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Pour les chaudières, la conception des détails est importante

Le campus principal du Finger Lakes Community College est situé à la pointe nord du lac Canandaigua, l’un des 11 lacs de la région des lacs Finger de New York. Le collège dessert près de 6 000 étudiants sur quatre campus. Il est placé sous la juridiction de la New York State University, qui comprend 64 écoles de quatre et deux ans. Le plan stratégique de durabilité de SUNY comprend des critères de référence pour la conservation de l’eau, l’efficacité énergétique, la durabilité du système alimentaire et les infrastructures vertes.

Les initiatives d’efficacité énergétique comprennent Energy Smart New York, qui nécessite une réduction de 30% de la consommation d’énergie de SUNY d’ici la fin de cette année; Build Smart New York, une initiative du gouvernement d’Andrew Cuomo visant à réduire la consommation d’énergie des agences gouvernementales de 20%; et Brownfield à Brightfield, un projet pilote de recherche sur l’utilisation des énergies renouvelables sur les sites de l’EPA Brownfield.

Lorsque la directrice des installations et des champs du FLCC, Cathy Ahern, est arrivée au collège en 2014, sa priorité était d’examiner le fonctionnement des systèmes mécaniques existants et d’obtenir une meilleure base de référence avant de lancer tout projet d’énergie alternative sur le campus.

Le Finger Lakes Joint College, situé à l'extrémité nord du lac Canandaigua dans la région de Finger Lakes à New York, dessert près de 6 000 étudiants sur quatre campus. Il a récemment lancé un projet d'économie d'énergie pour remplacer deux chauffe-eau obsolètes par des modèles à haut rendement - et un système de chauffage et d'alimentation micro-combiné super-efficace.Le Finger Lakes Joint College, situé à l’extrémité nord du lac Canandaigua dans la région de Finger Lakes à New York, dessert près de 6 000 étudiants sur quatre campus. Il a récemment lancé un projet d’économie d’énergie pour remplacer deux chauffe-eau obsolètes par des modèles à haut rendement – et un système de chauffage et d’alimentation micro-combiné super-efficace.Photographe: Finger Lakes Community College

«La première chose que tout le monde veut, c’est voir des panneaux solaires et des éoliennes sur le campus; ils pensent que c’est vraiment cool « , dit-elle. » Mais j’ai commencé le programme de réduction d’énergie en examinant d’abord nos anciens équipements mécaniques et en remplaçant les équipements les plus efficaces si nécessaire.  »

À cette fin, Ahern a établi un partenariat avec Bill Coe, directeur du développement de projets à Rochester, EMCOR Services Bethlehem, basé à New York. Ils ont commencé une étude sur la conservation de l’énergie, financée en partie par la New York State Administration for Energy Research and Development (NYSERDA), afin d’identifier des projets d’investissement pour améliorer l’efficacité énergétique du FLCC.

Cette inspection approfondie de l’équipement mécanique sur le campus a abouti à une liste d’une vingtaine de mesures de conservation d’énergie, note Ahern, qui ont ensuite été classées par ordre de priorité. «Vous choisissez les 10 meilleurs et commencez à obtenir des fonds pour eux», dit-elle. « C’est comme un plan directeur, si vous voulez. »

Le remplacement d’un système de chauffage à eau obsolète composé de deux chaudières Lochinvar installées il y a plus de 25 ans et d’un grand réservoir d’eau chaude a été le premier et le seul projet à recevoir un financement jusqu’à présent. La discussion sur d’autres projets a été interrompue après que le virus COVID-19 a frappé le campus.

Ahern, qui est ingénieur en mécanique et possède plus de 30 ans d’expérience en CVC et en plomberie, savait que les vieilles chaudières devaient disparaître. Il ne visait qu’à remplacer les chaudières par des modèles à plus haut rendement. Mais après avoir parlé à Coe et visité Lochinvar, elle s’est engagée à utiliser le chauffage et l’électricité microcombinés (CHP) d’un fabricant de chauffage pour compléter le système de chauffage de l’eau du campus.

« Il y a plusieurs raisons pour lesquelles cela a du sens. La raison numéro 1 est que le FLCC, avec l’aide d’une micro-centrale, a pu produire de l’électricité en même temps, tandis que l’eau chaude domestique en faisait de l’eau chaude », explique Coe. «La deuxième raison était la taille; pas comme un système de cogénération plus grand typique. La taille du système de micro-cogénération correspondait à peu près aux besoins en eau chaude sanitaire.  »

De plus, le micro CHP offre un chauffage d’espace supplémentaire, ce que Coe admet être un défi de conception.

« Concevoir et exploiter une stratégie qui permet à un système de micro-cogénération de produire non seulement de l’eau chaude sanitaire, mais également de l’eau de chauffage par le biais de plusieurs systèmes d’eau chaude, était un défi unique », se souvient-il. « Il a rendu la conception plus complexe qu’un système de chaudière typique ou un système de micro-cogénération typique, mais avec des fonctionnalités supplémentaires, nous sommes en mesure de maximiser la production de micro-cogénération. »

Comment fonctionne CHP?

Le système combiné de chaleur et d’électricité implique la cogénération, un processus dans lequel une seule source de carburant, comme le gaz naturel, brûle dans un moteur à combustion interne, produisant de la chaleur lorsque le générateur tourne et génère de l’électricité.

« L’avantage est qu’il y a un minimum de déchets », explique Tommy Olson, directeur du segment de marché à Lochinvar avec plus de 30 ans d’expérience dans l’industrie du chauffage hydraulique. «La cogénération vous permet de collecter la chaleur des moteurs, des gaz d’échappement et des générateurs et de transférer la chaleur à l’eau chaude. Une centrale électrique typique peut avoir un rendement de 36%. Nous pouvons réduire notre consommation de carburant à 93%, car nous obtenons une efficacité de 31% en dehors de l’alimentation électrique, ainsi qu’une efficacité thermique de 62%.  »

Il ajoute que lorsque la cogénération est intégrée dans un bâtiment, il n’y a généralement pas de pertes sur la ligne électrique de la centrale électrique – entre 8 et 15%. « Ainsi, 36% de la centrale électrique ne pourrait représenter que 25% sur la base de toutes les pertes par le biais du système de transmission », a déclaré Olson. « Avec la micro-centrale de Lochinvar, nous produisons de l’énergie très efficace et produisons de l’eau chaude en même temps. »

Pour qu’un système de micro-cogénération offre un retour sur investissement raisonnable, il est crucial de maximiser le temps de fonctionnement du moteur, dit Olson. Le système de cogénération Lochinvar XRGI 25 produit 24 kilowatts d’électricité et 163 000 Btu de chaleur.

«Nous voulons recharger complètement le système de chauffage; nous voulons attirer ces 163 000 Btu de 18 à 24 heures par jour », explique-t-il. « Il maximise le temps de fonctionnement du moteur. Du côté des moteurs, nous produisons de l’électricité à bas prix du gaz naturel, contrairement au tarif KW facturé par la compagnie d’électricité. De plus, nous pouvons également réduire ce que l’on appelle le coût de la demande – le supplément sur votre facture d’électricité de votre charge de base à votre charge de demande maximale.  »

Alors qu’Olson et son équipe analysent les projets, ils ont vu quelque part entre 40 et 50% du coût électrique du bâtiment en cours de facturation. «Si nous pouvons réduire la consommation d’une unité à 24 kW, nous réduisons la demande de pointe», dit-il.

Le XRGI 25 micro CHP utilise un moteur Toyota 4Y connecté à un générateur à induction. Une fois que le moteur atteint 1840 tr / min, il se synchronise avec le secteur et commence à restituer le courant au bâtiment. La chaleur du moteur, du générateur d’induction et des gaz d’échappement est libérée et transférée par la solution de glycol à l’échangeur de chaleur à plaques dures. De là, il va au réservoir de stratification, où l’eau est refroidie avant de retourner au moteur.

Olson met en évidence des avantages environnementaux supplémentaires pour la micro-cogénération: «Combustion extrêmement propre sur notre système. Il dispose d’un convertisseur catalytique et le système est capable d’émissions ultra-faibles. En produisant uniquement de l’électricité et en ne comptant pas sur les feux de charbon, les combustibles fossiles ou un autre type de centrale électrique, les propriétaires de bâtiments peuvent prendre des mesures pour réduire l’impact sur les émissions environnementales.  »

Maximiser la sortie

Le nouveau système de chauffage du Finger Lakes Community College combine le système de microproduction CHP XRGI 25 de Lochinvar avec deux Lochinvar Knight 399 000 Btu / h, des chaudières à haut rendement et deux réservoirs d’eau chaude. Cela permet au système de prioriser et de produire de l’eau chaude sanitaire avec une plus grande efficacité et de réduire les coûts énergétiques du campus, tout en produisant de l’électricité – ainsi qu’en fournissant du chauffage pour près de 500 000 pieds carrés de bâtiments du campus.

«Nous avons pu éteindre de très grandes chaudières Cleaver-Brooks et fournir de la chaleur sur le campus par le biais de la cogénération», explique Ahern.

Micro CHP est connecté au système d’automatisation des bâtiments Siemens. En été (ou lors de la commande d’un séjour à domicile COVID-19), lorsque le besoin en eau chaude est moindre, le système doit toujours fournir un refroidissement confortable au bureau, explique Coe.

« C’est à ce moment que le système de micro-cogénération change de vitesse et envoie de l’eau chaude dans la boucle de chauffage de l’eau chaude », explique-t-il. «Cela permet au FLCC d’utiliser encore plus pleinement le système de micro-cogénération et de mieux contrôler l’humidité dans le bâtiment. Les principaux systèmes de la zone administrative sont des zones VAV avec chauffage. « 

D'autres sont des canalisations murales, des commandes et des pompes: le système de cogénération du FLCC produit de l'eau chaude sanitaire et de l'électricité, ainsi que du chauffage pour près de 500 000 pieds carrés de bâtiments du campus.D’autres sont des canalisations murales, des commandes et une pompe: le système de cogénération du FLCC produit de l’eau chaude sanitaire et de l’électricité, ainsi que du chauffage pour près de 500 000 pieds carrés de bâtiments du campus.Photographe: EMCOR Services Betlam.

Services EMCOR Bethléem avait une équipe de trois pipelines / mécaniciens qui a installé le système en juin 2019 et l’a terminé en septembre juste avant le début des cours. Coe note que les sous-traitants travaillant à Bethléem ont intégré le système de micro-cogénération dans le système d’automatisation des bâtiments du collège existant. Des électriciens, des isolateurs et d’autres corps de métier étaient nécessaires pour que le système soit opérationnel.

« Il était crucial d’essayer de garder la maison chaude à l’école pendant cette opération », explique Coe. « Nous avons pu apporter des chaudières temporaires pour faciliter la transition, de sorte que la faculté n’a pas perdu d’eau chaude sanitaire lors de la démolition de l’usine principale. »

L’un des défis d’installation les plus importants liés à la ventilation du système du sous-sol, explique Ahern. «Il y avait autrefois un conduit de cheminée que nous pensions aller du sous-sol au toit, qui fait quatre ou cinq étages», explique-t-elle. « Il y avait une vieille cheminée abandonnée dans cette cheminée et EMCOR y a attaché des tuyaux en PVC. Nous l’avons nettoyé au fond, mais nous ne savions pas où il s’arrêtait; il n’a jamais atteint le toit.  »

Une fois qu’ils ont commencé la cogénération, il y a eu un problème immédiat avec la rédaction. Il y avait trop de contre-pression, provoquant l’arrêt du CHP. Finalement, EMCOR est retourné et a remplacé, sans frais supplémentaires, le tuyau en PVC en acier inoxydable et a fixé le toit.

Dépasser les attentes d’efficacité

Le modèle énergétique a été construit à l’aide d’une étude énergétique initiale de NYSERDA, note Coe. «Une fois que nous avons décidé de mettre en œuvre un système de micro-cogénération dans le FLCC, nos ingénieurs en énergie ont fait un calcul de feuille de calcul pour déterminer quelles seraient les économies d’énergie», dit-il. « Et les économies d’énergie semblent actuellement dépasser ce que nos modèles nous avaient initialement dit que nous économiserions uniquement en fonction de l’utilisation. »

Les modèles ne montraient pas initialement une pleine utilisation du système. Mais Coe dit que les opérateurs FLCC se sont assurés d’envoyer des demandes d’eau chaude à BAS pour utiliser pleinement le système de cogénération.

«À ce stade, nous n’avons pas effectué de surveillance et de vérification, mais je sais que nous prévoyons que la faculté économisera plus de 11 000 $ par an», explique-t-il. « J’ai vérifié sur place où le système est utilisé plus efficacement, nous devons croiser ces chiffres. Ils économisent probablement de 12 000 $ à 15 000 $ par année.  »

Il ajoute que ces économies comprennent l’efficacité de nouvelles chaudières hautement efficaces: «Un système mécanique peut produire de l’eau chaude avec une plus grande efficacité. La combinaison de systèmes de production d’électricité micro-cogénération et de chaudières Knight qui fonctionnent plus efficacement à un pourcentage plus élevé de l’année – cela conduit à une consommation d’énergie réduite pour FLCC et à une dépendance moindre à leurs chaudières à eau chaude primaires.  »

Ahern est ravi du système de micro-cogénération. «Lochinvar fait un bon travail d’enseignement; il y a une vidéo YouTube sur le fonctionnement du système [at www.youtube.com/watch?v=-FHDxLmQS88] », dit-elle. » Je pense qu’une fois que vous aurez compris cela, vous voudrez l’utiliser. C’est petit; cela ne prend pas beaucoup de place. C’est calme. J’investirais plus si je le pouvais.  »

Pour Coe, il voit comment la micro-cogénération ouvre de nombreuses opportunités aux entrepreneurs.

« La taille du système de micro-cogénération est excellente », dit-il. « C’est la taille idéale pour répondre aux besoins en eau chaude du bâtiment. Cette taille de chaudière est souvent rencontrée à l’intérieur du bâtiment. Ainsi, au lieu de remplacer une chaudière similaire, les entrepreneurs devraient analyser la possibilité d’installer un système de micro-cogénération au lieu ou conjointement avec une chaudière de cette taille.  »

L’écrivain Kelly Faloon est un contributeur au magazine CONTRACTOR. Ancienne rédactrice en chef du magazine Plumbing & Mechanical, elle a plus de 20 ans d’expérience dans l’industrie de la plomberie et du chauffage et de l’édition B2B. Né dans la péninsule nord du Michigan, Faloon est diplômé en journalisme de la Michigan State University.