Surveillance énergétique pour les installations techniques de salles blanches

Abbildung 1: Mise en service du module central de collecte de données dans la centrale de ventilation

Figure 2 : Processus DMAIC en tant que composant d'un processus d'amélioration Six Sigma

Figure 3 : Principe du système de surveillance de l'énergie utilisé

Figure 4 : Schéma schématique du principe de l'installation de traitement de l'air (WRG = récupération de chaleur ; MK = chambre de mélange ; KÜ = refroidisseur ; BEF = humidificateur à vapeur ; NE = post-chauffage ; PWT = échangeur de chaleur à plaques)

Figure 5: Régulation WRG défectueuse de l'installation : chauffage et refroidissement simultanés

Tableau 1 : Aperçu des variantes d'installations de traitement de l'air analysées

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Dipl.-Ing. (FH) Polina Bitsch (Ingénieure de projet STZ Euro)

Dipl.-Ing. (FH) Michael Kuhn (Responsable STZ Euro)

Dipl.-Ing. (FH) Ralf Hoferer (Ingénieur de projet STZ Euro)

Grâce à une surveillance énergétique spécifique, il est possible de collecter des données de mesure et de consommation temporellement rapprochées des systèmes de traitement de l'air (RLT). Les potentiels d'optimisation ainsi identifiés, notamment dans le domaine de la régulation, peuvent entraîner d'importantes économies d'énergie et de coûts, sans violer les exigences GMP. Le succès des mesures mises en œuvre peut être démontré de manière quantitative et corrigée en fonction des conditions météorologiques.

Situation de départ

Un exploitant de salles blanches (production stérile) prévoit, dans le cadre d'une mesure d'économie d'énergie sur les systèmes RLT existants, une optimisation de la régulation des volets d'air de mélange. Il s'agit de moderniser tous les huit systèmes RLT, jusqu'ici exploités avec un apport d'air extérieur minimal, avec une régulation à enthalpie contrôlée des volets d'air de mélange, afin de tirer parti de la « refroidissement gratuit ». Avant cela, l'efficacité des mesures prévues doit être évaluée pour une installation représentative. Pour cela, la régulation à enthalpie contrôlée a été activée sur une installation sélectionnée, et à l'aide d'un système de surveillance énergétique spécialisé (voir figure 3), les données de mesure et les flux d'énergie ont été enregistrés et analysés. Pour évaluer l'état actuel, un modèle de simulation de l'installation RLT avec un apport d'air extérieur minimal a été créé. Les résultats de l'étude (économies d'énergie) ont servi de base pour la décision de mise en œuvre des mesures.

Surveillance énergétique pour la prise de mesures

La surveillance énergétique fait partie d'un processus DMAIC (méthode Six Sigma) et comprend les phases Measure (M) et Control (C) illustrées dans la figure 2. La surveillance énergétique des systèmes RLT désigne une méthode de collecte de la consommation d'énergie pour les changements horaires de l'état thermique de l'air dans l'appareil de traitement de l'air, basée sur l'analyse et le traitement des données météorologiques enregistrées durant une période choisie ainsi que des données pertinentes de l'installation telles que la température, l'humidité, le débit volumique d'air, etc. [1], [3] La consommation d'énergie déterminée par la surveillance énergétique inclut les flux d'énergie pour la préparation de l'air afin d'obtenir les conditions souhaitées dans la pièce, ainsi que, le cas échéant, les pertes d'énergie lors de la production de froid, de chaleur et de vapeur.

De plus, cette méthode de collecte permet, contrairement à l'utilisation de compteurs d'énergie, de détecter des erreurs de régulation, car toutes les données de mesure pertinentes sont disponibles pour une analyse appropriée.

Les données de mesure nécessaires peuvent être collectées et transmises de diverses manières. La précision de la consommation d'énergie déterminée dépend uniquement de la position et de la précision de mesure des capteurs utilisés. Il est donc judicieux de définir tous les capteurs nécessaires, y compris leur emplacement, avant le début de la collecte, ou de vérifier la compatibilité de la capteurs existants. Par ailleurs, il est essentiel de concevoir un procédé sécurisé et, dans la mesure du possible, automatisé pour la transmission des données.

Dans l'installation existante étudiée, les données ont été mesurées notamment par les capteurs déjà installés sur l'installation, et enregistrées sous forme de moyennes sur 10 minutes à l'aide du logiciel d'automatisation du bâtiment existant. D'autres capteurs ont également été installés et enregistrés. Les données de mesure stockées ont été importées dans un logiciel spécialisé de traitement des données de mesure, puis utilisées pour le calcul de la consommation d'énergie et l'analyse des faiblesses. Le principe du système de surveillance énergétique utilisé est illustré dans la figure 3.

L'installation RLT étudiée fournit de l'air neuf à 32 000 m³/h dans des salles de production et fonctionne 24h/24, voir le schéma dans la figure 4. Elle comporte les étapes thermiques suivantes dans le traitement de l'air :

-  Récupération de chaleur KVS avec échangeur de chaleur à plaques intégré,
-  Mélange d'air recyclé (chambre de mélange),
-  Refroidissement avec déshumidification (eau froide de refroidissement),
-  Humidification à la vapeur
-  Post-chauffage

et fonctionne avec un débit constant d'air neuf et de reprise, ainsi qu'avec des conditions constantes d'air neuf d'entrée.

Les données de mesure de l'installation ont été collectées de juin à décembre 2012, permettant ainsi d'analyser le mode de fonctionnement de l'installation lors des jours d'été, d'hiver, ainsi que pendant la transition entre les deux saisons. Il a été constaté en outre que l'installation présente plusieurs erreurs de régulation. La nouvelle régulation à enthalpie contrôlée des volets d'air de mélange a parfaitement fonctionné, mais n'a pas été synchronisée avec la régulation du récupération de chaleur (WRG) dans le canal d'air extérieur, fournie par un autre fabricant. Ainsi, la WRG, y compris l'échangeur de chaleur à plaques, a souvent préchauffé l'air plus que nécessaire, ce qui a entraîné une consommation supplémentaire d'énergie de refroidissement par le biais du registre de refroidissement en aval (voir le graphique dans la figure 5).

Pour évaluer la consommation supplémentaire due aux erreurs de régulation, une simulation de l'état sans erreur a été réalisée (variante A, voir tableau 1).

Simulation de l'installation comme base pour l'évaluation

La méthode de calcul efficace pour la consommation annuelle d'énergie s'est révélée être la simulation de l'installation à l'aide de logiciels de simulation appropriés. La simulation consiste ici à calculer la consommation d'énergie pour les changements horaires de l'état thermique de l'air dans l'appareil de traitement, en utilisant les dispositions réelles, les données de performance des éléments de traitement de l'air, les fonctions et séquences de régulation mises en œuvre, ainsi que les données météorologiques du site mesurées.

Pour comparer les différents types de régulation des volets d'air de mélange, un autre modèle de simulation de l'installation avec un taux constant d'air extérieur a été créé (variante B). Une autre variante doit montrer le potentiel d'économie par l'optimisation des valeurs cibles d'humidité (extension de la plage des valeurs cibles de ± 5 % r.F., variante C).

Étant donné que le changement de mode de fonctionnement des volets n'a pas d'effet significatif sur la consommation électrique des ventilateurs, la comparaison des variantes n'a pas inclus la détermination de la consommation électrique de l'installation. Aucun facteur de conversion d'énergie n'a été pris en compte, seule l'énergie utile fournie à l'unité centrale est considérée.

Résultats

Comme indiqué dans la figure 6, la consommation totale d'énergie durant la période de collecte varie selon la variante de l'installation étudiée, de 363 MWh (variante C) à 570 MWh (état actuel). L'état actuel présente la consommation la plus élevée en raison des erreurs de régulation et de la position inappropriée de certains capteurs de régulation. En considérant l'état actuel comme 100 %, la consommation totale d'énergie (thermique) après correction des erreurs détectées (variante A) serait de 89 %. La variante A, en raison du mode de fonctionnement avec une quantité variable d'air extérieur, consomme nettement moins d'énergie de refroidissement que la variante B (-17 %). Cependant, la consommation d'énergie pour l'humidification augmente (+7 %). Au final, la régulation à enthalpie contrôlée permet une économie totale d'énergie de 49 MWh, soit 9 %.

En comparant l'état sans erreur (variante A) avec la variante C, une économie supplémentaire de 29 % est réalisée grâce à l'optimisation des valeurs cibles d'humidité. La variante C apparaît comme le mode de fonctionnement le plus efficace énergétiquement, réalisable sans mesures coûteuses ni violation des exigences GMP fixées.

Résumé

Sur la base de l'analyse décrite, la régulation à enthalpie des volets d'air de mélange sera activée sur toutes les 8 installations, et les erreurs détectées par la surveillance énergétique seront corrigées. De plus, les valeurs cibles d'humidité seront optimisées comme décrit (voir [2]). Par rapport à la régulation avec un apport d'air extérieur minimal constant, une économie d'environ 36 % est attendue, ce qui correspondrait à une réduction des coûts d'environ 28 000 € par an pour l'installation de référence, soit environ 174 000 € pour 8 installations par an. La surveillance énergétique sera prolongée d'un an pour vérifier les économies prévues.

La surveillance énergétique réalisée dans le cadre du projet, combinée à la simulation de l'installation, a montré que l'efficacité énergétique des systèmes RLT dépend fortement du concept de régulation choisi. Grâce à la surveillance énergétique, il est possible non seulement de déterminer la consommation d'énergie d'une installation RLT, mais aussi de détecter diverses erreurs de régulation, telles que le préchauffage et le refroidissement simultanés. La correction de ces erreurs peut contribuer de manière significative à l'économie d'énergie d'une installation RLT, sans nécessiter de mesures d'investissement coûteuses.

Références
[1] VDI 2083 Feuille 4.2 : Techniques de salles blanches - Efficacité énergétique, avril 2011.
[2] Bitsch, P. et Kuhn, M. : Déshumidification économe en énergie dans les systèmes de climatisation de salles blanches. Dans : Techniques de salles blanches 2010 (2), p. 16-20.
[3] Kuhn, M. : Nouvelle méthode pour l'optimisation opérationnelle des systèmes de climatisation de salles blanches. Dans : Rapports VDI ; 2083, Francfort 2009, p. 195-203.