COMMENT CHAUFFER ET VENTILER UN HALL INDUSTRIEL? 1 PRODUCTION DE CHALEUR 2 LA DIFFUSION DE CHALEUR - DIMENSIONNEMENT - LES CONTRAINTES D UTILISATION - LES BUTS DU TRAITEMENT THERMIQUE - LES CLES D UNE INSTALLATION REUSSIE - STRATIFICATION - CAS PRATIQUE - ALTERNATIVES 3 LA VENTILATION D UN HALL PAR INDUCTION D AIR - LA DIFFUSION D AIR A LONGUE PORTEE - LES GAINES PERFOREES A PULSION D AIR AMBIANT 1
1 PRODUCTION DE CHALEUR Chaudière gaz à condensation Nouvelle génération de chaudière gaz à condensation spécialement développée pour les grandes exigences de puissance des bâtiments industriels. Haut rendement : La chaudière est équipée d un échangeur de chaleur en acier inoxydable résistant à la corrosion. Un rendement global annuel atteignant 104,0% est obtenu grâce à une condensation intensive. La température de fumées est seulement environ 5 à 15 degré Celsius au-dessus de la température de retour. Le brûleur est modulant. Ainsi une exploitation économe en énergie est assurée en continu avec une adaptation automatique aux variations du besoin de chaleur. Respect de l environnement : Niveau extrêmement bas des émissions. Rendement énergétique optimal : Puissance à 80/60 C Puissance à 40/30 C Puissance nominale Rendement normalisé à 40/30 C kw kw kw 190,1-39,5 201,6-45,2 194,0-41,5 % 104,0 La chaudière est prévue pour un grand delta de température: l eau de chauffage est distribuée à haute température alors que la basse température du retour assure une utilisation optimale de l effet condensation. Température des gaz à 80/60 C C 78 2
PAC (Pompe à Chaleur) La pompe à chaleur est un système capable de capter la chaleur de notre environnement à un niveau de température relativement bas pour l amener à un niveau supérieur utilisable par exemple pour le chauffage des locaux. La chaleur est absorbée dans le milieu extérieur par un évaporateur dans lequel un fluide frigorigène se vaporise à basse température et basse pression. Les vapeurs produites sont aspirées et comprimées par un compresseur entraîné par un moteur électrique. Elles sont ensuite refoulées, à haute pression et haute température, vers le condenseur. Les vapeurs, dans ce dernier, en cédant leur chaleur au réseau de chauffage repassent à l état liquide. La liaison entre la partie «haute pression» et la partie «basse pression» est assurée par un détendeur qui a pour rôle d abaisser la pression et de ce fait la température du liquide venant du condenseur. Les avantages de la pompe à chaleur (PAC) sont les suivants : - Evite le recours à une installation de chauffage à énergie fossile (chère, polluante et qui tend à se raréfier) - Supprime la pollution par les gaz de combustion et réduit les émissions de CO2 - Participe à la protection de l environnement - Offre des économies sur le budget chauffage Le fonctionnement d une PAC 3
PAC Air / Eau : Les avantages de ce type PAC sont : - Investissement limité - COP > à 3 Les inconvénients de ce type PAC sont : - Chute des performances en hiver (la nécessité d un appoint se fait souvent sentir) - Niveau de bruit (les compresseurs sont placés à l extérieur) PAC Eau / Eau : Le sol contient une importante quantité de calories issues du rayonnement solaire, des précipitations. Cette énergie emmagasinée dans les couches superficielles et dans les eaux souterraines est exploitable. L énergie peut être captée par des capteurs verticaux, horizontaux, ou directement dans la nappe. Les avantages de ce type PAC sont : - Niveau de bruit relativement faible - COP > à 4,5 Les inconvénients de ce type PAC sont : - Investissement de départ (coût des forages) mais possibilité de Géocooling 4
Une installation de chauffage est composée de 4 postes que sont : La production La distribution L émission La régulation Le rendement d une installation pour le chauffage avec une chaudière gaz à condensation (Basse Température) peut être évalué à : pour le chauffage avec une pompe à chaleur air-eau peut être évalué à : pour le chauffage avec une pompe à chaleur eau-eau peut être évalué à : Poste Rendement (%) Production 104 Distribution 95 Emission 95 Régulation 97 Total 91 Poste Rendement (%) Production 350 Distribution 95 Emission 95 Régulation 97 Total 306.3 Poste Rendement (%) Production 450 Distribution 95 Emission 95 Régulation 97 Total 393.9 5
2 LA DIFFUSION DE CHALEUR ET LA VENTILATION 6
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DIMENSIONNEMENT 8
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IMPORTANT POUR LA SELECTION DES RIDEAUX D AIR - Le débit des ventilateurs sera réglé de sorte à assurer une vitesse résiduelle de l air de 1,5 m/s au niveau du sol. - Il conviendra de limiter le DT de l air à 15 C afin d assurer un effet rideau d air optimal tout en minimisant la consommation et le niveau sonore. 14
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Aérotherme non équipé de bouche à induction d air Problème de stratification de la température de l air ambiant et vitesse d air importante dans la zone de travail. 21
Aérotherme à haut taux d induction d air La bouche à induction modifie la vitesse de sortie d air et la montée en température. Sur le côté des profilés, l air secondaire est mélangé avec l air primaire. Le jet d air est propulsé ainsi davantage dans le local et la température ambiante est atteinte plus rapidement. Une conception optimale permet d obtenir dans la zone d occupation des faibles stratifications de température (0,2 K/m) et des faibles vitesses d air (0,2 m/s) dans la zone de travail. 22
Cas pratique : Etude économique comparative entre diffuseur à induction d air et diffuseur basique pour aérotherme à eau chaude Volume du local : 600 m² sous 6 mètres de plafond, soit 3.600 m3 Type d isolation : faible (atelier de garage automobile) Température à maintenir en zone d occupation : 17 C Température extérieure moyenne considérée : 5 C Période de chauffe : de novembre à mars Plage horaire de chauffe : de 7h00 à 19h00 Puissance calorifique nécessaire : 80W/m² soit 48 kw (à 5 C) 23
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Chauffage par aérothermes => erreurs fréquemment rencontrées : Adaptations de la régulation nécessaires => le thermostat d ambiance agit uniquement en tout ou rien sur la mise en marche ou l arrêt des ventilateurs des aérothermes. Adaptations hydrauliques nécessaires => les aérothermes à l arrêt sont alimentés constamment en eau chaude. A l arrêt du ventilateur de l aérotherme, l air par convection naturelle se réchauffe à travers la batterie d échange de l appareil qui reste en permanence très chaude (70 C). L air chaud s accumule sous le plafond qui monte en température et engendre une surchauffe inutile, ceci augmente les déperditions calorifiques à travers la toiture (stratification de l air chaud sous la toiture). Adaptations du calorifuge des tuyauteries nécessaires => les tuyauteries d alimentation des aérothermes ne sont pas calorifugées. Ce n est pas grave en soi puisque ces tuyauteries sont dans la même ambiance, mais ceci contribue à mettre la partie supérieure de l atelier en surchauffe inutile et à augmenter les déperditions calorifiques à travers la toiture (stratification de l air chaud sous la toiture). Adaptations hydrauliques nécessaires => chaque zone de régulation ne possède pas sa propre pompe sur le collecteur d eau chaude. L unique pompe tourne en permanence quelques soient les besoins thermiques des différentes zones concernées. Adaptations de la régulation nécessaires => il n y a aucune vanne de régulation sur les aérothermes. Le débit d eau chaude circulant dans l aérotherme doit varier en fonction du besoin en chauffage de la zone. La régulation doit permettre de diminuer le débit des pompes progressivement voire d arrêter les pompes lorsque les températures dans les locaux sont atteintes. 26
Alternative aux aérothermes traditionnelles : installation d émetteurs à infrarouge gaz sombre aux postes de travail. L installation de ce système permet un réchauffement rapide, silencieux ainsi qu une absence de courant d air évitant le déplacement des poussières. Les possibilités de mise en route individuelle sont également intéressantes car elles permettent dès lors une consommation de gaz fortement limitée. La sensation de chaleur est rapidement ressentie. Le confort d un chauffage par émetteur à infra rouge est équivalent à celui d un chauffage traditionnel mais avec une température de l air plus basse. Les émetteurs infrarouge seront utilisés à 50% sur la période de chauffage. Les tubes radiants sombres sont mis en œuvre pour le chauffage de bâtiments de hauteur moyenne et basse. Le brûleur produit une longue flamme laminaire. Le tube est chauffé à 600 C et produit ainsi des rayonnements de chaleur. Les tubes radiants sombres doivent être choisis en fonction de leur brûleur qui doit produire une flamme la plus longue possible. Grâce à cela, le tube radiant sombre produit une efficacité énergétique supérieure et diminue considérablement les coûts énergétiques. Le concept d un brûleur 2 allures est à retenir. Les 2 allures permettent d adapter la puissance de chauffage à la demande. Le chauffage pleine puissance n est pas toujours l idéal, le système 2 allures permet un gain de confort en amenant un gain d énergie donc des économies sur la consommation de gaz. Avantages d un émetteur gaz sombre : Importante économie d énergie de 30% à 50% par rapport aux systèmes traditionnels d aérothermes à eau chaude, Chaleur homogène et agréable dans la zone de travail, Temps de chauffe rapide, Pas de brassage d air, donc pas de poussière mise en mouvement dans l atelier, Possibilité de températures différentes dans un même local, Montage facile des appareils autonomes. 27
3 LA VENTILATION D UN HALL PAR INDUCTION D AIR La diffusion d air à longue portée (buse «jet») : Les filets fluides en sortie de la buse forment un cône. La surface externe de ce cône provoque un frottement avec l air ambiant. Ce frottement entraîne par induction l air ambiant. A l extérieur du cône, les filets fluides se mélangent avec l air ambiant en ralentissant leur vitesse. Les filets fluides internes au cône atteignent une distance plus importante uniquement parce qu ils ne se mélangent pas avec l air ambiant => cela déforme sensiblement leur trajectoire. 28
Plus la portée d air est importante plus la trajectoire est déformée (risque de stratification et de courants d air). 29
Les gaines perforées à PULSION d air ambiant : - METAL : vitesses d air en entrée dans la gaine jusqu au 10 m/s - TISSU : pour des applications industrielles spécifiques, vitesse d air en entrée dans la gaine entre 6 et 20 m/s Les gaines en tissu et en métal fonctionnent exactement de la même manière => La PULSION est la technique qui utilise l air de soufflage pour mettre en mouvement contrôlé la TOTALITE de la masse d air ambiant. Attention de ne pas confondre les gaines à pulsion d air ambiant en tissu avec les gaines textiles qui sont à basse vitesse et à basse pression et qui ne travaillent pas avec l induction d air (et avec faible portée d air). 30
La pulsion de l air ambiant : La gaine perforée «rappelle» tout l air ambiant environnant. L induction mélange immédiatement l air de soufflage avec une quantité d air ambiant 30 fois supérieure. A moins d 1 mètre de la gaine, le flux d air en mouvement, étant à une température très proche de celle de l ambiance, évolue sans que sa trajectoire ne se déforme. L air ainsi mélangé est «poussé» vers la zone d occupation à la vitesse souhaitée. 31
La pulsion de l air ambiant = principe de l induction à «flux micro-turbulent» L air de soufflage sort des trous sans être guidé. Les filets fluides «s effilochent» avec un mouvement hautement turbulent. Cela provoque des micro-vortex sur la couronne circulaire de chaque trou. Les micro-vortex rappellent par dépression une quantité d air environ 30 fois supérieure. L air de soufflage se mélange alors parfaitement et immédiatement en sortie de chaque trou, avec une grande quantité d air ambiant, ralentissant brutalement sa propre vitesse. Ce phénomène imprime une POUSSEE à la masse d air ambiante (effet piston). Pour le dimensionnement d une gaine perforée à pulsion d air, on calcule les perforations en fonction du «champ de pression» nécessaire à obtenir la «puissance de PULSION» utile à mettre en mouvement contrôlé la TOTALITE de la masse d air ambiant (taille des perforations principales et secondaires sur la gaine, distance entre ces perforations, angle par rapport à la verticale). 32
Performances : Homogénéité des températures sur la verticale et l horizontale (+/- 1 C) absence de stratification d air!!! Réduction des temps de mise en régime du chauffage du hall industriel. Hauteur d installations jusqu à plus de 40 mètres. Portées d air jusqu à plus de 60 mètres. Possibilité d introduire de l air très froid sans problème de confort. Aucune condensation sur les parois froides. Toutes les sources de chaleur, et même celles issues des sources lumineuses, sont ainsi récupérées et redistribuées. Taux de brassage inférieur à 2 vol/heure. Diminution du débit d air du groupe de ventilation = économie de plus de 60 % sur la consommation du ventilateur. Economie sur la consommation des filtres d air de 70%. Préconisations : Définition du delta T entre la température de soufflage et la température de l air ambiant (delta min -35 C, delta T max +17 C). Pression statique nécessaire pour le ventilateur du groupe de ventilation en amont (200 à 400 Pa). 33
Exemple 1 : Atelier industriel d emboutissage et de préparation de tôles Une puissance électrique des ventilateurs fortement diminuées, une variation automatique du débit d air pulsé de 80% à 100% réalisée en fonction de la température extérieure, une diminution nocturne de la ventilation avec remontée en régime de la température ambiante très rapide le lendemain matin, font que la facture énergétique du bâtiment est réduite de 40% par rapport à un ensemble traditionnel. 34
Exemple 1 : Atelier industriel d emboutissage et de préparation de tôles 35
Exemple 1 : Atelier industriel d emboutissage et de préparation de tôles 36
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Exemple 2 : Hall industriel de stockage 38
Exemple 2 : Hall industriel de stockage 39
Exemple 2 : Hall industriel de stockage 40
POUR QUELS CLIENTS TRAVAILLONS-NOUS? ABC engineering assurent des prestations d ingénieurs-conseils et d auditeurs énergétiques pour ses clients du secteur privé et public situés aussi bien au qu en Belgique ou en France. Belgique : Région Wallonne ABC engineering est agréé en qualité d auditeur ou expert en audit énergétique par la Région Wallonne (AMURE UREBA). Grand-Duché de La Chambre de Commerce du a délivré aux ingénieurs d ABC engineering une certification concernant la connaissance et la maîtrise de la législation environnementale au et plus précisément l énergie, le bruit et les émissions atmosphériques. France : Région Lorraine ABC engineering est référencé en tant que Bureau d Etudes prestataire dans les domaines des énergies, du bruit et des émissions environnementales et fait partie de la base de données régionale de l ADEME Lorraine. 41
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