Optimisation des performances des centrales de traitement d'air grâce à une conception intelligente pour atteindre la neutralité carbone

Découvrez notre programme « Coût du cycle de vie »

FläktGroup’s Life Cycle Cost (LCC) programme can calculate kWh of power consumption, running costs and associated CO2 emissions of any AHU configured in our selection software. We can also use it to understand what the optimal heat recovery efficiency is. The performance data within that programme is audited by Eurovent. Carbon intensity of the electrical generation [3] and cost [4] have been taken from independent free access sources. This comprehensive analysis ensures that energy recovery performance is accurately factored into lifecycle assessments. See references.

Carbon Trust publication UK

The basis for this approach originates from a publication by the Carbon Trust in the UK [5], which evaluated heat recovery system (HRS) performance under UK fan coil system design conditions. It demonstrated that an HRS with 80% thermal efficiency was able to recover 100% of the energy available for recovery – achieving what the report defined as an Annual Energy Efficiency (AEE) of 100%. In other words, under typical UK conditions, an 80% efficient heat exchanger captures all the practically recoverable energy from the exhaust air. It highlights how well-calibrated energy recovery can capture all useful thermal energy in a real-world application.

Pursuing higher HRS efficiency beyond this point can be counterproductive. While the thermal recovery might increase, the associated higher pressure drops leading to increased fan consumption, which outweighs any marginal gains in heat recovery. Therefore, for typical UK climates and systems, an 80% efficient HRS represents the optimal balance between energy recovered and additional system energy use.

Confirming the Carbon trust analysis

Assuming a supply temperature of 17°c, an extract temperature of 23°c and heat pick up of 1°c from the fan result is a heating coil load of zero. This should result in a heating coil dimensioned with an acceptable safety margin but of reduced capacity. A smaller heating coil will have less air pressure drop and deliver lower specific fan power. When properly implemented, energy recovery systems reduce the load on heating coils and therefore improve overall efficiency.

Having confirmed the basic principle demonstrated by the Carbon Trust – that an 80% efficient heat recovery system (HRS) can recover 100% of the energy that is available to be recovered under UK design conditions – we can begin to define what “optimal efficiency” in AHU design mean. However, it’s important to understand that the goal is not to reach 100% device efficiency, but instead to achieve the best overall system performance for the specific project.

To configure an AHU for optimal energy performance, several factors must be carefully evaluated:

• Geographic location, as outdoor air temperatures and humidity levels vary across regions.
• System design, since different ventilation strategies (e.g., displacement ventilation vs. fan coil units) require different supply air temperatures and airflow rates.
• Local energy costs and the carbon intensity of the electrical grid, which affect both the economic and environmental impact of running the system.

Il est également essentiel de faire la distinction entre l'efficacité du dispositif de récupération de chaleur lui-même et l'efficacité énergétique annuelle (AEE) de la CTA. L'exemple du Carbon Trust illustre le fait que, dans un système bien conçu, une unité de récupération de chaleur d'une efficacité de 80 % peut atteindre une AEE de 100 %, ce qui signifie qu'elle capture toute l'énergie qui peut être récupérée dans des conditions normales. Tenter d'aller au-delà en utilisant un dispositif plus efficace peut augmenter les pertes de charge, ce qui augmente la consommation d'énergie du ventilateur et peut entraîner une diminution, voire un rendement négatif, de l'efficacité globale du système.

Analyse LCC pour les performances et l'efficacité des CTA

Pour les consultants chargés de spécifier des CTA qui équilibrent les performances énergétiques, les objectifs carbone et le coût du cycle de vie, les outils basés sur les données sont essentiels. L'analyse du coût du cycle de vie (LCC) aide à simuler les performances réelles en fonction de facteurs spécifiques au projet, tels que les conditions climatiques, les températures de l'air, les calendriers d'exploitation et les coûts énergétiques locaux. Les graphiques ci-dessous illustrent les entrées et sorties typiques du LCC, aidant les consultants à valider leurs choix de conception à l'aide de mesures claires de la demande énergétique, du coût et de l'impact CO2. La modélisation de la récupération d'énergie joue un rôle essentiel dans ces simulations, influençant à la fois les résultats environnementaux et financiers.

Graphique 1 : Configuration des entrées – Paramètres de configuration LCC

Ce formulaire recueille toutes les données essentielles spécifiques au projet, notamment la zone climatique, les températures de l'air, les heures de fonctionnement et les coûts énergétiques locaux, qui constituent la base de la simulation des performances des CTA. Il produit ensuite des données complètes, comme le montre le diagramme ci-dessous, démontrant que l'efficacité de la récupération d'énergie doit être adaptée au climat local et à la conception du système pour être efficace.

Graphique 2 : Diagramme énergétique – Profil annuel de la demande énergétique

Ce graphique illustre les performances thermiques annuelles de l'unité de traitement d'air (UTA), en ventilant les besoins en chauffage, en refroidissement et en récupération de chaleur sur une année.

Graphique 3 : Calcul énergétique – Résumé des performances des CTA

Cette fiche de résultats résume l'efficacité énergétique, la puissance du ventilateur et les coûts d'exploitation annuels simulés de la CTA, ce qui permet de comparer directement la consommation d'énergie et les émissions de CO2 des différents composants du système.

À l'aide de ces outils, nous avons analysé de nombreux sites en Europe et comparé deux rendements énergétiques. Un tableau comparatif est présenté ci-dessous, mais il concerne un seul ensemble de conditions d'alimentation et d'extraction. Ces critères variant d'un projet à l'autre et d'un site à l'autre, il convient de toujours évaluer la meilleure solution afin de minimiser la consommation d'énergie.

Ce graphique montre que pour tous les endroits surlignés en vert, il est préférable d'avoir un taux de récupération de chaleur de 81 % plutôt que de 85 %. Plus la ville est froide, plus le taux de récupération de chaleur doit être élevé.

Autres considérations relatives à la conception

La récupération de froid doit être prise en compte lors de la configuration des serpentins de refroidissement des CTA. Cependant, un rendement trop élevé augmente la perte de charge, ce qui augmente la puissance du ventilateur, tout en n'améliorant que marginalement le refroidissement. En règle générale (par m³s), une récupération de froid de 85 % réduit la perte de charge de l'air du serpentin de refroidissement de <5 pa par rapport à une récupération de froid de 80 %, tout en augmentant la perte de charge de l'air HRS de 80 pa. L'optimisation de la récupération d'énergie pour le chauffage et le refroidissement nécessite un équilibrage minutieux afin d'éviter toute perte d'efficacité. 

Les ventilateurs des centrales de traitement d'air sont généralement dimensionnés de manière à minimiser la puissance spécifique du ventilateur (SFP) au débit d'air maximal prévu. La SFP est un indicateur clé d'efficacité, défini comme la quantité d'énergie électrique (en kW) nécessaire pour déplacer un volume d'air unitaire (en m³s). Une SFP plus faible signifie une efficacité du ventilateur plus élevée et une consommation d'énergie réduite.

Dans les applications VAV, plus le débit d'air diminue, plus le ventilateur s'éloigne du point d'efficacité maximale. La figure 5 ci-dessous montre l'impact sur le SFP de l'AHU à plein débit, à 75 % et à 50 % du débit d'air.

Tableau : AHU SFP pour applications VAV

Ce tableau indique les valeurs SFP pour une CTA dans un système VAV sous différentes configurations de ventilateurs et conditions de débit d'air. Pour une unité fonctionnant normalement à 50 % du débit d'air maximal prévu, une réduction de 25 % des coûts d'exploitation est possible avec des ventilateurs correctement dimensionnés. Ceux-ci ont également un coût d'achat inférieur.

Conclusions

Le dimensionnement adéquat des serpentins de récupération de chaleur, de chauffage et de refroidissement est essentiel pour réduire les émissions de carbone des centrales de traitement d'air et diminuer les coûts d'exploitation pour les propriétaires d'immeubles. L'intégration de la récupération d'énergie dans ces choix de conception permet de réaliser des économies supplémentaires et de réduire davantage les émissions.

Pour les systèmes VAV, le fait de prendre soigneusement en considération les débits d'air réels prévus plutôt que les débits d'air maximaux peut améliorer encore davantage l'efficacité énergétique.

Compte tenu du nombre quasi infini d'exigences possibles en matière de CTA, il est extrêmement difficile pour les concepteurs de prendre des décisions éclairées sur la meilleure solution pour le client et l'environnement. Les fabricants de CTA responsables doivent être en mesure de conseiller les concepteurs sur la réponse optimale à leur problème. La meilleure façon de le prouver est d'utiliser un programme LCC bien conçu qui fournit des données sur la consommation d'électricité en kWh, les coûts de fonctionnement et les émissions de carbone associées. Cela garantit en fin de compte que les stratégies de récupération d'énergie sont fondées sur des données réelles.

Qu'est-ce que l'efficacité optimale exactement ?

Il n'y a pas de réponse simple à cette question, car l'efficacité optimale réelle dépend de nombreux facteurs différents, comme nous l'avons vu. Tout dépend des besoins spécifiques d'un bâtiment et de son système, qui varient d'un cas à l'autre. Cependant, le principe sous-jacent est clair : l'efficacité optimale signifie atteindre la consommation d'énergie et les émissions de carbone les plus faibles possibles pour obtenir les performances requises. Cela implique de dimensionner correctement les serpentins, de configurer la conception pour obtenir des débits d'air réalistes et de sélectionner l'équipement approprié en fonction des conditions de fonctionnement.

Les consultants doivent tenir compte de ce défi lorsqu'ils choisissent un fabricant d'AHU responsable. En nous associant à FläktGroup, nous utilisons des outils d'analyse robustes du coût du cycle de vie (LCC) qui permettent de prendre des décisions basées sur des données réelles. Cela inclut la consommation d'énergie (kWh), les coûts de fonctionnement et les émissions de carbone associées tout au long de la durée de vie d'un système.

Lorsque vous sélectionnez ou spécifiez des CTA, il est toujours recommandé d'insister pour qu'une analyse complète du coût du cycle de vie soit effectuée dès le début du processus de conception. Cela vous permet non seulement d'atteindre les objectifs actuels du projet, mais aussi de préserver l'avenir opérationnel du bâtiment, de réduire les coûts à long terme et de contribuer à la réalisation des objectifs de durabilité. Utilisée intelligemment, la récupération d'énergie devient essentielle pour obtenir ces résultats à long terme.

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