La gestion efficiente des chaudières à condensation : pour une performance accrue

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1 La gestion efficiente des chaudières à condensation : pour une performance accrue Présenté par : Simon Mandeville Directeur technique, division chauffage ENVIROAIR Industries Lundi 11 novembre 2013

2 Agenda 1. L évolution des chaudières au fil des ans 2. La condensation L optimisation des systèmes hydroniques 4. L intégration des contrôles 5. Questions

3 1. Évolution des chaudières au fil des ans

4 Évolution des chaudières Utiliser des chaudières modulantes au lieu de chaudières à deux stages ou arrêt/départ. Chaudières arrêt/départ Chaudières modulantes

5 Efficacité d une chaudière En termes simples, l efficacité d une chaudière se calcule en mesurant la différence entre l énergie consommée et l énergie réellement utilisée.

6 Table d analyse de combustion Excès Efficacité de combustion à différence de température nette L efficacité d une chaudière peut être calculée en utilisant un analyseur de combustion et en y combinant la température d air de combustion et la température des gaz comburés. (Temp. gaz comb. Temp. air de comb.)

7 Évolution des chaudières Chaudières modulantes Chaudières à haute efficacité

8 Table d analyse de combustion Excès Efficacité de combustion à différence de température nette L efficacité d une chaudière peut être calculée en utilisant un analyseur de combustion et en y combinant la température d air de combustion et la température des gaz comburés. (Temp. gaz comb. Temp. air de comb.)

9 Efficacité thermique (%) Limites des chaudières à haute efficacité Efficacité thermique par rapport à la température de l eau de retour Température de l eau de retour

10 Évolution des chaudières Chaudières à haute efficacité Chaudières à Condensation

11 2. La condensation 101

12 Qu est-ce que la combustion? + + = COMBUSTIBLE + AIR + ÉNERGIE = CHALEUR + EAU + AUTRES RÉSIDUS CH4 (GAZ NATUREL) + (O2 + N2) = CHALEUR + H2O + CO2 + N2 + O2

13 Formule stœchiométrique CH4 + 2(O2 + N2) = Chaleur + CO2 + 2N2 + 2H2O + NOx + CO 10 % à 12 % des btu sont de l énergie latente

14 Qu est-ce que la condensation? La condensation est le nom communément donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui passe d'un état gazeux à un état liquide. Afin de permettre la condensation, il est nécessaire d atteindre le point de saturation, soit un taux d humidité relative de 100 %. Les gaz comburés typiques des vieilles chaudières ( 400 F) présentent une humidité relative de 10 à 12 %. Il est possible d atteindre le point de saturation d au maximum 135 degrés F si (et seulement si) on contrôle adéquatement le ratio air/gaz. Lorsqu il y a condensation, il est possible de récupérer btu/hr par livre d eau. Simplement en respectant les lois de la physique, nous pouvons atteindre 99 % d efficacité.

15 Chaudière à non-condensation L efficacité thermique à «non-condensation» est ~ 85 % (85 % de l énergie thermique du combustible est transférée en chaleur dans l eau) 85 % Sortie eau Air combustible ~1600 o F ~15 % gaz de combustion ~ 300 F Pertes minimales Entrée eau

16 Dewpoint Temperature F Chaudière à condensation CH4 + 2(O N2) => CO2 + 2H2O + 2(3.76N2) + Chaleur FLUE GAS DEWPOINT Abaisser la température des gaz d échappement sous le point de rosée Sortie Eau Combustible Percent CO₂ in Flue Gases Entrée eau Gaz combustion ~1600 o F Gaz Combustion Air Gain chaleur latente (970 BTU/1 lb) Gain chaleur sensible (1 BTU/1 lb)

17 Évolution des chaudières Chaudières à haute efficacité Chaudières à Condensation

18 Chaudière à haute efficacité vs Chaudière à condensation

19 Critères historiques de conception des boucles hydroniques Réglage de la température de la boucle hydronique à 180 o F avec retour à 160 F. Pompage primaire/secondaire. Protéger les chaudières de la condensation et du choc thermique. Calculer la charge du «jour de calcul», choisir une grosse chaudière et la placer dans une deuxième chaudière pour assurer la redondance. Nous pouvons concevoir des systèmes modernes qui ne sont pas soumis à ces contraintes!

20 Efficacité thermique (%) Chaudière à haute efficacité. Efficacité thermique par rapport à la température de l eau de retour Température de l eau de retour Chaudières à non-condensation

21 Efficacité thermique (%) Chaudière à condensation Efficacité thermique par rapport à la température de l eau de retour* Puissance nominale Taux de modulation typique de 5:1 Température de l eau de retour, F, différence de température de 20 F

22 Comparaison À non-condensation et haut feu : 83,5 % eff À condensation et haut feu : 88,0 % eff Différence de : 4,5 % eff À non-condensation et bas feu : À condensation et bas feu : Différence de : 87,0 % eff 89,5 % eff 2,5 % eff

23 Conditions de conception

24 Conditions moyennes

25 Charge de chauffage Charge de chauffage de conception - 4,0MM BTU La charge réelle varie selon la saison

26 Condensation + Outdoor air reset * * Dispositif de réglage en fonction de la température de l air extérieur

27 temp. de la boucle Condensation + Outdoor air reset * Temp. de la boucle dans le bâtiment point de consigne de la boucle dispositif d ajustement en fonction de la temp. ext. temp. ajustée * Dispositif de réglage en fonction de la température de l air extérieur

28 Efficacité thermique (%) Condensation + Outdoor air reset * Efficacité thermique par rapport à la température de l eau de retour* Puissance nominale Taux de modulation typique de 5:1 Température de l eau de retour, F, différence de température de 20 F Chaudières à non-condensation * Dispositif de réglage en fonction de la température de l air extérieur

29 Condensation + Outdoor air reset * À non-condensation et haut feu : 83,5 % eff À condensation et haut feu (AOR) : 90,0 % eff Différence de : 6,5 % eff À non-condensation et bas feu : À condensation et bas feu (AOR) : Différence de : 87,0 %eff 93,0 %eff 6,0 %eff Chaudière à condensation 1mmbtu/hr: 19,000$ (7,750$sub) Chaudière à H.Eff 1mmbtu/hr: 16,600$ (2,000$sub) ( $ $) ( $ $) = (3 350 $) d économies * Dispositif de réglage en fonction de la température de l air extérieur

30 3. Optimisation des réseaux de chauffage Réseau primaire variable

31 Schéma de tuyauterie et d instrumentation d un système à non condensation traditionnel Pompe de chaudière Pompe de chaudière Pompe du système Chaudière n 1 Dimensionnée pour charge maximale Chaudière n 2 Redondante à 100 %

32 Réseau primaire seulement avec variateur de vitesse (VSD) Chaudière n 1 Dimensionnée pour charge maximale Chaudière n 2 Redondante à 100 % Pompe du système Adéquat pour les appareils sous pression à condensation à masse et volume élevés.

33 Chaudières high-mass Les chaudières de type tube à feu sont généralement mieux adaptées au débit variable, en raison de leur inertie interne. Certaines chaudières sont de type «zéro débit». À cause du volume d eau

34 Avantages des appareils à pression à haut volume dans les chaudières à condensation Cyclages réduits; Tolérance aux débits variables et/ou à l absence de débit; Pas de température minimale du retour d eau; Tolérance aux variations chimiques de l eau; Risque réduit d entartrage et/ou d érosion.

35 Avantages des appareils à pression à haut volume dans les chaudières à condensation Une conception qui minimise les inconvénients liés aux conceptions traditionnelles : Choc thermique; Fatigue cyclique; Défaillances prématurées.

36 Réseau primaire seulement avec variateur de vitesse (VSD) Débit variable Chaudière n 1 Dimensionnée pour charge maximale Chaudière n 2 Redondante à 100 % Pompe du système

37 Pourquoi utiliser un variateur de vitesse? Le variateur de vitesse contrôle la vitesse d un moteur; Varie selon l énergie électrique transmise au moteur. Réduction des coûts d exploitation de la pompe et du système; Permet de contrôler le système pour maximiser le T = retours froids. Le taux de modulation typique d un système à vitesse est de 5:1; On utilise les lois d affinité des pompes pour calculer la capacité volumique, la hauteur manométrique (tête) ou la consommation électrique des pompes lors des changements de vitesse (tr/min); L ampérage du moteur est réduit.

38 Avantages du primaire variable Maximise l efficience globale du système; Minimise les pertes de charge côté eau dans les chaudières; Permet de diminuer le coût installé (moins de capitalisation); Occupe moins d espace dans une salle mécanique (moins d équipements); Besoins réduits du système en énergie; Pas de pompe de circulation dédiée en action; L énergie générée par les chaudières peut être directement utilisée par la boucle hydronique; Pas de boucles d injection de chaleur; Coût inférieur de pompage; Permet de faire fonctionner plusieurs chaudières à faible charge pour améliorer leur efficacité.

39 Système de contrôle logique

40 Séquence en parallèle

41 Un investissement à long terme Cycle de vie d une chaudière : Les contraintes sur l échangeur de chaleur et l appareil à pression sont les principaux déterminants du cycle de vie d une chaudière; Quelles sont les causes de ces contraintes? Le cyclage (marche/arrêt de la chaudière); L absence de stratégie de contrôle; Un entretien insuffisant.

42 Réponse au cyclage

43 Économies d énergie 35 % d économie d énergie Réduction de cycles par an à moins de cycles par an

44 Contrôle complet

45 Récapitulons! Nous avons optimisé notre système en : Utilisant des chaudières à condensation à très haute efficacité; Utilisant un dispositif de «rajustement en fonction de la température de l air extérieur» (Outdoor Reset); Évaluant la possibilité de faire du primaire variable; Intégrant un système de contrôle logique (PLC) adapté.

46 Des questions? MERCI!

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