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1 GENIE CLIMATIQUE ET ENERGETIQUE FICHE DE LECTURE Conception et optimisation des installations de traitement d'air Projet de Fin d'Etudes réalisé par Timothée HEILIG Tuteur : Bernard FLAMENT à COFELY NORD-EST Agence Alsace Neudorf Suivi par Cécile GENTILE AOÛT 2011
  • contrôle hygrométrique
  • eau glycolée
  • v3v
  • phase de calcul des conditions de soufflage
  • débit d'humidification
  • conception cta
  • récupération d'énergie
  • traitement de l'air
  • traitement d'air
Publié le : mardi 27 mars 2012
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GENIE CLIMATIQUE ET ENERGETIQUE FICHE DE LECTURE Conception et optimisation des installations de traitement d’air
Projet de Fin d’Etudes réalisé parTimothée HEILIGTuteur : Bernard FLAMENT à COFELY NORD-EST Agence Alsace Neudorf Suivi par Cécile GENTILE
AOÛT 2011
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L’objectif principal du PFE « Conception et optimisation des installations de traitement d’air »est d’équiper le Département Travaux de COFELY d’un outil lui permettant de concevoir un traitement d’air. Il a été développé dans le but d’être utilisé par les collaborateurs du groupe et plus particulièrement par les chargés d’affaires et les techniciens d’études et travaux du département. Il répond à un double intérêt :  L’outilpermet de compléter le cahier des charges lors d’une demande de chiffrage auprès des fournisseurs de CTA : utilisation pré-chiffrage. peut également constituer un moyen de contrôle sur les dimensionnements Il effectués par ces fournisseurs : utilisation post-chiffrage. 1. Logicield’aide à la conception d’une centrale de traitement d’air 1.1. Descriptiongénérale du programme La méthode de conception est celle qui m’a été enseignée durant mes années d’étude. Elle se décompose en trois grandes lignes : première phase de saisie des données de dimensionnement (charges du local, Une type de traitement d’air: contrôle hygrométrique ou non, conditions d’ambiance et conditions limites extérieures) ; phase de calcul des conditions de soufflage : détermination de la température de Une soufflage et du débit d’air soufflé dans le local ;  Unephase de conception de la CTA, de calcul de la puissance et du débit des différents éléments constituants la centrale. Le programme informatique d’aide à la conception des CTA a été développé sur Excel. Les deux premières phases de la démarche de conception se font sur une interface utilisateur qui rend le logiciel plus intuitif. Il est d’autant plus simple d’accès que cette interface comporte des boutons d’aides. Exemple : sur l’onglet correspondant à la phase de calcul des conditions de soufflage, le concepteur a la possibilité d’ouvrir une fenêtre dans laquelle apparaissent des tableaux le guidant dans son choix du débit ou de température de soufflage. 3 onglets pour la définition des fonctionnements limites
Bouton d’aide
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1.2. Restrictiondu modèle Selon les charges du local d’étude et les spécifications du traitement d’air renseignées au préalable par l’utilisateur du programme, le programme propose une solution unique. Sa représentation sur le diagramme de l’air humide (DAH)figure parmi celles-ci-dessous :Représentation Fonctionnement Situation DAH CTA
Chauffage simple
Chauffage avec contrôle hygrométrique
Chauffage avec contrôle hygrométrique
Refroidissement simple (avec déshu. non contrôlé)
Refroidissement avec contrôle hygrométrique
Refroidissement avec contrôle hygrométrique
Refroidissement avec contrôle hygrométrique
Batterie chaude (avec ou sans préchauffage)
Batterie chaude + Injection de vapeur
Batterie chaude + Pulvérisation à eau
Batterie froide
Batterie froide + Batterie chaude
Batterie froide + Injection de vapeur
Batterie froide + Pulvérisation à eau
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1.3. Validationdu programme Tout programme informatique nécessite une phase de validation. Cette phase permet de s’assurer que les résultats obtenus correspondent bien à ceux attendus. Pour ce faire, les résultats obtenus par le programme vont être comparés avec ceux obtenus chez les fournisseurs suite à des consultations lors de projets concrets. Prenons l’exemple d’un projet sur lequel j’ai travaillé : la rénovation du traitement d’air chez un grand industriel (KNORR). Lors du chiffrage du projet, le cahier des charges suivant a été transmis à plusieurs fournisseurs dont GEA et TRANE qui ont répondu à notre demande :Cahier des charges Situation étéhive Température extérieure [°C]35 -15 Humidité extérieure [%]40 90 Char essensibles [kW]400 -250 Char eslatentes [k/h] 00 Volume local [m3]18300 Température intérieure [°C]29 22 Humidité intérieure [%]50 50 Contrôle hygrométriquenon Récupération d'énerie échangeursà glycol Débit d'air neuf [m3/h]30% du débit soufflé Température de soufflae [°C]14 ND Débit soufflage [m3/h]non défini Résultat obtenu par l’outil d’aide à la conception des CTA (situation d’hiver)
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Tableau comparatif des différentes conceptions dont celle obtenue par l’outil GEA TRANE Conception CTAOutil d'aide Conception Ecartrelatif [%]Conception Ecartrelatif [%] Ture deété 1414 0,014,0 0,0 soufflage [°C]hiver 3230 6,3 30 6,7 Débit soufflage [m3/h]77385 800003,4 82350 6,0 Débit d'air neuf [m3/h]23216 240003,4 25000 7,1 Puissance préchauffage [kW]x x x x x Puissance batterie froide [kW]783 7850,3 743,0 5,4 Puissance réchauffage [kW]388 53738,4 366,06,0 Débit d'humidification [m3/h] Les écarts relatifs sont relativement faibles: moins de 8% sur toutes les données TRANE. Seule la puissance de la batterie chaude de la conception GEA présente plus de 35% d’écart relatif avec celle donnée par l’outil d’aide. La puissance de la batterie chaude GEA est surestimée. Ceci s’explique par le fait que GEA n’a pas pris en compte la récupération d’énergie dans son dimensionnement. L’entrée dans la batterie chaude se fait à 16,4 °C selon l’outil d’aide (16,9°C selon la fiche technique TRANE) alors qu’elle se fait à 10°C selon la fiche technique GEA. 2. Optimisationénergétique : la récupération d’énergie La deuxième partie du PFE propose une étude sur une notion devenue fondamentale aujourd’hui : la récupération d’énergie. Nombreux sont les clients intéressés par ce concept. Pour illustrer mes propos, il suffit d’évoquer une affaire sur laquelle un de mes collègues a récemment travaillé: l’intégration de récupérateurs de chaleur sur toutes les CTA de la Maison de la Région à Strasbourg. L’appel d’offre, auquel a répondu COFELY, consiste à équiper plus d’une dizaine de CTA existantes. Ce PFE est l’occasion de faire un point rapide sur les différentes technologies de la récupération d’énergie. Mais l’une d’entre elles présente des qualités uniques: le récupérateur à eau glycolée. Il s’agit d’une technologie de récupération d’énergie particulièrement adaptée à la rénovation de part sa flexibilité de mise en œuvre. En effet, le récupérateur est composé de deux échangeurs air-eau indépendants que l’on peut placer à distance l’un de l’autre, en gaine ou en CTA. Ils existent deux types de régulation possibles : avec ou sans vanne trois voies sur le circuit d’eau glycolée. Le PFE met en avant le rôle de la V3V : contre le colmatage de l’échangeur placé sur l’air extrait Prévention  Récupérationd’énergie plus importante Le récupérateur à eau glycolée est une des optimisations énergétiques proposé à KNORR dans le cadre de la rénovation du traitement d’air d’un de ses locaux de production. Pour convaincre le client d’adopter cette optimisation, un temps de retour a été calculé. L’étude a pour objectif la détermination de ce TRI. Sans risque de surchauffe du local, le système sans V3V peut fonctionner pour des températures extérieures inférieures à 7°C. Avec V3V, il permet de récupérer jusqu’à 10°C extérieure. La plage de fonctionnement du système avec V3V est donc plus importante et permet de gagner presque un an sur le TRI du système (TRI = 5ans).
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Le TRI prend en compte :  Lecoût d’investissement lié à la récupération d’énergie ; coûts d’exploitation : la consommation électrique engendrées par la pompe sur le Les circuit hydraulique et la surconsommation des ventilateurs ;  Leséconomies d’énergie faites sur le chauffage uniquement. Détails du calcul du TRI (récupérateur à eau glycolée sans et avec V3V) récupérateur eau glycoléesans V3Vavec V3V heures de fonctionnement [h/an]3305 4471 puissance moyenne [kW]96,1 81,5 énergie récupérée [MWh/an]317,5 364,4 gaz économisé [MWh/an]414,7 475,8 économies réalisées [€/an]9412,80 10800,9 investissement [€]43239,47 43239,47 [kWh/an] 2994,34050,7 coûts pompe [€/an] 275,48372,67 [kWh/an] 4905649056 coûts ventilateur [€/an] 4513,154513,15 TRI [ans]5,1 4,5 Graphique représentant la part d’énergie récupérée par rapport au besoin global de chauffage Economies prévisionnelles du chauffage (basées sur l'année 2010) 441,2 [MWh] d'énergie fournit par la batterie chaude 45%
55%
Besoin chauffage total 806 [MWh]
364,4 [MWh] d'énergie "gratuite" fournit par la récupération (avec V3V)
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