Conception de bâtiments, CVC et plomberie
Badger Meter améliore le rendement du système hydronique d'un grand hôpital new-yorkais
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Conception de bâtiments, CVC et plomberie
Étude de cas / 17 minutes de lecture
devait veiller à la fiabilité et à l'efficacité du fonctionnement de son système CVC hydronique
Montant économisé sur les frais totaux d'installations en choisissant le débitmètre TFX-5000
Les exploitants de grandes installations comme les hôpitaux métropolitains ont besoin de systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) efficaces dans le cadre d'initiatives plus larges axées sur le rendement et la durabilité des bâtiments. De même, les occupants de ces établissements s'attendent à ce que les systèmes de CVC fonctionnent comme prévu pour créer un milieu intérieur convenable.
Alors que les établissements de soins de santé tentent de composer avec l'évolution rapide de la pandémie de coronavirus, ils doivent se concentrer sur le rôle joué par le chauffage et la climatisation hydroniques dans le confort et la sécurité des patients et du personnel. Selon le Center for Disease Control (CDC) et l'ASHRAE, les systèmes de chauffage et de climatisation des hôpitaux sont cruciaux pour limiter la propagation de maladies comme la COVID-19. Ces systèmes doivent fonctionner de manière efficace et fiable en tout temps, indépendamment des fluctuations de la demande de charge dues à l'évolution des niveaux d'occupation.
Possédant d'importantes installations de services centralisés, les hôpitaux doivent relever le défi d'optimiser le rendement des systèmes de chauffage et de climatisation dans les milieux de vie des patients, les salles d'opération, les unités de soins intensifs (USI) et les autres zones vitales de leur établissement. Les composants hydroniques sont parmi les plus grands consommateurs d'électricité dans la plupart des bâtiments. Toute inefficacité dans leur fonctionnement peut coûter des dizaines, voire des centaines de milliers de dollars par an, en raison du gaspillage d'énergie ainsi que du déséquilibre et de la surcharge imposés aux équipements, ce qui réduit considérablement la durée de vie utile de ces précieux systèmes.
Comme les exploitants de ces installations consacrent une grande partie de leur budget au traitement de l'eau chaude et froide et à sa distribution, ils doivent déterminer d'urgence la quantité exacte de cette ressource nécessaire et veiller à ce que les équipements ne soient pas surchargés et fonctionnent efficacement afin de réduire l'usure et les éventuelles défaillances. Les refroidisseurs représentent généralement environ 35 à 50 % de la consommation électrique de l'ensemble d'un bâtiment, ce qui en fait la plus grande dépense d'énergie de la plupart des propriétés. Comme les coûts de l'énergie ne cessent d'augmenter, la nécessité de surveiller les refroidisseurs et de les maintenir en bon état devient une priorité absolue. Même si les refroidisseurs restent en mesure de préserver la température adéquate requise pour la propriété, l'état de ces équipements continue à se dégrader avec le temps. L'absence de mécanisme précis pour vérifier l'efficacité des refroidisseurs et des pompes entraîne une augmentation très coûteuse de la consommation d'énergie.
Il a été établi que de nombreux refroidisseurs peuvent perdre plus de 30 % de leur capacité et de leur efficacité au fil du temps, ce qui peut entraîner une augmentation de la facture d'électricité du bâtiment pouvant atteindre jusqu'à 15 %, sans en connaître la cause ou même réaliser que ce surcoût aurait pu être évité. Même lorsque des programmes d'entretien préventif sont en place, beaucoup de choses peuvent passer inaperçues sans outils de mesure du débit ou de l'énergie. En installant ces dispositifs, il est possible de mettre précisément le doigt sur ces inefficacités, par exemple les écarts de débit, les changements de delta température et les variations de rendement énergétique de la British Thermal Unit (BTU), qui affectent directement le rendement des refroidisseurs, et ainsi de permettre aux propriétaires des installations de cerner rapidement les problèmes et d'apporter les correctifs nécessaires afin de rendre à ces appareils leur efficacité originelle.
Les systèmes de refroidisseurs et de condensateurs de plusieurs hôpitaux fonctionnent bien en deçà de leur efficacité maximale, souvent en raison d'une mauvaise conception du système ou de pratiques d'exploitation et d'entretien inadéquates. Cette situation se traduit par des coûts énergétiques élevés, une fiabilité limitée et une courte durée de vie des équipements.
Le personnel hospitalier se plaint souvent de « points chauds », en particulier dans les secteurs les plus éloignés des services centraux. Les établissements de soins de santé sont également confrontés à une augmentation importante des coûts de l’énergie en raison de la hausse du prix du gaz ainsi que des coûts de transport et de distribution.
L'efficacité maximale du refroidisseur est obtenue en contrôlant le flux de réfrigérant et en acheminant l'eau la plus froide possible vers les condenseurs. Cette eau froide est produite dans les tours de refroidissement. Pour maximiser le rendement général du système, il est donc essentiel de veiller au bon fonctionnement et à un entretien adéquat de ces dispositifs.
Un grand hôpital new-yorkais avait besoin d'une solution qui lui permettrait de veiller à la fiabilité et à l'efficacité du fonctionnement de son système CVC hydronique. Le service d'ingénierie des installations de l'hôpital a engagé un entrepreneur chef de file en matière de contrôles afin de fournir des instruments de mesure du débit d'eau réfrigérée et de l'eau de condensation dans le cadre de la surveillance du système de CVC par le nouveau système de gestion des bâtiments (BMS) de l'hôpital. Les ingénieurs voulaient obtenir des données sur l'énergie concernant l'eau réfrigérée produite par les refroidisseurs de leur salle mécanique, ainsi que des informations sur l'eau de condensation utilisée pour éliminer la chaleur du réfrigérant pompé vers les évaporateurs de toit.
La direction de l'hôpital devait obtenir des données de mesure de débit de la manière la plus économique possible sans sacrifier la précision. Dans un nouveau bâtiment, les débitmètres électromagnétiques en ligne sont généralement recommandés, car ils sont extrêmement précis. Cependant, comme il s'agissait d'une installation existante et que les dispositifs en ligne tels que les débitmètres magnétiques sont intrusifs, le système de refroidissement de l'hôpital aurait dû être arrêté et les tuyaux coupés dans le cadre de l'installation des compteurs. Même la technologie d'insertion nécessite un investissement substantiel avec des instruments de soudage, de piquage en charge dans le courant d'écoulement, avec la possibilité que des copeaux de tuyau entrent dans le réseau de canalisations, ce qui pourrait causer des dommages importants aux hélices des pompes et à l'équipement dans le réseau de canalisations hydroniques. Les ingénieurs ne voulaient pas que la soudure et le forage aient lieu dans leur salle mécanique, et le temps nécessaire à l'insertion des compteurs par soudure et piquage en charge était inacceptable. Ils avaient besoin d'un équipement de mesure du débit qui puisse être déployé rapidement et installé pendant que le système fonctionnait.
Les systèmes de CVC hydroniques présentent des exigences de fonctionnement rigoureuses et des besoins de mesure de débit stricts auxquels doivent répondre les grandes installations. L'installation de composants de chauffage et de climatisation hydroniques efficaces est une étape importante, mais l'instrumentation de mesure du débit est essentielle au maintien de la précision, de la fiabilité et de la répétabilité à long terme des refroidisseurs, des systèmes d'eau réfrigérée, des tours de refroidissement, des condensateurs et d'autres équipements.
La mesure du débit d'eau réfrigérée et de l'énergie thermique/BTU est essentielle pour déterminer la quantité de chaleur transférée entre les deux branches de circulation du processus d'un système hydronique. Lorsqu'il n'existe qu'une faible différence de température entre les deux, la précision de la mesure peut compter pour beaucoup.
Cependant, bon nombre d'installations peinent à obtenir des mesures du débit des systèmes d'eaux chaudes et réfrigérées qui soient à la fois précises et peu coûteuses et entraînent un minimum de perturbations. Les responsables du métariel technique ont besoin de solutions de mesure du débit polyvalentes pour préserver l'équilibre délicat entre une faible consommation d'énergie du système de climatisation et les investissements de capital.
Les applications d'eau réfrigérée ont habituellement recours à des données de débit, d'approvisionnement et de température en unité thermique anglaise (BTU) ou en tonnage (TONN). Ceci permet d'indiquer aux exploitants le moment où la charge d'un refroidisseur atteint 40 % ou moins, c'est-à-dire le moment où il est possible d'arrêter un refroidisseur. Inversement, lorsqu'une charge atteint 80 % ou plus, le moment est venu d'enclencher un refroidisseur supplémentaire pour réduire la charge du système.
Dans le cas des applications de condensateur, il importe de préserver la bonne qualité de l'eau alimentant la chaudière et d'éliminer l'eau de basse qualité en mesurant l'alimentation ou la purge et le débit de retour de condensat sur une base volumétrique.
Dans le cas de l'hôpital new-yorkais, les ingénieurs de l'établissement ont cherché à obtenir des mesures précises à la fois pour le débit et l'énergie dans leur système de CVC hydronique. Ils voulaient un appareil qui se rapprocherait le plus possible de la mesure en ligne, sans les coûts d'installation et les temps d'arrêt importants qu'implique cette technologie. L'équipe a fait un trait sur les instruments à insertion qui n'échantillonnaient qu'une petite partie du profil d'écoulement en raison de la large gamme de diamètres de tuyaux dans leur système. En outre, elle ne voulait pas d'un débitmètre qui ne s'insère qu'en un seul point de mesure, ce qui ne permettrait pas de déterminer la vitesse moyenne d'écoulement dans la tuyauterie et pourrait entraîner d'importantes erreurs dans les calculs de débit et d'énergie. Les ingénieurs ont compris la façon dont le débitmètre à temps de transit Dynasonics® TFX-5000 échantillonne l'ensemble de la section transversale de la conduite à deux reprises, avec une configuration standard de support en V, offrant ainsi un profil de vélocité moyenne du débit fidèle permettant des relevés exacts et stables.
Les utilisateurs finaux actifs dans des installations commerciales et industrielles disposent d'un vaste éventail de choix de produits de mesure du débit et de l'énergie pour leurs systèmes CVC hydroniques. En général, les critères de sélection d'un débitmètre incluent :
Un nombre croissant d'exploitants d'installations choisissent les débitmètres à ultrasons à temps de transit pour leurs applications de CVC hydroniques. Avec cette technologie, les vagues d'ultrasons sont transmises en amont et en aval à travers la paroi du tuyau et le liquide qui y circule. En mesurant la différence de temps de parcours et en connaissant la taille du tuyau, le compteur détermine la vitesse et le débit.
Un débitmètre à ultrasons à pinces est idéal pour les composants hydroniques, car il élimine la nécessité de modifier les canalisations et peut être installé en une fraction du temps nécessaire aux dispositifs traditionnels en ligne et à insertion. Conçu pour être fixé à l'extérieur des tuyaux à l'aide de silicone standard, pour un raccordement en caoutchouc dur à la conduite sans perte de connectivité avec le temps, ce type de compteur non invasif n'entre pas en contact avec le liquide interne, ce qui permet de l'installer sans interrompre le fonctionnement du système. Il n'est pas nécessaire de forer par piquage en charge et de souder sur le terrain lors de l'installation de l'appareil. En outre, le passage à l'intérieur du compteur n'entraîne pas de chute de pression, comme c'est le cas avec d'autres technologies, et il n'y a pas de joints toriques ou de joints d'étanchéité à entretenir. Contrairement aux compteurs à ultrasons de type Doppler qui nécessitent de grosses particules ou bulles dans le trajet du flux pour la lecture du débit, un dispositif de mesure du temps de transit fournit une sortie précise et fiable sans modifier le débit de l'eau de refroidissement.
Technical Air, un représentant de Badger Meter qualifié dans le domaine du CVC, a collaboré avec l'entrepreneur en système de contrôle et les ingénieurs des installations de l'hôpital new-yorkais afin de déployer la plus récente technologie de mesure du débit et de l'énergie non intrusive, ce qui allait réduire les coûts d'installation et accélérer la réalisation du projet. Le choix du débitmètre à ultrasons à pinces TFX-5000 de Badger Meter a permis de terminer l'installation et de mettre le système en service sans incidence sur les refroidisseurs. De plus, les débitmètres à pinces ont pu être installés par un seul technicien, dans le respect des directives actuelles concernant la distanciation physique.
Le débitmètre à ultrasons à pinces TFX-5000 a fourni à l'hôpital une solution complète de mesure du débit et de l'énergie à partir d'un seul instrument, éliminant ainsi la nécessité d'ajouter un moniteur BTU distinct aux débitmètres existants, comme l'exigeaient d'autres solutions. Le débitmètre TFX-5000 permet aux utilisateurs d'obtenir des données de débit et d'énergie à partir d'un seul appareil non intrusif. Cette caractéristique est utile pour surveiller les performances et la capacité des refroidisseurs ainsi que pour mesurer la température du réfrigérant dans les tours de refroidissement afin d'éviter les pannes du système. Les utilisateurs peuvent également choisir parmi une large gamme de sorties, notamment BACnet MS/TP, Modbus RTU, BACnet/IP et Modbus TCP.
Les exploitants d'installations ont constaté que les débitmètres à ultrasons à pinces tels que le débitmètre TFX-5000 constituent un outil de mesure et de diagnostic précieux, autant pour l'eau réfrigérée et l'eau condensée que pour les boucles de réfrigérant des systèmes CVC hydroniques. Par exemple, les compteurs peuvent être installés en tout point des lignes de distribution d'eau pour aider à équilibrer le processus d'eau réfrigérée, garantir que les pompes ne sont pas surchargées et vérifier les performances du refroidisseur dans des conditions de fonctionnement difficiles. Les compteurs aident également les opérateurs à maintenir le réfrigérant dans les serpentins de chauffage et de refroidissement à la bonne température. La fluctuation actuelle du taux d'occupation des hôpitaux exige une performance optimale des systèmes de CVC pour maintenir une climatisation et un chauffage adéquats. L'époque où l'on utilisait des capteurs de pression différentielle entre les pompes de refroidissement pour avoir une idée du débit est largement révolue en raison du réétalonnage constant exigé par cette ancienne technologie ainsi que des imprécisions qu'elle génère.
Les débitmètres à ultrasons à temps de transit mesurent la température de l'eau à l'entrée et à la sortie d'un refroidisseur en fonction de points de consigne préétablis afin de garantir que le différentiel de température ne devienne pas trop important. En utilisant des mesures prises à différents endroits le long de la boucle de chauffage ou de refroidissement, les ingénieurs des installations peuvent vérifier que l'énergie thermique est correctement distribuée. Lorsque c'est le cas, ils peuvent réduire leur production d'eau chaude et d'eau réfrigérée, ce qui permet d'économiser de l'énergie et des frais d'exploitation, et de minimiser les entretiens et l'achat d'équipement supplémentaire.
Une caractéristique clé du débitmètre TFX-5000 en matière de suivi de l'énergie est son enregistreur de données haute capacité offrant huit gigaoctets de mémoire. L'appareil permet aussi le stockage de données sur carte microSD et ne requiert pas de logiciel ou de câbles de téléchargement. Grâce à son enregistreur intégré et à son horloge en temps réel, cet instrument de pointe enregistre le débit, le total et les renseignements diagnostiques en leur attribuant une estampille temporelle, de sorte à vous offrir une base de référence et des informations sur le profil de charge qui vous permettront d'optimiser l'efficacité du fonctionnement de vos équipements. Son unité de sauvegarde de données à grande capacité peut être utilisée à des fins de dépannage et de production de rapports.
Enfin et surtout, l'utilisation du débitmètre TFX-5000 en tant que dispositif à pinces non invasif a permis au personnel technique de l'hôpital d'éliminer les procédures coûteuses de piquage en charge impliquant perçage et soudage dans les conduites alors que le système de refroidissement est en fonction. L'utilisation du piquage en charge lors de l'installation aurait pu provoquer l'entrée de copeaux de métal dans la tuyauterie et le système de pompes du refroidisseur, ce qui aurait causé des dommages irréversibles au refroidisseur et aux pompes du condenseur.
L'expérience nous a enseigné que les débitmètres à ultrasons utilisant la technologie de temps de transit et l'installation à pinces sont des outils pratiques pour aider les exploitants d’installations à mesurer et à gérer le rendement de leur système CVC hydronique de différentes façons. Ces dispositifs offrent la base de référence et les renseignements sur le profil de charge requis pour optimiser concrètement l'efficacité du système et réduire sa consommation d'énergie, et par conséquent, les coûts.
Ces avantages sont particulièrement importants au cours de périodes où la santé se trouve au cœur des préoccupations de tous, alors que les hôpitaux et les autres établissements de soins de santé doivent composer avec un nombre de patients changeant rapidement et, par conséquent, avec une pression accrue sur leur équipement CVC.
Pour les ingénieurs des installations d'un grand hôpital new-yorkais, le débitmètre à ultrasons Dynasonics TFX-5000 représentait une solution parfaite pour la mesure du débit et de l'énergie qui éviterait l'arrêt de leur système de refroidissement hydronique. Ces compteurs avancés offrent entre autres les avantages suivants :
Bien que d'autres technologies de mesure de débit soient également utilisées dans les applications de CVC, les débitmètres à ultrasons à pinces sont souvent la solution de choix en raison de leur montage externe. Ils sont particulièrement bien adaptés aux lignes de distribution d'eau chaude ou froide existantes, où leur installation est rapide, facile et moins coûteuse que celle d'autres options de débitmètre, puisqu'il n'est pas nécessaire de couper la ligne, d'interrompre le service ou de vider le tuyau. Ils ne requièrent pas l'installation de conduites de dérivation et de vannes pour leur enlèvement, et les frais d'entretien sont réduits au minimum puisque les compteurs n'ont aucune pièce mobile. De plus, comme ils sont utilisés en dehors de la conduite, ils ne nécessitent pas de nettoyage périodique.
Les débitmètres comme le TFX-5000 sont aussi très polyvalents dans les environnements de CVC. Ils peuvent être installés sur toutes les tailles de conduites d'eau chaude et froide des systèmes hydroniques, utilisés à l'échelle du processus de distribution de l'eau, et employés pour mesurer deux applications simultanément. Ils peuvent être installés là où il n'est pas possible ou approprié de poser un débitmètre intrusif. Toutes les mesures peuvent être enregistrées et estampillées afin de créer des analyses et des rapports.
En optant pour le débitmètre TFX-5000, l'hôpital new-yorkais a économisé plus de 750 $ par piquage en charge pour 12 points de mesure, éliminant du même coup 9 000 $ en frais d'installation. Le déploiement des débitmètres a été effectué alors que le système de refroidissement de l'installation était en marche et n'a requis ni piquage en charge ni soudage au cours du processus d'installation.
Enfin, le service d'ingénierie de l'hôpital a pu mener à bien le projet d'installation de débitmètres et obtenir la confirmation de l'équilibreur en un temps record grâce à l'étroite coopération entre le fournisseur et les parties prenantes de l'utilisateur final. Le transfert rapide du projet a permis à toutes les personnes impliquées dans cet effort fructueux d'économiser du temps et de l'argent.
Il ne fait aucun doute que l'efficacité opérationnelle des refroidisseurs et des condenseurs peut avoir une incidence considérable sur les coûts d'exploitation des bâtiments. L'entretien prédictif et l'optimisation de ces composants essentiels des systèmes de CVC hydroniques nécessitent des données opérationnelles en temps réel, notamment des informations précises sur les boucles d'eau chaude et réfrigérée, le tonnage en BTU et la consommation d'énergie.
Un grand établissement de soins de santé de la ville de New York a travaillé avec ses partenaires en instrumentation pour évaluer différentes technologies de mesure de débit et a décidé que le débitmètre à ultrasons Dynasonics TFX-5000 à temps de transit et à pinces de Badger Meter était la réponse aux problèmes de rendement, de fiabilité et de coût de fonctionnement de son équipement de CVC. Cette approche s'est avérée efficace pour assurer le confort des occupants de l'hôpital dans les moments difficiles ainsi que pour optimiser l'environnement dans lequel les soins aux patients sont prodigués tout en maintenant les systèmes importants sous contrôle et en les faisant fonctionner efficacement.
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