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'09
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CIAT
Un système de stockage d’énergie thermique CRISTOPIA pour l’hôpital de Valenciennes (France)
Avec 25 ans d’expérience dans les systèmes de stockage d’énergie thermique, le Groupe CIAT, est aujourd’hui le leader mondial du secteur. La Société a notamment installé le nouvel équipement de l’hôpital de Valenciennes. Avec un parc installé de plus de 2000 systèmes, dont le Nouveau Palais des congrès de Rimini (Italie) et l’aéroport de Larnaca (Chypre), c’est ainsi plus de 5000 MWh d’énergie électrique qui sont quotidiennement économisés grâce aux équipements CRISTOPIA. Une plage d’utilisation de –33°C à +27°C et une efficacité énergétique supérieure de 20% aux autres solutions du marché ont largement contribué à ce succès.
Le stockage de l’énergie thermique est une solution particulièrement adaptée aux systèmes de climatisation tertiaire et de froid industriel. Son principe consiste à emmagasiner et stocker du froid quand la température extérieure est faible, donc pendant la nuit ou pendant l’hiver, grâce à un fluide spécialement conçu, pour le restituer dans la journée. En lissant la production de froid il permet de réduire la consommation énergétique et de mieux dimensionner les équipements. Les installations de climatisation traditionnelles n’utilisent en effet les puissances frigorifiques installées à leur pleine puissance que très rarement puisqu’elles sont traditionnellement dimensionnées pour satisfaire les besoins des quelques jours les plus chauds de l’année. Le stockage de l’énergie thermique par chaleur latente permet de réduire la capacité des installations de climatisation. Ce stockage compense le déficit énergétique lorsque la demande est supérieure à la capacité de la climatisation. La climatisation peut ainsi fonctionner en continu et avec une efficacité optimale.
Le système CRISTOPIA réduit régulièrement le montant des investissements prévus car il permet d’installer un système moins puissant. Dans les autres cas, son retour sur investissement est en moyenne de 6 mois à deux ans.
Il présente de nombreux avantages. Tout d’abord, le dimensionnement de l’installation (de 30 à 70% du groupe froid, ainsi des tours de refroidissement, du transformateur, des câbles électriques, du tableau de démarrage, de la sous-station, …) est réduit. Ensuite, il diminue la consommation électrique en améliorant l’efficacité énergétique du groupe frigorifique et il permet une utilisation de l’électricité aux tarifs les plus bas, en particulier pendant l’hiver. Enfin, il réduit la surface des locaux techniques, et en cas de défaillance du système principal, il peut être utilisé en secours. Il est particulièrement destiné aux applications de climatisation tertiaire (complexes résidentiels, centres de conférence, supermarchés, bureaux, hôpitaux, ...), de réfrigération (industrie pharmaceutique, industries laitières, usines d’embouteillage, abattoirs, ...) ou de système de secours (centraux téléphoniques, salles informatiques, entrepôts frigorifiques, ...).
Le système CRISTOPIA repose sur des nodules, des sphères en polyoléfine, obtenues par extrusion-soufflage. Les nodules sont remplis avec des matériaux à changement de phase (solide-liquide). Contrairement aux systèmes à serpentins, qui gèlent l’eau à l’extérieur des serpentins, les nodules sphériques ont une plus grande surface d’échange thermique, et stockent donc plus vite le froid. La température de congélation du fluide calorifique est de –5 ou -6 °C alors que dans les autres solutions, elle est à –8° ou –9°. CRISTOPIA propose ainsi des économies d’énergies de plus de 20% par rapport aux autres solutions. Les produits CRISTOPIA couvrent une gamme dont les températures de fusion vont de - 33 °C à + 27 °C. Pour mieux répondre aux besoins spécifiques de chaque application, CRISTOPIA propose une gamme de 12 types de nodules différents, avec des chaleurs latentes différentes. En plus de ses performances thermiques remarquables en termes de puissance d’échange, le nodule CRISTOPIA a une durée de vie exceptionnelle (l’équivalent de 30 à 40 ans d’utilisation en conditions normales).
Principe de fonctionnement :
Stockage seul : Pendant la nuit, l’énergie est stockée en utilisant le groupe frigorifique qui refroidit le fluide caloporteur. Celui-ci circule à une température inférieure à la température de fusion du matériau à changement de phase contenu dans les nodules, provoquant sa cristallisation. L’énergie est ainsi stockée en utilisant la chaleur latente de cristallisation.
Production directe : Lorsque la demande appelée est inférieure à la puissance du groupe frigorifique, la production de froid est assurée en direct par le groupe seul. Le groupe frigorifique régule sa puissance. Déstockage seul : Le système de stockage d’énergie thermique peut être utilisé seul sans que le groupe frigorifique ne fonctionne (en secours ou aux heures de pointe). Le caloporteur rentre dans le système à une température supérieure au point de fusion du matériau à changement de phase et se refroidit au contact des nodules. La température de sortie est régulée par la vanne 3 voies en fonction de la demande.
Production directe + déstockage : Lorsque la demande appelée est supérieure à la puissance frigorifique du groupe, les besoins sont assurés par le fonctionnement associé du groupe et du système de stockage.
Production directe + stockage : Dans ce mode de fonctionnement (en général la nuit), le groupe frigorifique charge le système de stockage et assure les besoins de nuit (limités à 10 / 15 % de la puissance du groupe en régime de charge). Le groupe frigorifique est régulé par sa température de sortie.
Les dimensions de la cuve de stockage du froid sont calculées en fonction du site et de la capacité du système. Elle peut être cylindrique ou parallélépipédique (en béton ou en acier). Les cuves cylindriques peuvent être installées à l’intérieur, à l’extérieur ou sous terre. Elles sont équipées de trous d’homme supérieurs pour le remplissage en nodules et d’un trou d’homme inférieur pour une vidange éventuelle. Deux diffuseurs inférieurs et supérieurs répartissent le fluide caloporteur dans la cuve pour un rendement optimum. L’échange thermique entre les nodules et le système se fait par l’intermédiaire d’un fluide caloporteur circulant dans la cuve.
Le Groupe Ciat propose également plusieurs services. D’abord, une plate-forme de tests qui a été mise en place pour apporter un conseil pertinent sur l’utilisation du système de stockage du froid (schéma hydraulique, régulation, différentes stratégies possibles,...). Cette plate-forme de tests peut aussi être utilisée pour simuler un projet. Ensuite, dans le cas d’un bâtiment existant, l est important de connaître les besoins frigorifiques réels afin de dimensionner le système correctement. Le Groupe Ciat a ainsi développé une valise de mesures afin de réaliser des mesures sur site. Enfin, pour optimiser le dimensionnement, un logiciel professionnel Stockaid 2007 a été développé sous environnement Windows XP. A partir de l’histogramme de la demande frigorifique et du régime de température de la distribution (départ et retour), Stockaid 2007 sélectionne le type de nodules et calcule le volume nécessaire, associé à la puissance frigorifique réduite. Ce logiciel permet à notre service technique de fournir aux concepteurs les réponses les mieux adaptées à leurs projets.
Le groupe Ciat a mis au point un système de commande unique en son genre le « Cristo’Control2 » destiné à assurer la gestion de l’unité frigorifique.
« Cristo'Control » se présente sous la forme d’une petite armoire électrique basse tension (IP55) fournie par UPS (il contient un système anticoupures) (24 VCC, 5 A) qui devra être connectée à l’armoire électrique générale d’alimentation et aux équipements de mesure. Le Cristo’Control n’intègre pas les lignes d’alimentation et la protection électrique des composants de l’installation (vanne alimentée en 220 V ou pompes en 380 V) mais il gère le contrôle de tous les équipements au moyen de contacts secs. La sonde de température, les signaux analogiques (4-20 mA, 0-10 V) et autres informations fournies par les contacts secs seront raccordés directement aux entrées du Cristo’Control.
Principales fonctions du Cristo'Control :
-La gestion automatique des modes de fonctionnement autorisés : En fonction de paramètres prédéfinis (horaires, tranches tarifaires, puissance appelée, énergie disponible, etc.) le Cristo'Control autorise le mode de fonctionnement adéquat. En cas de défaillance de l’équipement, Cristo’Control sélectionne la meilleure stratégie de fonctionnement possible en attendant l’intervention des personnels de dépannage.
-La régulation du réseau de production frigorifique : le Cristo'Control contrôle tous les organes du circuit de production frigorifique primaire, jusqu’à l’échangeur thermique à plaques y compris le groupe frigorifique (marche/arrêt, changement du point de consigne, régulation V3V, ouverture/fermeture des vannes, etc.).
-Le rapport d’alarmes et de défauts : envoi de messages d’alarmes et de défauts vers l’entité chargée de la maintenance de l’installation (téléphone, télécopie, courriel...).
-Le télé-suivi en temps réel : visualisation de l’installation, des états des organes et des paramètres de fonctionnement en temps réel par report d’informations au GTC (via le protocole Modbus par liaison RS485 en standard) ou accès par navigateur Web au site Cristo'Control avec possibilité de rafraîchissement ponctuel des données.
-Le stockage des paramètres de fonctionnement et valeurs mesurées : Le stockage des informations et valeurs mesurées dans des fichiers d’historique permet : d’établir des bilans énergétiques périodiques de l’installation, d’analyser et d’optimiser le fonctionnement de la production frigorifique en fonction de l’évolution des besoins, d’analyser les causes d’une dérive d’un paramètre et d'engager l’action de maintenance préventive adaptée.
Le site Internet de Cristo'Control
Le groupe Ciat a créé un serveur Internet entièrement dédié à Cristo'Control. Il met à disposition toutes les applications de Cristo’Control ainsi que des sauvegardes à long terme des mesures (paramètres de fonctionnement). Ce site Internet permet d’accéder aux paramètres de fonctionnement, aux événements et valeurs mesurées en mode lecture seule (pour des raisons de sécurité). Chaque installation dispose de sa propre connexion sécurisée. Le site propose aussi des schémas et des tableaux de traitement de données (bilan thermique, courbe thermique, efficacité, statistiques…). L’accès à ce serveur et à toutes ses fonctions (connexion à Internet via un navigateur Web de type Internet Explorer) est un service gratuit la première année suivant la mise en service. Ce service est ensuite soumis à un abonnement annuel (une offre vous sera transmise sur simple demande). L’adresse du site Internet de Cristo’Control est : www.cristocontrol.com
Surveillance de l’installation
La surveillance de l’installation est assurée localement (par le panneau d’affichage du boîtier Cristo'Control) ou à distance (envoi d’informations à un ou plusieurs postes distants). Le contrôle à distance se fait au moyen d’une liaison série et/ou d’une ligne téléphonique (c’est la société de maintenance ou tout autre organisme choisi par le propriétaire de installation qui s’en charge).
Suivi de l’installation
Le propriétaire ou l’entité choisie par lui, doit être informé en temps réel de l’évolution des paramètres de l’installation afin de garantir un niveau de performance optimal. De même, la dérive des valeurs définies comme optimales pour le bon fonctionnement de l’installation permet d’anticiper une défaillance du système et de déclencher une procédure de maintenance préventive. On dispose pour cela d’un tableau de bord possédant tous les indicateurs nécessaires à l’observation permanente de ces dérives, accessible sur le site www.cristocontrol.com.
Le système CRISTOPIA réduit régulièrement le montant des investissements prévus car il permet d’installer un système moins puissant. Dans les autres cas, son retour sur investissement est en moyenne de 6 mois à deux ans.
Il présente de nombreux avantages. Tout d’abord, le dimensionnement de l’installation (de 30 à 70% du groupe froid, ainsi des tours de refroidissement, du transformateur, des câbles électriques, du tableau de démarrage, de la sous-station, …) est réduit. Ensuite, il diminue la consommation électrique en améliorant l’efficacité énergétique du groupe frigorifique et il permet une utilisation de l’électricité aux tarifs les plus bas, en particulier pendant l’hiver. Enfin, il réduit la surface des locaux techniques, et en cas de défaillance du système principal, il peut être utilisé en secours. Il est particulièrement destiné aux applications de climatisation tertiaire (complexes résidentiels, centres de conférence, supermarchés, bureaux, hôpitaux, ...), de réfrigération (industrie pharmaceutique, industries laitières, usines d’embouteillage, abattoirs, ...) ou de système de secours (centraux téléphoniques, salles informatiques, entrepôts frigorifiques, ...).
Le système CRISTOPIA repose sur des nodules, des sphères en polyoléfine, obtenues par extrusion-soufflage. Les nodules sont remplis avec des matériaux à changement de phase (solide-liquide). Contrairement aux systèmes à serpentins, qui gèlent l’eau à l’extérieur des serpentins, les nodules sphériques ont une plus grande surface d’échange thermique, et stockent donc plus vite le froid. La température de congélation du fluide calorifique est de –5 ou -6 °C alors que dans les autres solutions, elle est à –8° ou –9°. CRISTOPIA propose ainsi des économies d’énergies de plus de 20% par rapport aux autres solutions. Les produits CRISTOPIA couvrent une gamme dont les températures de fusion vont de - 33 °C à + 27 °C. Pour mieux répondre aux besoins spécifiques de chaque application, CRISTOPIA propose une gamme de 12 types de nodules différents, avec des chaleurs latentes différentes. En plus de ses performances thermiques remarquables en termes de puissance d’échange, le nodule CRISTOPIA a une durée de vie exceptionnelle (l’équivalent de 30 à 40 ans d’utilisation en conditions normales).
Principe de fonctionnement :
Stockage seul : Pendant la nuit, l’énergie est stockée en utilisant le groupe frigorifique qui refroidit le fluide caloporteur. Celui-ci circule à une température inférieure à la température de fusion du matériau à changement de phase contenu dans les nodules, provoquant sa cristallisation. L’énergie est ainsi stockée en utilisant la chaleur latente de cristallisation.
Production directe : Lorsque la demande appelée est inférieure à la puissance du groupe frigorifique, la production de froid est assurée en direct par le groupe seul. Le groupe frigorifique régule sa puissance. Déstockage seul : Le système de stockage d’énergie thermique peut être utilisé seul sans que le groupe frigorifique ne fonctionne (en secours ou aux heures de pointe). Le caloporteur rentre dans le système à une température supérieure au point de fusion du matériau à changement de phase et se refroidit au contact des nodules. La température de sortie est régulée par la vanne 3 voies en fonction de la demande.
Production directe + déstockage : Lorsque la demande appelée est supérieure à la puissance frigorifique du groupe, les besoins sont assurés par le fonctionnement associé du groupe et du système de stockage.
Production directe + stockage : Dans ce mode de fonctionnement (en général la nuit), le groupe frigorifique charge le système de stockage et assure les besoins de nuit (limités à 10 / 15 % de la puissance du groupe en régime de charge). Le groupe frigorifique est régulé par sa température de sortie.
Les dimensions de la cuve de stockage du froid sont calculées en fonction du site et de la capacité du système. Elle peut être cylindrique ou parallélépipédique (en béton ou en acier). Les cuves cylindriques peuvent être installées à l’intérieur, à l’extérieur ou sous terre. Elles sont équipées de trous d’homme supérieurs pour le remplissage en nodules et d’un trou d’homme inférieur pour une vidange éventuelle. Deux diffuseurs inférieurs et supérieurs répartissent le fluide caloporteur dans la cuve pour un rendement optimum. L’échange thermique entre les nodules et le système se fait par l’intermédiaire d’un fluide caloporteur circulant dans la cuve.
Le Groupe Ciat propose également plusieurs services. D’abord, une plate-forme de tests qui a été mise en place pour apporter un conseil pertinent sur l’utilisation du système de stockage du froid (schéma hydraulique, régulation, différentes stratégies possibles,...). Cette plate-forme de tests peut aussi être utilisée pour simuler un projet. Ensuite, dans le cas d’un bâtiment existant, l est important de connaître les besoins frigorifiques réels afin de dimensionner le système correctement. Le Groupe Ciat a ainsi développé une valise de mesures afin de réaliser des mesures sur site. Enfin, pour optimiser le dimensionnement, un logiciel professionnel Stockaid 2007 a été développé sous environnement Windows XP. A partir de l’histogramme de la demande frigorifique et du régime de température de la distribution (départ et retour), Stockaid 2007 sélectionne le type de nodules et calcule le volume nécessaire, associé à la puissance frigorifique réduite. Ce logiciel permet à notre service technique de fournir aux concepteurs les réponses les mieux adaptées à leurs projets.
Le groupe Ciat a mis au point un système de commande unique en son genre le « Cristo’Control2 » destiné à assurer la gestion de l’unité frigorifique.
« Cristo'Control » se présente sous la forme d’une petite armoire électrique basse tension (IP55) fournie par UPS (il contient un système anticoupures) (24 VCC, 5 A) qui devra être connectée à l’armoire électrique générale d’alimentation et aux équipements de mesure. Le Cristo’Control n’intègre pas les lignes d’alimentation et la protection électrique des composants de l’installation (vanne alimentée en 220 V ou pompes en 380 V) mais il gère le contrôle de tous les équipements au moyen de contacts secs. La sonde de température, les signaux analogiques (4-20 mA, 0-10 V) et autres informations fournies par les contacts secs seront raccordés directement aux entrées du Cristo’Control.
Principales fonctions du Cristo'Control :
-La gestion automatique des modes de fonctionnement autorisés : En fonction de paramètres prédéfinis (horaires, tranches tarifaires, puissance appelée, énergie disponible, etc.) le Cristo'Control autorise le mode de fonctionnement adéquat. En cas de défaillance de l’équipement, Cristo’Control sélectionne la meilleure stratégie de fonctionnement possible en attendant l’intervention des personnels de dépannage.
-La régulation du réseau de production frigorifique : le Cristo'Control contrôle tous les organes du circuit de production frigorifique primaire, jusqu’à l’échangeur thermique à plaques y compris le groupe frigorifique (marche/arrêt, changement du point de consigne, régulation V3V, ouverture/fermeture des vannes, etc.).
-Le rapport d’alarmes et de défauts : envoi de messages d’alarmes et de défauts vers l’entité chargée de la maintenance de l’installation (téléphone, télécopie, courriel...).
-Le télé-suivi en temps réel : visualisation de l’installation, des états des organes et des paramètres de fonctionnement en temps réel par report d’informations au GTC (via le protocole Modbus par liaison RS485 en standard) ou accès par navigateur Web au site Cristo'Control avec possibilité de rafraîchissement ponctuel des données.
-Le stockage des paramètres de fonctionnement et valeurs mesurées : Le stockage des informations et valeurs mesurées dans des fichiers d’historique permet : d’établir des bilans énergétiques périodiques de l’installation, d’analyser et d’optimiser le fonctionnement de la production frigorifique en fonction de l’évolution des besoins, d’analyser les causes d’une dérive d’un paramètre et d'engager l’action de maintenance préventive adaptée.
Le site Internet de Cristo'Control
Le groupe Ciat a créé un serveur Internet entièrement dédié à Cristo'Control. Il met à disposition toutes les applications de Cristo’Control ainsi que des sauvegardes à long terme des mesures (paramètres de fonctionnement). Ce site Internet permet d’accéder aux paramètres de fonctionnement, aux événements et valeurs mesurées en mode lecture seule (pour des raisons de sécurité). Chaque installation dispose de sa propre connexion sécurisée. Le site propose aussi des schémas et des tableaux de traitement de données (bilan thermique, courbe thermique, efficacité, statistiques…). L’accès à ce serveur et à toutes ses fonctions (connexion à Internet via un navigateur Web de type Internet Explorer) est un service gratuit la première année suivant la mise en service. Ce service est ensuite soumis à un abonnement annuel (une offre vous sera transmise sur simple demande). L’adresse du site Internet de Cristo’Control est : www.cristocontrol.com
Surveillance de l’installation
La surveillance de l’installation est assurée localement (par le panneau d’affichage du boîtier Cristo'Control) ou à distance (envoi d’informations à un ou plusieurs postes distants). Le contrôle à distance se fait au moyen d’une liaison série et/ou d’une ligne téléphonique (c’est la société de maintenance ou tout autre organisme choisi par le propriétaire de installation qui s’en charge).
Suivi de l’installation
Le propriétaire ou l’entité choisie par lui, doit être informé en temps réel de l’évolution des paramètres de l’installation afin de garantir un niveau de performance optimal. De même, la dérive des valeurs définies comme optimales pour le bon fonctionnement de l’installation permet d’anticiper une défaillance du système et de déclencher une procédure de maintenance préventive. On dispose pour cela d’un tableau de bord possédant tous les indicateurs nécessaires à l’observation permanente de ces dérives, accessible sur le site www.cristocontrol.com.
