage.



Schéma de principe d’un système de production de chaleur où tout est fait pour condenser – Doc A. GARNIER

Schéma de principe d’un système de production de chaleur où tout est fait pour condenser



Les chaudières fonctionneront ensemble de façon à moduler en puissance sur une surface d’échangeur maximum. On espère ainsi passer de 8 à 15% de part apportée par la condensation et de diminuer d’environ 50% l’énergie consacrée à la production d’eau chaude sanitaire. La production d’eau chaude sanitaire recevra un préchauffage obtenu par la chaleur de réjection des groupes et machines de production de froid.



Principe de production de chaleur et d’eau chaude sanitaire – Doc A. GARNIER

Principe de production de chaleur et d’ECS





Chauffage, ventilation et climatisation des ateliers de polymérisation

Les deux ateliers de polymérisation ont besoin à la fois d’un fort renouvellement d’air pour la santé de ses occupants, d’une distribution d’air à déplacement des ateliers de polymérisation vers les ateliers des étuves et d’une extraction efficace de la vapeur d’eau au-dessus des étuves.



Principe de chauffage, de ventilation et de climatisation pour les ateliers de polymérisation – Doc A. GARNIER

Principe de chauffage, de ventilation et de climatisation pour les ateliers de polymérisation



Principe de ventilation entre ateliers de polymérisation et ateliers des étuves – Doc A. GARNIER

Principe de ventilation entre ateliers de polymérisation et ateliers des étuves


Groupe de production de froid et aéroréfrigérants
Groupe de production de froid et aéroréfrigérants servant au free-chilling et à la réjection de chaleur –
Après travaux



Centrale de traitement d’air en toiture
Centrale de traitement d’air en toiture pour l’atelier de polymérisation du 1er étage – Après travaux


Atelier de polymérisation
Atelier de polymérisation du 1er étage étage – Après travaux





Chauffage et climatisation des ateliers des étuves

Les ateliers où se trouvent les étuves sont peu fréquentés, ils ont besoin à la fois d’un fort renouvellement d’air pour extraire efficacement la vapeur au-dessus des étuves dont les bacs ont des couvercles qui sont ouverts à chaque fin de cycle (environ 4 h).

Dans les périodes d’arrêt de l’usine, où la température peut monter en été du fait de l’arrêt de l’extraction d’air, on s’est aperçu que des produits ayant servis à la fabrication des verres pouvaient créer des problèmes d’irritations et de démangeaisons de la peau lors de la reprise du travail. Comme il n’est pas possible de laisser le renouvellement d’air fonctionner, quelques cassettes de chauffage et de climatisation ont été installées pour palier à ce problème et en même temps assurer le hors gel en hiver.



Principe de chauffage et de climatisation des étuves – Doc A. GARNIER

Principe de chauffage et de climatisation des étuves





Refroidissement et récupération de chaleur de la production d’air comprimé


Principe de récupération de chaleur sur la production d’air comprimé – Doc A. GARNIER

Principe de récupération de chaleur sur la production d’air comprimé


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.

modèles de compresseur à vis exempts d’huile
Des modèles de compresseur à vis exempts d’huile peuvent produire de l’eau chaude à une température supérieure à 90°C, assurant un refroidissement correct du compresseur tout en récupérant l’énergie par de l’eau à haute température. L'apport de chaleur doit être prévu au prorata de la charge du compresseur. En effet, un compresseur dont le taux de charge atteint par exemple 70%, n'apportera sa chaleur ... que 70% du temps !

Ceci est peut-être une Lapalissade, mais ne doit pas être négligé dans les cas où la chaleur doit être dispensée en continu au procédé (préchauffage de l'eau chaude sanitaire de l’eau des étuves, etc.).

Récupération de la chaleur de l’eau des étuves

Principe de récupération de la chaleur des étuves pour les besoins de préchauffage divers
Doc A. GARNIER

Principe de récupération de la chaleur des étuves pour les besoins de préchauffage divers





Analyse fonctionnelle de la production de froid

Scénario de fonctionnement de la production de froid

Conditions de fonctionnement

Ts ≤ 8°C

Th ≤ 10°C

Th ≤ 10°C
avec besoin
de 50% en froid

Ts >10°C
avec besoin
de 50% en froid

Ts >10°C
avec besoin
de 100% en froid

Free-chilling et free-cooling

Free-chilling sec avec 1 aéroréfrigérant
Free-cooling si locaux inoccupés

Free-chilling humide avec 1 aéroréfrigérant
Free-cooling  si locaux inoccupés

Free-chilling sec avec 2 aéroréfrigérants
Free-cooling si locaux inoccupés

Free-chilling humide avec  1 aéroréfrigérant
Free-cooling si locaux inoccupés

Free-cooling si locaux inoccupés

Froid thermodynamique

     

Thermodynamique avec 1 groupe de froid associé à 1 aéroréfrigérant pour dissiper la chaleur de réjection

Thermodynamique avec 2 groupes de froid associés à 2 aéroréfrigérants secs ou humides pour dissiper la chaleur de réjection



Nota :
- En hiver, on n’aura pas besoin de déshumidifier puisque l’air est déjà très sec et la température de l’eau glacée pourra être de 15°C, cela favorisera encore plus le fonctionnement du free-chilling.

- En été, la température de l’eau glacée pourra être de 13°C, et si l’humidité dépasse 55% d’HR on forcera le groupe de froid à produire

- La nuit du fait d’un écart diurne pouvant aller jusqu’à 10°C, le fonctionnement du free-colling sera utilisé majoritairement.

Dans ce tableau, on a considéré que l’on pouvait produire grâce au free-chilling, de l’eau glacée à 13°C avec de l’air sec à 8°C (aéroréfrigérant travaillant en sec) ou de l’air humide à 10°C (aéroréfrigérant travaillant en humide : adiabatique).



La suite et tous les détails, …



Téléchargez le document complet du projet
«Rénovation des installations de CVC pour BBGR à Sézanne (51120)»- doc de 45 pages – 12 Mo

Rénovation des installations de CVC

Par Alain GARNIER
Alain Garnier est ingénieur et directeur du bureau d'études GARNIER 120 rue Gambetta à Reims

→ Sources et liens






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Commentaires

  • helmi
    04/11/2013

    LIEN INVALIDE! Téléchargez le document complet du projet «Rénovation des installations de CVC pour BBGR à Sézanne (51120)»- doc de 45 pages – 12 Mo

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