La signature énergétique de l’installation est présentée sur la Figure 36. Il s’agit de la puissance moyenne journalière fournie au réseau (en rouge) et consommée par les preneurs (en bleu) en fonction de la température extérieure (moyenne journalière).
-5 0 5 10 15 20 25 30
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
Text [°C]
Puissance [MW]
Productionjour tot.
Consommationjour tot.
Figure 36 : Signature énergétique de l’installation en valeurs journalières sur l’année 2011 ; en rouge : production, en bleu : consommation
On note un comportement linéaire classique de la consommation en fonction de la température extérieure, qui s’explique par le comportement linéaire des bâtiments (du point de vue thermique) en fonction de la température extérieure. L’écart entre les deux courbes correspond aux pertes réseau.
On observe un palier au dessus de 18°C (température de non-chauffage), qui correspond à la demande en ECS hors période de chauffage. Celle-ci s’élève à environ 100 kW (nécessitant une production de 200 kW pour couvrir les pertes réseau). On constate également ici le surdimensionnement de la petite chaudière, qui avait été prévue pour fonctionner à pleine charge durant la période estivale pour la production de l’ECS, or la production estivale ne représente que 30% de sa puissance maximale (>2’000 heures par an).
III
III.B.1 Fonctionnement général de la chaufferie
III.B.1.a Répartition de la production par chaudière
La Figure 37 présente la répartition de la couverture des besoins du réseau par chacune des 3 chaudières (petite et grande chaudière bois, chaudière mazout).
.B Fonctionnement général de l’installation (mesures permanentes)
Les résultats présentés dans cette section sont issus des mesures permanentes réalisées sur toute l’année 2011 (cf. paragraphe II.A.1).
Figure 37 : Répartition de la production par chaudière, valeurs journalières absolues en kWh/jour et relatives en pourcentage de la production totale journalière ; en rouge : grande chaudière, en vert : petite chaudière, en bleu : chaudière mazout Le basculement de la grande à la petite chaudière s’est fait le 19.04.2011 et le basculement de la petite à la grande chaudière le 17.11.2011. A notre demande, l’utilisation de la petite chaudière en automne a été prolongée afin de pouvoir réaliser les campagnes de mesures sur la petite chaudière à pleine charge. En temps normal, la date de basculement devrait plutôt se situer autour de début novembre.
L’utilisation de la chaudière mazout est uniquement liée à des pannes sur la grande chaudière, qui ne devraient pas se reproduire sur les années suivantes. En 2011, la grande chaudière a fourni 59% de la chaleur, la petite chaudière 34% et la chaudière mazout 7%.
III.B.1.b Niveaux de température chaudières et réseau
Tableau 8
st présentée en Annexe 11.
Tableau 8 : Moyenne saisonnière et annuelle des températures de fonctionnement sur l’installation de Cartigny (année 2011)
.1
Les températures de fonctionnement moyennes des chaudières et du réseau sont présentées dans le
(périodes de pannes et dysfonctionnement filtrées). L’évolution des températures chaudières et réseau (départ et retour) sur l’année 2011 e
°C annuelle
La température de départ des chaudières est une consigne fixée par l’exploitant en fonction des conditions extérieures (il est possible d’entrer une courbe de chauffe en fonction de la température extérieure mais elle n’est pas activée). La température de départ du réseau dépend de la température à la sortie des chaudières.
Les températures de fonctionnement sont proches pour la petite et la grande chaudière, avec cependant une différence de température départ/retour plus élevée de 4K pour la grande chaudière.
La température de départ du réseau en période estivale est élevée (80°C) alors qu’il n’y a pas de demande de chauffage mais seulement une demande en ECS. La température de retour du réseau est également élevée (70°C) et la différence de température départ/retour du réseau est plus faible (<10K) que l’hiver, ce qui montre que la fourniture de la puissance nécessaire à la production de l’ECS est largement assurée. On pourrait diminuer la température de départ du réseau en dessous de 70°C en été, ce qui permettrait de diminuer les pertes du réseau, qui sont élevées durant cette période (cf. paragraphe III.A.1). Cette modification a d’ailleurs été mise en œuvre en été 2012.
Q
température de départ du réseau devrait être proche de la température de sortie de la chaudière et la température uelques situations typiques de niveaux de températures sont présentées en Annexe 11. En temps normal, la de retour du réseau devrait être proche de la température d’entrée de la chaudière. Dans la pratique, on observe souvent un écart, lié à l’existence d’une mesure de protection (by-pass) sur les chaudières (cf. paragraphe I.C.4.a).
III.B.2 Fonctionnement des chaudières III.B.2.a Puissance
i. Préelle vs. Pconsigne L
consigne (en valeurs horaires). La droite noire représente l’égalité entre puissance fournie et puissance de consigne au temps t.
a Figure 38 met en relation la puissance fournie par les deux chaudières en fonction de leur puissance de
Figure 38 : Puissance fournie en fonction de la puissance de consigne au temps t (valeurs horaires) ; en rouge : grande chaudière, en vert : petite chaudière
De manière générale, on constate que la puissance fournie est généralement plus élevée que la consigne,
ii. Mode stand-by/30%
Durant le suivi, nous avons noté que les chaudières fonctionnent souvent dans un mode oscillant entre minimum technique (30% de charge) et stand-by, à cause du surdimensionnement des chaudières, particulièrement problématique au moment des faibles demandes. La Figure 39 présente pour l’année 2011 le pourcentage du temps où la puissance de consigne est inférieure ou égale à 30% (données journalières) :
d’environ 30% pour la grande chaudière et 50% pour la petite chaudière. La petite chaudière devait réglée en 2012 de manière à ne pas dépasser sa puissance maximale. D’après le constructeur, la puissance maximale devrait être respectée à 10% près pour éviter une usure prématurée de la chaudière (notamment les réfractaires).
Figure 39 : Temps de fonctionnement en dessous de 30% de la puissance nominale ; en rouge : grande chaudière, en vert : petite chaudière
Cette part est en moyenne de 17% pour la grande chaudière en 2011, particulièrement au printemps avant le basculement de la grande vers la petite chaudière. A noter que cette part peut varier grandement d’une année à l’autre en fonction de la date où le basculement des chaudières est effectué.
Elle est par contre de plus de 70% pour la petite chaudière (soit une grande partie de la période estivale), à cause de son surdimensionnement évoqué au paragraphe III.A.2. Ce fonctionnement prolongé à de faibles taux de charge en alternance avec des périodes de stand-by peut être préjudiciable pour la durabilité des réfractaires de la chaudière, malmenés par les chocs thermiques à répétition liés aux changements de régime de fonctionnement. Il
est forteme harg
paragraphe III.C.4.b).
La Figure 40 présente la température des fumées du taux de charge des chaudières en moyenne horaire sur toute l’année 2011.
nt péjorant pour les émissions de CO, qui sont plus importantes à faible taux de c e (cf.
III.B.2.b Fumées
i. TempératureFigure 40 : Température (moyennes horaires) ; en rouge : grande chaudière, en vert : petite chaudière
vés. La température des fumées est relativement élevée (150-250°C) pour les deux chaudières (plus élevée pour la grande chaudière que pour la petite
peut rentrer deux valeurs correspondant aux conditions extrêmes de fonctionnement (30%
et 10 chaudière interpole entre les deux pour les taux de charge intermédiaires.
La com arge partielle, on règle en général un taux d’oxygène résiduel dans les fumées plus impo xcès d’air suffisant. Les valeurs de consigne sont ajustées régulièrement par l’exploitant en fonction de la qualité du combustible essentiellement. Le Tableau 9 présente à titre d’exemple
urant la période de mesure).
des fumées en fonction du taux de charge de la chaudière
On observe que la température des fumées augmente avec le taux de charge de la chaudière, ce qui s’explique par le fait que l’échangeur est moins performant lorsque les débits sont éle
à même taux de charge). Les pertes thermiques par les fumées vont représenter l’essentiel des pertes d’énergie de la chaudière (cf. paragraphe III.C.3.c).
ii. Taux d’oxygène résiduel
Le taux d’oxygène résiduel dans les fumées est une consigne réglable en fonction du taux de charge de la chaudière : l’exploitant
0% de charge), et l’automate de la bustion étant plus difficile à ch
rtant pour atteindre un e
quelques valeurs de consigne programmées pour les deux chaudières de Cartigny (NB : les valeurs de consigne ont donc varié d
Tableau 9 : Exemples de valeurs de consigne d’oxygène résiduel pour les deux chaudières
date modification
taux de charge 30% 100% 30% 100% 30% 100% 30% 100%
consigne excès d'air GC 9% 8% 7.5% 6.5% 9.5% 8.5%
consigne excès d'air PC 9% 8% 9.5% 8.5% 7.5% 6.5%
21.02.2011 01.03.2011 10.03.2011 25.03.2011
La Figure 41 présente le taux d’oxygène résiduel dans les fumées pour les deux chaudières en fonction du taux de charge (moyennes horaires).
Figure 41 : Taux d’oxygène résiduel dans les fumées en fonction du taux de charge de la chaudière (moyennes horaires) ;
n électrique
Une installation comprenant une chaudière bois met en jeu de nombreux auxiliaires consommant de l’électricité (convoyage du bois, moteurs, ventilateurs…). La Figure 42 présente la consommation électrique des deux chaudières de Cartigny en fonction de la puissance thermique fournie (valeurs horaires).
en rouge : grande chaudière, en vert : petite chaudière
Globalement, le taux d’oxygène résiduel dans les fumées diminue lorsque le taux de charge augmente. En dessous de 30% de taux de charge, on observe une zone erratique liée à des périodes de fonctionnement alternant stand-by et 30% (minimum technique). En dessus de 30% par contre, on observe des valeurs plus cohérentes avec la diminution attendue, en notant que le taux d’oxygène résiduel dans les fumées est plus important pour la grande chaudière que pour la petite.
III.B.2.c Consommatio
Figure 42 : Consommation électrique des chaudières en fonction de la puissance fournie ; en rouge : grande chaudière, en vert : petite chaudière
On note que la petite chaudière consomme moins d’électricité à puissance thermique égale, ce qui n’est pas étonnant puisque les auxiliaires de la grande chaudière ne sont pas dimensionnés pour fonctionner aux faibles puissances.
Pour la grande chaudière, la consommation électrique varie entre 0.008 et 0.03 kWh électrique / kWh thermique, (COP=30 à 125) alors que pour la petite, elle est d’environ 0.008 kWh électrique / kWh thermique sur toute la gamme de puissance (COP=125).
Il
seules. Par contre, PERDURA ble de la chaufferie (incluant
leur distribuée (d’après [PERDURANCE; 2010], l’électricité de pompage représente de l’ordre de 40% de l’électricité totale consommée par l’installation).
est difficile de trouver d’autres études similaires pour comparer la consommation électrique des chaudières NCE [2010] a retenu des valeurs pour l’ensem
notamment la consommation des pompes réseau) allant de 20 à 40 kWh électriques/MWh utile. Dans le cas de Cartigny, l’analyse des factures d’électricité sur l’année 2011 a fait état de 183 MWh consommés pour 4 GWh vendus, soit un ratio d’environ 46 kWh électriques/MWh utile. Cette valeur est légèrement supérieure à celles proposées par [PERDURANCE; 2010] mais cela pourrait s’expliquer par la faible densité du réseau, qui induit une électricité de pompage importante par rapport à la cha
III.C Performances des chaudières (campagnes de mesure)
Les résultats présentés dans cette section sont issus des campagnes de mesures (cf. paragraphe II.A.1).
III.C.1 Humidité du bois
La connaissance de l’humidité du bois permet de calculer le pouvoir calorifique du bois et l’énergie entrant dans la chaudière. L’humidité du bois a été mesurée uniquement durant les campagnes de mesure, par l’intermédiaire de prélèvements d’échantillons périodiquement (toutes les 15 min durant la 1ère campagne et toutes les 30 min durant les campagnes suivantes). Ces échantillons ont par la suite été analysés en laboratoire (pesée avant/après étuvage). La Figure 43 présente l’évolution de l’humidité du bois au cours de l’ensemble de nos campagnes de mesure.
Figure 43 : Humidité du bois des échantillons collectés toutes les 15/30 minutes en fonction du temps sur l’ensemble des campagnes menées ; en rouge : grande chaudière, en vert : petite chaudière
L’humidité du bois a été assez faible (entre 30 et 35% en majorité), plus faible en été et au début de l’hiver, les plaquettes ayant eu le temps de sécher durant l’été. Elle augmente au cours de l’hiver pour atteindre 40%, probablement à cause du fait qu’en plein hiver, les quantités à fournir sont plus importantes, ce qui ne laisse pas autant de temps au bois pour sécher avant utilisation.
L’humidité du bois peut influer sur la capacité de la chaudière à fournir la puissance de consigne : un bois plus humide demandera plus d’énergie pour l’étape de séchage dans la chaudière avant combustion, énergie qui est
prélevée sur l’énergie entrante. La Figure 44 montre que dans la pratique ce n’est pas le cas : la chaudière est urs restent acceptables (à issance de consigne n’est capable de fournir la puissance de consigne quelle que soit l’humidité du bois si les vale
noter que dans le cas de la petite chaudière, la différence entre puissance fournie et pu pas liée à l’humidité du bois mais au mauvais réglage de la chaudière).
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 22
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 22
Pconsigne [MW]
P fournie [MW]
GC H < 30%b GC 30 < Hb < 35%
GC Hb > 35%
PC Hb < 30%
PC 30 < Hb < 35%
Hb moyen = 33%
Figure 44 : Puissance fournie en fonction de la puissance de consigne pour différents niveaux d’humidité du bois (moyenne horaire)
En effet, la chaudière dispose de réglages permettant d’adapter le fonctionnement de la chaudière en fonction de la qualité du bois, et notamment de son taux d’humidité. Les principaux réglages concernent l’amenée de bois, le taux d’oxygène résiduel dans les fumées et le rapport air primaire/air secondaire. Ces réglages ont été modifiés à plusieurs reprises par l’exploitant durant la période de mesure pour suivre l’évolution de l’humidité du bois.
III.C.2 Excès d’air
L’excè
résiduel s
s d’air a pu être calculé durant les campagnes de mesure grâce à la connaissance du taux d’oxygène sur fumées sèches (mesuré par l’analyseur) en plus du taux d’oxygène résiduel sur fumées humide (mesuré par la sonde lambda). La relation utilisée est celle proposée au paragraphe II.C.6. La Figure 45 présente l’excès d’air en fonction du taux de charge des chaudières (moyennes horaires).
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0
0.5 1 1.5 2 2.5 3
Taux chargeconsigne [%]
[-]
GC 1h
PC 1h
Figure 45 : Excès d’air λ en fonction du taux de charge de la chaudière durant les campagnes de mesure (moyennes horaires) ; en rouge : grande chaudière, en vert : petite chaudière
Pour la grande chaudière, on observe une diminution de l’excès d’air lorsque le taux de charge augmente. La
variat de
charge, l’excès d’air est semblable pour les deux ch s entre 1.5 et 2, ce qui est plutôt élevé par
d’air de 2.34 en moyenne annuelle sur une chaudière bois de 350 kW en Suisse.
III.C.3 Rendement
ion de l’excès d’air avec le taux de charge est moins évidente pour la petite chaudière. Au dessus de 50%
audières et compri
rapport aux préconisations du constructeur5 (1.5) mais conforme aux préconisations habituelles6. Les valeurs dépassent même 2.5 à faible charge sur la grande chaudière.
Cela ne semble pas être un cas isolé puisque Good et al. [2006] rapportent des valeurs mesurées d’excès
La mesure du rendement instantané des chaudières sur toute leur gamme de fonctionnement est un point central de l’étude. Pour rappel, le rendement instantané a été estimé durant les campagnes de mesure selon deux méthodes (cf. paragraphes II.A.1 et II.B) :
5 Commande et régulation http://www.mueller‐holzfeuerungen.ch/download.php?f=de71fed3d10401daa880a0efaebc7ca1,
consulté en juin 2013
6 Documentation suisse du bâtiment http://www.verenum.ch/Publikationen/Baudoc08t1.pdf, consulté en juin 2013
- la méthode dite « directe », par quantification de l’énergie entrant et sortant de la chaudière sur un laps de temps défini,
- la méthode dite « indirecte » ou méthode de Siegert, utilisée de manière classique.
L’annexe 12 présente en détail un exemple de calcul du rendement sur une journée type par les deux méthodes à partir des mesures réalisées. La Figure 46 présente l’évolution du rendement horaire de la grande chaudière sur la journée du 29.11.2010, calculé selon les deux méthodes. Les valeurs de rendement sont similaires avec les deux méthodes, mais semblent plus stables avec la méthode de Siegert.
0
méthodes sur la journée du 29.11.2010 Les chaudières (en particulier la petite) fonctionnent souvent dans un mode alternant entre leur minimum
arfois durant des journées entières. Durant les périodes de fonctionnement en
ecte sur la journée entière pour s’affranchir des effets d’inertie de la chaudière, ce qui aboutit à une seule valeur de rendement pour chaque journée de mesure dans ces conditions (2 par chaudière), mais plus fiable. L’annexe 12 présente un exemple de mesures sur une journée en mode stand-by/30%.
Figure 46 : Rendement horaire de la grande chaudière mesuré par les deux
techniques (30%) et le stand-by, p
stand-by, la méthode de Siegert ne peut pas s’appliquer car elle est basée sur la composition instantanée des fumées (les ventilateurs de pulsion sont coupés durant le stand-by). Pour les journées en mode stand-by/30%, le rendement a été calculé de manière dir
III.C.3.a Rendement en fonction du taux de charge
Les résultats obtenus pour chaque chaudière sont présentés en Figure 47.
0
Moyenne Mode Stand-by GC
1h Siegert GC
Taux de chargeconsigne [%]
[%] 1h PC
Moyenne Mode Stand-by PC
1h Siegert PC
Robust fit PC Robust fit Siegert
Rendement moyen GC mesuré : 82.6% ( = 7.4%) Rendement moyen GC Siegert : 84.2% ( = 1.8%)
Rendement moyen PC mesuré : 89.9% ( = 5.3%) Rendement moyen PC Siegert : 88.5% ( = 1%)
Figure 47 : Rendement mesuré (moyenne horaire) en fonction du taux de charge de la chaudière selon la méthode directe et la méthode de Siegert ; en haut : grande chaudière, en bas : petite chaudière ;
en jaune : périodes de fonctionnement en mode stand-by/30%
Les résultats principaux sont les suivants :
Pour les deux chaudières et selon les deux méthodes, le rendement est quasi invariant en fonction de la puissance fournie (i.e. du taux de charge), ce qui est contraire à ce qu’on s’attendait à observer a prio , i.e.
une diminution du rendement avec le taux de charge, notamment à cause des pertes par rayonnement ent
e gaz dangereux dans la chaudière, mais qui a aussi pour effet de refroidir la chaudière (à l’origine de pertes thermiques importantes durant les phases de stand-by), ce qui n’est pas le cas ici.
On peut donc estimer un rendement moyen sur toute la gamme de mesure, qui s’élève à :
ri (peu dépendantes du taux de charge de la chaudière en valeur absolue, devenant donc potentiellem significatives à bas taux de charge). Dans notre cas, les chaudières sont très bien isolées (la paroi des chaudières est quasiment froide), si bien que les pertes radiatives sont négligeables.
Le rendement mesuré durant les phases stand-by/30% n’est pas différent du rendement mesuré lors du fonctionnement à puissance plus élevée alors qu’on s’attendrait à observer une dégradation importante de sa valeur. Ce phénomène est probablement lié à la qualité de l’isolation de la chaudière et à l’arrêt complet des ventilateurs d’air primaire et secondaire durant les phases de stand-by. A noter que classiquement dans les chaudières bois, un balayage d’air minimal est maintenu pour limiter les risques d’accumulation d
- pour la grande chaudière : 82.6% selon la méthode directe, 84.2% selon la méthode de Siegert selon la méthode de Siegert
ec une différence de +/- 1.5 point entre les résultats, mais la dispersion des points calculés par la méthode directe est plus importante que par la méthode de Siegert.
Les rendements observés sont bons pour ce type de chaudière et proches de ceux annoncés par les constructeurs habituellement (80-85%). Le rendement moyen de la petite chaudière est plus élevé que celui de la grande chaudière d’environ 5 points. A noter que les grandes installations ont d’habitude de meilleurs rendements que les petites, mais dans notre cas, il faut noter la différence de technologie : la petite chaudière est fabriquée en série et totalement automatisée, tandis que la grande chaudière a été conçue quasiment sur mesure et se rapproche plus du « prototype ».
III.C.3.b Estimation de l’incertitude sur les mesures de rendement
L’incertitude sur le rendement selon les deux méthodes a été calculée par la propagation des incertitudes de mesure sur les différentes grandeurs utilisées dans le calcul (cf. paragraphe II.B) avec les hypothèses suivantes :
- pour la petite chaudière : 89.9% selon la méthode directe, 88.5%
Les résultats obtenus selon les deux méthodes sont cohérents, av
0.03%
Avec ces valeurs, nous avons estimé l’incertitude sur les mesures de rendement horaire des deux chaudières selon les deux méthodes :
- méthode directe : grande chaudière direct
5 6%
direct
La différence d’incertitude entre les deux méthodes est importante. A noter que pour la méthode de Siegert, les incertitudes liées aux termes négligés ne sont pas prises en compte dans le calcul d’incertitude.
La différence d’incertitude entre les deux méthodes est importante. A noter que pour la méthode de Siegert, les incertitudes liées aux termes négligés ne sont pas prises en compte dans le calcul d’incertitude.