Les chemins vers le leadership dans la conception énergétique et environnementale Crédits de conservation de l'eau pour les tours de refroidissement par évaporation
Neal Walsh : directeur commercial, Baltimore Aircoil Company, Inc. et Robert Downey : directeur du développement des ventes mondiales et spécialiste du traitement de l'eau, Baltimore Aircoil Company, Inc.
Les tours de refroidissement par évaporation jouent un rôle important dans les bâtiments écologiques en réduisant considérablement la consommation d'énergie lorsqu'elles complètent ou remplacent les systèmes de climatisation traditionnels, réduisant ainsi l'empreinte carbone et les coûts d'exploitation. Bien que le refroidissement par évaporation soit excellent pour économiser de l'énergie, il consomme de l'eau, mais les avantages en matière d'économies d'énergie l'emportent sur la consommation d'eau, qui dans certains endroits est une ressource rare.
La conservation de l'eau est donc une priorité élevée dans la conception et l'exploitation d'équipements refroidis à l'eau et joue un rôle important dans la certification LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) de l'USGBC et d'autres programmes de durabilité. LEED attribue des points de crédit pour réduire la consommation d'eau.
Deux chemins de conception
Les options LEED pour réduire la consommation d'eau potable dans les tours de refroidissement peuvent être séparées en deux stratégies :
Exploitez davantage l'eau potable
La première stratégie vise à maximiser l'utilisation et la valeur de chaque gallon d'eau potable utilisé dans le refroidissement par évaporation en optimisant les cycles de concentration (COC) de la tour de refroidissement. Le succès de cette stratégie et la facilité ou la difficulté de sa mise en œuvre dépendent fortement de la qualité de l'eau potable disponible.
Remplacement de l'eau non potable
La deuxième stratégie recommandée par LEED — qui peut être combinée avec la première — consiste à substituer de l'eau non potable, comme le condensat de CVC ou l'eau de pluie, à une partie de l'eau totale consommée. Analogue à l'utilisation de l'énergie solaire et éolienne comme sources d'"énergie alternative" pour remplacer ou compléter la consommation de combustibles fossiles, l'utilisation d'eau non potable agit comme une source d'"eau alternative", remplaçant l'eau potable potentiellement rare. Évidemment, la viabilité de cette approche dépend des types de sources d'eau non potable disponibles.
Pour certaines de ces voies de conception, la réalisation de la réduction souhaitée de l'utilisation de l'eau potable s'accompagne de certains effets secondaires potentiels et de nouveaux défis qui doivent être évalués et relevés. Par exemple, augmenter le COC est plus difficile lorsque l'eau locale a une dureté élevée. Un autre exemple est le condensat CVC et l'eau de pluie qui sont souvent d'excellentes options naturellement douces pour l'eau non potable. Il convient de noter que ceux-ci introduisent les problèmes potentiels de particules en suspension dans l'air qui favorisent la croissance biologique et de corrosivité pour l'équipement de refroidissement.
Consommation d'eau dans une tour de refroidissement
Pour comprendre le principe du COC, il faut prendre du recul et comprendre les causes de la perte d'eau dans une tour de refroidissement.
Évaporation
La vapeur d'eau est un sous-produit majeur du refroidissement par évaporation, et l'Environmental Protection Agency (EPA) estime qu'environ 1,8 gallon d'eau s'évapore pour chaque tonne-heure de refroidissement. Selon l'EPA, "l'évaporation est la fonction principale d'une tour de refroidissement et est la méthode qui élimine la chaleur du système de la tour de refroidissement. La quantité d'évaporation n'est généralement pas ciblée pour l'efficacité de l'eau, car elle est responsable de l'effet de refroidissement.
Source : EPA : Guide de gestion de l'efficacité de l'eau - Systèmes mécaniques, novembre 2017
Dérive, fuites et débordement
Alors que l'évaporation est considérée comme une cause nécessaire et acceptable de perte d'eau, d'autres moyens de perte d'eau doivent être soigneusement contrôlés.
La dérive est la petite quantité d'eau sous forme de brouillard ou de gouttelettes d'eau qui est expulsée de la tour de refroidissement avec peu ou pas d'effet de refroidissement bénéfique. Les fabricants d'équipements résolvent ce problème en incluant des éliminateurs de dérive, qui contrôlent la perte de dérive entre 0,05 et 0,2 % du débit d'eau à travers la tour de refroidissement. Pour une application de 500 tonnes nominales avec un débit de 1500 gpm, la perte de dérive peut atteindre 3 gpm, ce qui est typique pour les unités à flux croisés et représente environ 1 % de la consommation totale d'eau.
Les fuites ou les débordements ne doivent pas se produire régulièrement dans une tour de refroidissement correctement exploitée et entretenue. Des alarmes de débordement doivent être installées au niveau du drain de trop-plein, comme cela est généralement requis par les codes de plomberie et de construction, afin de corriger rapidement tout problème de fuite ou de débordement.
Souffler
Cela laisse une cause restante de perte d'eau. La purge, également connue sous le nom de purge, est l'eau qui est purgée du système pour maintenir la concentration de solides dissous dans l'eau de refroidissement en circulation dans des limites acceptables. Au fur et à mesure que l'eau s'évapore, l'eau s'échappe mais la plupart des autres molécules sont laissées pour compte. Ce processus augmente la concentration de solides dissous totaux (TDS) restant dans l'eau du système, y compris le calcium, le magnésium, le chlorure et la silice. Des concentrations élevées peuvent provoquer la formation de tartre ou entraîner de la corrosion, entraînant des inefficacités du système, des pannes et des problèmes de maintenance. La concentration de solides en suspension provenant des particules en suspension dans l'air et d'autres sources augmente également, facilitant l'encrassement biologique et risquant la croissance bactérienne.
En termes simples, la concentration de TDS et de solides en suspension est contrôlée par l'élimination de l'eau de purge. Pour maintenir le volume d'eau optimal dans le système, le volume total d'eau perdu par cette purge et par évaporation est remplacé par de l'« eau d'appoint » (en supposant qu'il n'y a pas de perte due à la dérive, aux fuites et au débordement).
Maximiser les cycles de concentration
Une mesure fondamentale de l'efficacité des tours de refroidissement est constituée par les cycles de concentration, également appelés taux de concentration. Les cycles de concentration (COC) sont définis comme le rapport des solides dissous (conductivité) dans l'eau de la tour aux solides dissous (conductivité) dans l'appoint. Ceci est facilement et couramment déterminé en prenant la conductance spécifique de l'eau de refroidissement et en la divisant par la conductance de l'appoint. Le calcul peut également être effectué en utilisant des minéraux qui ne sont pas affectés par le régime de traitement chimique, tels que le chlorure ou la silice.
Une méthode alternative, tout aussi précise, de calcul du COC consiste à prendre le volume d'eau d'appoint et à le diviser par le volume de purge. Cela se fait facilement si la tour est équipée de compteurs d'eau sur les conduites d'appoint et de purge, une pratique fortement recommandée.
Plus la qualité de l'eau d'appoint est bonne - en d'autres termes, plus le TDS, les solides en suspension et la corrosivité sont faibles - plus le COC qui peut être atteint est élevé et moins de purge est nécessaire pour maintenir le COC souhaité pour maintenir la qualité de l'eau du système dans des limites acceptables. Ci-dessous, nous examinons différentes méthodes pour améliorer la qualité de l'eau d'appoint.
Le TDS, et en particulier la dureté de l'eau, est de loin le facteur le plus important affectant les stratégies de conservation de l'eau en augmentant le COC. L'augmentation du COC est beaucoup plus facile à mettre en œuvre dans les endroits où l'eau est naturellement douce, comme des parties du nord-est, du sud-est et du nord-ouest des États-Unis.
Dans la version 4.0 de LEED, l'obtention d'au moins 10 COC rapporte 2 à 4 crédits, selon que le système est destiné à une nouvelle construction, à un bâtiment existant ou à un centre de données. Les programmes de réduction d'eau atteignant moins de 10 COC ne gagneront que 1 à 2 crédits (à moins qu'au moins 20 % de l'eau d'appoint soit de l'eau non potable recyclée, auquel cas 2 à 4 crédits peuvent être gagnés).
La version 4.1 de LEED est quelque peu différente. Il supprime le seuil de 10 COC et attribue à la place des crédits en fonction du dépassement du COC d'un pourcentage. Le pourcentage compare le COC avant et après que des mesures aient été prises pour améliorer la qualité de l'eau d'appoint. Pour les projets BD+C et core et shell, dépasser le COC de référence de 25 % rapporte 2 crédits, et pour les projets core et shell, un point supplémentaire peut être gagné si le COC de référence est dépassé de 30 %.
L'eau non potable comme source alternative
Lorsqu'elles sont disponibles, les sources d'eau non potable peuvent être un excellent moyen de conserver l'eau potable et un moyen d'obtenir 2 crédits LEED. Examinons quatre catégories courantes d'eau non potable : les condensats de CVC, les eaux pluviales et pluviales, les eaux municipales recyclées et les eaux grises.
Condensat CVC
En particulier dans le sud-est des États-Unis, une humidité élevée et des charges de refroidissement élevées pendant la majeure partie de l'année offrent un potentiel élevé de capture des condensats. À Washington, DC, par exemple, la capture de condensat pourrait atteindre 10 gal/cfm d'OA chaque année et à Miami jusqu'à 31 gal/cfm d'OA chaque année, selon un article du ASHRAE Journal de 2021.
Le condensat HVAC est une source idéale d'eau d'appoint pour les tours de refroidissement pour deux raisons. Premièrement, le moment de la génération de condensat à partir des systèmes de climatisation s'aligne bien avec le moment du besoin d'eau d'appoint pour les tours de refroidissement. Cet alignement signifie qu'un réservoir de stockage peut ne pas être nécessaire. Deuxièmement, l'eau de condensation est pure avec une très faible teneur en minéraux dissous. Cependant, un inconvénient potentiel du condensat CVC est qu'il contient parfois des métaux lourds, tels que le cuivre ou le plomb, qui peuvent nécessiter un traitement avant d'être utilisés comme eau d'appoint.
Eau de pluie
Les eaux de pluie et les eaux pluviales sont généralement récupérées sur les toits et les surfaces dures, telles que les plates-formes routières ou les parkings. Les réglementations varient selon les États sur l'utilisation de cette eau. Cette carte fournit une première évaluation de la faisabilité de la mise en œuvre du captage des eaux pluviales et pluviales. Une étude de 2012 publiée par l'Université du Tennessee a conclu qu'un nombre élevé de COC peut être atteint avec l'eau de pluie car les solides dissous sont nettement inférieurs à ceux de l'eau du robinet.
Cependant, le pH de l'eau de pluie est souvent autour ou en dessous de 6 et doit donc être atténué avant utilisation dans une tour de refroidissement pour minimiser le risque de corrosion et de contamination. En outre, le contrôle de la croissance microbiologique doit être inclus dans tout plan de traitement de l'eau où l'eau de pluie récoltée est utilisée. Le niveau de traitement requis pour l'eau de pluie récoltée dépend de la source. Deux problèmes courants sont les déjections d'oiseaux si la pluie est récoltée sur un toit et l'huile si elle est récoltée sur les plates-formes et les parkings.
Eau municipale recyclée et eaux grises
Les municipalités locales développent de plus en plus la capacité de récupérer et de vendre les eaux usées traitées (à un prix nettement inférieur à celui de l'eau potable) plutôt que de les rejeter dans un lac ou une rivière. Un « tuyau violet », accompagné d'une signalisation appropriée, est utilisé pour distinguer ces systèmes de distribution des conduites d'eau potable.
Cette eau est souvent de bonne qualité, bien que la concentration en minéraux soit généralement plus élevée que l'eau potable. Un avantage est que la silice, l'alcalinité, la dureté et la teneur en phosphate accrues dans l'eau récupérée sont souvent moins corrosives que l'eau du robinet. Lors de l'utilisation d'eau municipale recyclée, les équipes de gestion de la qualité de l'eau doivent évaluer l'impact des inhibiteurs de corrosion du processus municipal sur les stratégies de traitement de l'eau d'appoint des tours de refroidissement.
Malheureusement, les sources commerciales typiques d'eau grise – par exemple, les urinoirs et la lessive – ne sont pas appropriées pour être utilisées comme source directe d'eau non potable sans traitement supplémentaire significatif. Les savons trouvés dans la lessive peuvent être problématiques car ils agissent comme une source de nourriture pour la croissance microbiologique.
Relever les défis de la qualité de l'eau
Selon la qualité de l'eau disponible, et selon les tests et les recommandations des professionnels du traitement de l'eau, la stratégie de conservation de l'eau peut nécessiter la mise en œuvre d'une ou plusieurs méthodes d'atténuation. Ces méthodes se divisent en deux catégories de base : (a) améliorer l'eau avec un traitement chimique et une filtration, et (b) protéger le système avec des matériaux de construction qui offrent une protection élevée contre la corrosion.
Minéraux dissous. L'eau à haute teneur en minéraux peut être particulièrement difficile car des niveaux élevés de calcium, de magnésium, d'alcalinité et de silice augmentent le risque de tartre sur les surfaces de transfert de chaleur, ce qui peut rapidement dégrader les performances du système. D'autre part, des niveaux élevés de chlorures et de sulfates augmentent le risque de corrosion sur divers métaux utilisés dans les systèmes d'eau de refroidissement, ce qui pourrait entraîner une augmentation des coûts de maintenance et une réduction de la durée de vie des actifs. Limiter les solides dissous est essentiel pour obtenir des augmentations du nombre de cycles de concentration. Trois méthodes d'atténuation sont couramment utilisées :
Traitement chimique. Les produits chimiques inhibiteurs de tartre provoquent un processus appelé modification cristalline, qui ramollit les bords durs du précipité cristallin en un matériau plus rond qui reste en solution plus longtemps et est moins susceptible de former du tartre. Les traitements chimiques comprennent également des polymères dispersants qui fusionnent et agglomèrent ces particules plus molles et, par des forces hydrophiles et hydrophobes, rendent ces particules moins susceptibles de se lier aux surfaces de transfert de chaleur. Ces traitements chimiques fonctionnent, mais ils ont des limites basées sur la chimie moderne, et sont souvent insuffisants pour traiter une eau à forte teneur en minéraux.
Prétraitement mécanique. La plupart des installations doivent envisager un prétraitement mécanique, soit des systèmes d'adoucissement d'eau, soit des systèmes d'osmose inverse partielle, soit une combinaison des deux. Les adoucisseurs d'eau utilisent une résine échangeuse d'ions, qui recueille le calcium et le magnésium, ainsi qu'un réservoir de saumure, qui utilise le sel comme régénérant. Ces systèmes sont relativement simples et ont un faible coût total de possession, mais ils n'éliminent que le calcium et le magnésium et non les autres solides dissous comme les chlorures ; et ils ne réduisent pas l'alcalinité. Les adoucisseurs d'eau peuvent augmenter les cycles de concentration d'environ 2 à 4, mais permettent rarement les grands sauts nécessaires pour atteindre 10 COC.
L'osmose inverse partielle (RO) est plus efficace. L'eau est poussée à travers une membrane, éliminant 95 à 98 % de tous les minéraux. Normalement, l'osmose inverse est utilisée pour produire de l'eau pure, mais cela serait trop corrosif pour les applications de tour de refroidissement. Par conséquent, une osmose inverse partielle est utilisée, qui mélange l'eau osmosée avec de l'eau d'appoint municipale. Pour l'eau à très haute teneur en minéraux, la conception la plus rentable consiste à utiliser un adoucisseur d'eau pour éliminer les minéraux de dureté avant le processus d'osmose inverse.
Matières solides en suspension. La concentration de solides en suspension provenant de diverses sources d'eau et de particules en suspension dans l'air qui s'accumulent sur la tour de refroidissement facilite l'encrassement biologique et risque la croissance bactérienne dangereuse. Pour cette application, la filtration cyclonique est plus efficace et plus facile à entretenir que la filtration sur sable.
La solution la plus rentable est de concevoir et d'installer un système de filtration à flux latéral avec une tuyauterie balayeuse de bassin. Le système doit être assemblé en usine et livré avec la nouvelle tour de refroidissement. (Les systèmes de rechange nécessitent le retrait du pack de remplissage, ce qui augmente le risque d'endommagement du remplissage.)
Corrosion. Les stratégies de conservation de l'eau impliquent souvent une corrosivité élevée de l'eau du système, en particulier lors de l'utilisation d'osmose inverse partielle ou d'eau non potable de haute pureté telle que le condensat CVC et l'eau de pluie.
Pour consulter les directives de qualité de l'eau de BAC, cliquez ici .
Matériaux de construction alternatifs
Une autre stratégie d'atténuation consiste à sélectionner un matériau de construction pour la tour de refroidissement qui offre une certaine protection contre la corrosion, comme l'acier inoxydable. Pour le plus haut niveau de protection contre la corrosion, des revêtements de bassin en polyuréthane peuvent être appliqués. Le système de protection contre la corrosion TriArmor® de Baltimore Aircoil Company offre un revêtement en polyuréthane appliqué en usine.
Plusieurs chemins de conception
Les propriétaires et les exploitants qui s'occupent du tartre, des bactéries et de la corrosion maintiendront l'efficacité maximale du système et prolongeront la durée de vie de l'équipement de refroidissement par évaporation. Le tableau suivant résume les considérations de conception pour atteindre les objectifs de la figure de droite.
Ces diverses voies de conception offrent de nombreuses options pour gagner des points LEED dans les bâtiments existants et les nouvelles constructions. En réduisant la consommation d'énergie et d'eau potable, des systèmes de tour de refroidissement bien conçus et bien entretenus préservent les ressources naturelles et l'argent rares.
Pour plus d'informations, regardez le webinaire de BAC sur LEED et les équipements de refroidissement par évaporation : ce que vous devez savoir.