Pistes d économie d énergie sur les chaudières à l eau chaude et à la vapeur ASPE Québec Janvier 2017

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1 Pistes d économie d énergie sur les chaudières à l eau chaude et à la vapeur ASPE Québec Janvier 2017 Présenté par : Moïse Gagné, ing. Carl Gauthier, ing.

2 Agenda de la présentation Résumé de l offre actuelle des chaudières Survol sur les types de chaudières et leurs applications Efficacité de combustion, rendement thermique et rendement saisonnier Chaudières et réseaux à l eau chaude pistes d EE Chaudières et réseaux à la vapeur pistes d EE Questions

3 Sources d énergie Fluides Construction / technologie Matériaux de l échangeur de chaleur Efficacité de combustion Gaz naturel Eau chaude et antigels Vapeur Tubes à feu Tubes à eau Cuivre Fonte et ses dérivés Acier inoxydable et ses alliages Atmosphérique Haute efficacité Condensation Huiles (n 2 et n 6) Eau chaude et antigels Vapeur Tubes à feu Tubes à eau Cuivre Fonte et ses dérivés Acier inoxydable et ses alliages Atmosphérique Haute efficacité Condensation Électricité Eau chaude Vapeur À éléments À électrodes s/o s/o Nous avons omis le propane des sources d énergie et les fluides thermiques au niveau des fluides.

4 Sources d énergie Au Québec, trois (3) sources d énergie sont courantes pour les chaudières: Gaz naturel (95 % de CH 4 ) Pouvoir calorifique inférieur de BTU/m³. Les tarifs de GM sont principalement reliés à la consommation (D1, D3, D4, D5, DM). Point de rosée des gaz de combustion : ± 136 F (58 C). Huile n 2 (C 12 H 24 ) Pouvoir calorifique inférieur de BTU/l. Produit une quantité importante d acide sulfurique (H 2 SO 4 ). Point de rosée des gaz de combustion : ± 113 F (45 C). Électricité Les tarifs de HQ sont principalement reliés à la consommation (G, M, L).

5 Sources d énergie Vous devez convertir facilement toutes les sources d énergie pour pouvoir les comparer : Si le coût moyen de l électricité est de 9,2 /kwh et que le gaz naturel est de 65 /m 3 avec un rendement annuel de 70%, quelle source énergétique est la plus avantageuse? 65 mmm 3413 BBBBBB kkkkk = 8,83 /kwh-éq BBBBBB mm3 0,7 À 8,83 /kwh-éq., le gaz naturel est plus avantageux que l électricité à 9,2 /kwh.

6 Sources d énergie Énergie nette VS énergie brute Énergie brute = énergie nette + pertes* Les pertes englobent les pertes de transformation (combustion) et les pertes réseaux (rendement annuel). Énergie nette = 65 mmm 3413 BBBBBB kkkkk BBBBBB mm 3 1 Pertes = 6,17 kkkkk éqq. (1 0,7) 0,7 = 6,17 /kwh-éq. = 2,64 /kwh-éq. η = 100 %

7 Sources d énergie Coût du combustible Coût équivalent à l'électricité ( /kwh) Maz #2 Gaz Nat Rendement du système /L /m³ 60% 70% 75% 80% 85% 90% 42 40,9 6,5 5,6 5,2 4,9 4,6 4, ,9 6,8 5,8 5,4 5,1 4,8 4, ,8 7,1 6,1 5,7 5,3 5,0 4, ,8 7,4 6,4 5,9 5,6 5,2 4, ,7 7,7 6,6 6,2 5,8 5,5 5, ,7 8,0 6,9 6,4 6,0 5,7 5, ,6 8,3 7,1 6,7 6,3 5,9 5, ,6 8,7 7,4 6,9 6,5 6,1 5, ,5 9,0 7,7 7,2 6,7 6,3 6, ,5 9,3 7,9 7,4 7,0 6,5 6, ,4 9,6 8,2 7,7 7,2 6,8 6, ,4 9,9 8,5 7,9 7,4 7,0 6, ,3 10,2 8,7 8,2 7,6 7,2 6, ,3 10,5 9,0 8,4 7,9 7,4 7, ,2 10,8 9,3 8,7 8,1 7,6 7, ,2 11,1 9,5 8,9 8,3 7,9 7, ,1 11,4 9,8 9,1 8,6 8,1 7, ,1 11,7 10,1 9,4 8,8 8,3 7, ,0 12,0 10,3 9,6 9,0 8,5 8, ,0 12,4 10,6 9,9 9,3 8,7 8,2

8 Types de fluide Trois (3) types de fluides couramment utilisés: Eau de chauffage Attention de respecter le ph de l eau en fonction des matériaux de l échangeur de la chaudière. L opération à basse température peut engendrer un gain d efficacité de combustion. Les antigels Ne pas oublier que les antigels diminuent la performance de l échange thermique. Vapeur La diminution de la pression d opération engendre une diminution significative des pertes réseaux. Ne jamais laisser refroidir le condensat (formation de H 2 CO 3 ).

9 Types de fluide - antigels Temperature de l'antigel ( F) Concentration d'e.g. 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% ,2 467,4 452,0 434,4 414,7 392,5 368,8 342,59 313, ,1 468,3 453,4 435,8 416,7 395,0 371,3 345,73 317, ,5 469,1 454,3 437,7 418,6 397,5 373,9 348,85 321, ,7 469,9 455,5 439,0 420,4 399,4 376,8 351,9 324, ,4 470,6 456,7 440,7 422,2 401,7 379,2 354,88 328, ,5 471,2 457,9 441,8 423,9 403,9 382,1 357,74 331, ,6 471,8 458,9 443,5 425,5 406,1 384,3 360,58 335, ,0 472,8 459,4 444,4 427,0 408,2 387,0 363,34 337, ,0 473,1 460,3 445,9 429,1 409,8 389,1 366,03 341, ,8 473,5 461,1 446,7 430,4 411,7 391,1 368,63 344, ,0 473,7 461,9 448,0 431,8 413,6 393,6 371,16 347, ,7 473,8 462,1 448,7 433,0 415,4 395,4 373,65 350, ,2 473,9 462,7 449,3 434,1 417,1 397,7 376,01 353, ,2 473,9 463,1 450,4 435,2 418,2 399,4 378,83 356, ,7 473,8 463,6 450,8 436,2 419,8 401,6 381,07 358, ,0 473,6 463,4 451,7 437,6 421,3 403,1 383,17 361,0 Puissance = 500 x GPM x Δ T

10 Construction / technologie tubes à feu La combustion se fait dans des tubes à fumée selon un arrangement à plusieurs passes. Généralement les chaudières avec les meilleures efficacités (vapeur et eau chaude / haute efficacité). Très grande inertie, moins susceptible à l entrainement d eau pour les réseaux de vapeur (un des pires ennemis des réseaux de vapeur. Capacité maximale d environ BHP et limitation de la pression d opération à 350 PSIG. Nécessite un dégagement important pour le retrait le nettoyage des tubes. Moins sécuritaire : Loi sur les MMF.

11 Construction / technologie tubes à feu À la vapeur ou eau chaude / haute efficacité. Une configuration à 4 passes augmente l efficacité de combustion en diminuant la température des gaz de combustion.

12 Construction / technologie tubes à eau La combustion se fait entre les tubes. L eau circule dans les tubes entre le ballon inférieur et supérieur. Pour des applications de grosse capacité avec des pressions élevées. Moins d inertie. Permet une récupération rapidement en cas de problème. Frais d entretien plus élevés que les tubes à feu. De loin le meilleur choix si la charge est très variable. Possibilité d un assemblage in situ.

13 Construction / technologie tubes à eau À la vapeur ou eau chaude / haute efficacité. Chaudière à condensation de type tube à eau.

14 Matériaux de l échangeur de chaleur Pour les chaudières à haute efficacité : Cuivre - très conducteur, chaudière de petite taille. Fonte robuste, permet des assemblages in situ. Acier pour les grosses capacités. Pour les chaudières à condensation: Acier inoxydable moins conducteur mais robuste. Fonte d aluminium conducteur et résistant.

15 Matériaux de l échangeur de chaleur Échangeur primaire unique. Échangeur secondaire condensation généralement de l acier inox. À condensation avec deux (2) échangeurs. Échangeur primaire aucune condensation généralement du cuivre. À condensation à échangeur primaire unique.

16 Efficacité de combustion rendement saisonnier et rendement annuel Comme concepteur, il est important d utiliser les bons termes lorsque l on parle d efficacité d une chaudière ou d un centrale thermique: Efficacité de combustion Rendement saisonnier Rendement annuel 65 mmm BBBBBB 3413 kkkkk BBBBBB mm 3 0,7 = 8,83 /kwh-éq.

17 Efficacité de combustion Il s agit d une appréciation de la qualité de la combustion en un moment bien précis (statique). Les facteurs influençant l efficacité de combustion sont : Les températures d air (intérieur et extérieur) La température des gaz de combustion L excès d air O 2 CO 2 Type de combustible

18 Efficacité de combustion Éléments importants : Exiger au moins 4 lectures (25%, 50%, 75%, 100%). Température nette = temp. des gaz de combustion temp. de pièce. Avant d effectuer le test, vérifier la pression du combustible et la tire de la cheminée. Maintenir un excès d air minimal tout en maintenant un taux de CO acceptable.

19 Efficacité de combustion

20 Efficacité de combustion Comme concepteur, il s agit du critère le plus important pour augmenter l efficacité de combustion. Il s agit d opérer en mode condensation.

21 Efficacité de combustion mode condensation Il s agit d abaisser la température des gaz de combustion sous le point de rosée, afin de favoriser l échange thermique latente et atteindre le pouvoir calorifique supérieur du combustible en abaissant la température des gaz de combustion.

22 Efficacité de combustion mode condensation Augmentation significative de l efficacité de combustion. Pour le gaz naturel (±136 F). Plusieurs pistes d EE en relation avec l abaissement des gaz de combustion (retour froid).

23 Efficacité de combustion chaudière à condensation Avec une chaudière à condensation, l efficacité de combustion augmente si la modulation de la flamme diminue!

24 Efficacité de combustion chaudière à condensation Chaudière de MBH Gain d efficacité de combustion entre 2 % à 2,5 %. Aucune condensation et efficacité constante.

25 Efficacité de combustion chaudière à haute eff. Pour les chaudières à haute efficacité, l efficacité de combustion est directement proportionnelle à la modulation de la flamme!

26 Quelques définitions Efficacité de combustion : situation statique qui tient compte uniquement de l aspect combustion de la chaudière (entre 75% et 97%). Efficacité globale : Efficacité de combustion + pertes pour chauffer le fluide qui peut inclure la radiation, les purges de gaz, les purges de fond et de surface, le préchauffage du combustible. Difficile à évaluer, on utilise généralement des % empiriques. Peut s avérer négligeable pour des petites chaudières à condensation et peut atteindre 10% pour la vapeur. Rendement annuel : Efficacité de combustion + pertes des chaudières + pertes réseaux. Facile à évaluer avec une analyse de la facturation (peut atteindre 50 %).

27 Rendement annuel (exemple) Usine pharmaceutique au tarif D5 Date Jrs Cons. GN Cons. Huile Cons. GN-eq. Coût /m³ début m³ L m³ (S.T.) (S.T.) Janvier $ 34,98 Février $ 30,73 Mars $ 29,21 Avril $ 28,98 Mai $ 30,64 Juin $ 39,33 Juillet $ 45,61 Août $ 59,20 Septembre $ 57,66 Octobre $ 55,14 Novembre $ 50,52 Décembre $ 41,01 TOTAL $ 39,12 Il s agit d un large complexe de 21 bâtiments, vapeur haute pression, efficacité de combustion de 84% à pleine charge. Présence d économiseurs sur les carneaux (gain de ± 4%).

28 Rendement annuel régression linéaire Consommation de gaz naturel (m³) y = 639x m³ de gaz naturel qui ne sont pas influencé par la température extérieure Degrés-jours de chauffage en base 18 C

29 Rendement annuel Consommation de gaz naturel (m³) Consommation non influencée par la température extérieure 0 Pertes réseaux : pertes thermiques, fuite. η : 58% Janvier Mars Mai Juillet Septembre Novembre ECD, eau purifiée, procédé, réchauffe. Pertes de combustion (12%)

30 Pistes d EE chaudières et réseaux d eau chaude Concevoir des réseaux basses températures avec des appareils terminaux acceptant facilement des basses températures d opération. Chauffage de l air frais avec de grand Δ T (110 F-70 F). Plancher radiant (103 F-88 F). Poutres climatiques (105 F-98 F) et autres dispositifs utilisant l air (attention aux aérothermes). Radiateur de type mur à mur (120 F-100 F). Cabinet à ailettes (avec contrôle actif seulement).

31 Pistes d EE chaudières et réseaux d eau chaude Proposer des arrangements de réseaux favorisant la condensation. Raccordement en cascade. Optimiser les raccordements de refroidisseurs et récupération et chaudière électrique hors-pointe. Pour des retrofits de chaudières, proposer des chaudières à trois (3) raccordements si le réseau le permet.

32 Pistes d EE chaudières et réseaux d eau chaude raccordement en cascade 160 F École Le concepteur doit ajouter un système 100 % A/F. 140 F

33 Pistes d EE chaudières et réseaux d eau chaude raccordement en cascade 160 F ±130 F 80 F

34 Pistes d EE chaudières et réseaux d eau chaude raccordement en cascade 160 F ±110 F 140 F 80 F

35 Pistes d EE chaudières et réseaux d eau chaude raccordement d une chaudière électrique H.P. 120 F 100 F

36 Pistes d EE chaudières et réseaux d eau chaude raccordement d une chaudière électrique H.P. 120 F 100 F Impossible de prioriser une chaudière électrique avec un arrangement en parallèle sur l eau chaude.

37 Pistes d EE chaudières et réseaux d eau chaude raccordement d une chaudière électrique H.P. 120 F 115 F 100 F La chaudière HP est parfaitement priorisée, mais elle diminue l efficacité de combustion des chaudières à condensation.

38 Pistes d EE chaudières et réseaux d eau chaude raccordement d une chaudière électrique H.P. 105 F 120 F 100 F

39 Pistes d EE chaudières et réseaux d eau chaude raccordement d un refroidisseur de récupération 120 F 100 F

40 Pistes d EE chaudières et réseaux d eau chaude raccordement d un refroidisseur de récupération 120 F 100 F Impossible de prioriser un refroidisseur de récupération avec un arrangement en parallèle.

41 Pistes d EE chaudières et réseaux d eau chaude raccordement d un refroidisseur de récupération 120 F 115 F 100 F

42 Pistes d EE chaudières et réseaux d eau chaude Mettre en place une séquence de contrôle actif afin de maximiser l abaissement de la température de retour. Les contrôles actifs permettent un réajustement temps réel du point de consigne (alimentation d eau chaude) en fonction de la demande réelle (ouverture des robinets des appareils terminaux). Maintenir les robinets de contrôle à une ouverture entre 75% et 90%. Moins de 75% d ouverture diminution du PC de 5 F Plus de 90% d ouverture augmentation du PC de 5 F

43 Pistes d EE chaudières et réseaux d eau chaude Optimiser les arrêts/départs des chaudières en fonction du type de chaudière. Le but étant d opérer les chaudières à leur efficacité de combustion maximale. Chaudières à haute efficacité Favoriser une opération à charge maximale (opération en série). Chaudières à condensation Mettre en opération le plus grand nombre de chaudières tout en respectant le bas feu des chaudières. Effet de surdimensionnement de l échangeur thermique.

44 Pistes d EE chaudières et réseaux d eau chaude Avez-vous lu le très bon article sur la stratégie de régulation des chaudières à condensation? Novembre 2016

45 Pistes d EE chaudières et réseaux d eau chaude

46 Pistes d EE chaudières et réseaux à la vapeur Ajout d un économiseur sur le carneau de la chaudière. Permet de récupérer la chaleur sensible afin de préchauffer l eau d alimentation de la chaudière. Peu coûteux et facile à installer, PRI très rapide. Récupère en tout temps. Permet une augmentation de l efficacité de combustion de 3% à 8% tout dépendant de la température des gaz de combustion. 1% de gain à chaque tranche de 36 F d abaissement des fumées. Certains modèles résistent aux produits de combustion de l huile n 2 et n 6. Attention à la perte de charge dans la cheminée (0,15 po d H 2 O).

47 Pistes d EE chaudières et réseaux à la vapeur ±250 F à 275 F ±200 F à 227 F Pour une chaudière de 750 BHP, avec 50 GPM d eau d alimentation à 225 F et 50 F de gain dans l économiseur, le gain d efficacité est de 5%.

48 Pistes d EE chaudières et réseaux à la vapeur Ajout d un récupérateur latent sur le carneau de la chaudière. Permet de récupérer la chaleur latente afin de chauffer des besoins à basse température. Coûteux mais très performant si la température de retour d eau est très basse. Permet une augmentation de l efficacité de combustion qui peut être supérieure à 15%. Deux (2) technologies disponibles (direct et indirect). Nécessite un ventilateur de tirage conçu pour l application.

49 Pistes d EE chaudières et réseaux à la vapeur Récupérateur latent à contact direct: L eau grise est en contact avec les fumées. Nécessite un échangeur à plaque entre l eau grise et le fluide à chauffer. Généralement, seul le gaz naturel est accepté comme combustible. Limité à 130 F de température d eau grise. Possibilité d intégrer un brûleur au récupérateur afin d avoir un système hydrique et d augmenter la température de l eau chaude.

50 Pistes d EE chaudières et réseaux à la vapeur Récupérateur latent à contact indirect: Aucun contact entre l eau et les fumées. Aucun échangeur à plaques nécessaire. Possibilité d opérer avec de l huile n 2. Possibilité de produire de l eau chaude à une température de 190 F. La cheminée peut être en fibre de verre.

51 Pistes d EE chaudières et réseaux à la vapeur

52 Pistes d EE chaudières et réseaux à la vapeur

53 Pistes d EE chaudières et réseaux à la vapeur Ajout de réservoir de revaporisation permettant de produire de la vapeur basse pression à l aide du condensat haute pression. Permet de récupérer une partie de l énergie dans les purges de surface et les purges de fond des chaudières. Possibilité de récupérer une quantité importante d énergie provenant du condensat haute pression (Stop and check, purgeurs de nourrices, purgeur en amont des stations PRV). Utilisation de la vapeur revaporisée pour l alimentation du dégazeur (±5 PSIG).

54 Pistes d EE chaudières et réseaux à la vapeur Ex: lb/h de condensat à 100 PSIG. On désire revaporiser à 5 PSIG. Nous aurons 11,2% de vapeur à 5 PSIG lb/h * 11,2 % = 336 lb/h à 5 PSIG.

55 Pistes d EE chaudières et réseaux à la vapeur Évent des non condensable (CO 2 et O 2 ) Vapeur revaporisée Condensat Eau d appoint préchauffée Purges de surface Dégazeur avec réservoir combiné Purge résiduelle Purgeur Eau d appoint Échangeur de chaleur de type tube et coquille Réservoir de purge

56 Pistes d EE chaudières et réseaux à la vapeur Autres pistes en vrac : Réduction de la pression de vapeur. Installation d une chaudière d été et mise à l arrêt des conduites sans consommation estivale. Envisager la décentralisation et la conversion à l eau chaude. Nettoyer fréquemment les chaudières. 1 mm de tarte augmente la consommation énergétique 2%.

57 Merci de votre attention! Questions?