Comment concevoir un système de ventilation flexible pour les entrepôts et plateformes logistiques ?

Le développement constant du commerce en ligne a généré auprès de plus en plus d'entreprises industrielles et  logistiques le besoin d’adapter rapidement leur capacité de stockage, un des facteurs-clés du succès de leur activité. Les produits faciles à stocker se contentent de la lumière infrarouge, de dispositifs de chauffage à rayonnement sombre ou de systèmes de chauffage par air chaud direct. Mais certains produits nécessitent davantage de précautions quant à leur stockage. Les solutions de ventilation décentralisées sont particulièrement recommandées pour les entrepôts et bâtiments de grand volume, notamment utilisés pour le stockage de produits exigeants tels que la nourriture, les médicaments et les composants électroniques.

Fig. 1 : Le marché des bâtiments logistiques continue de croître. Pour les investisseurs, l'utilisation par une tierce partie joue un rôle de plus en plus important. Par conséquent, les systèmes de chauffage des halls doivent eux aussi être flexibles pour répondre aux besoins de leurs utilisateurs. 

Les experts du secteur sont de plus en plus réservés quant à l’utilisation du chauffage au sol pour chauffer de grands espaces. Les auteurs du Factbook « Zukunft Hallenheizung » (Perspectives du chauffage des grands espaces), publié par la Figawa, l’Association des fabricants et distributeurs allemands d'appareils à gaz et d'équipements pour l'eau et la plomberie à Cologne, décrivent le chauffage au sol comme étant trop lent pour répondre aux besoins changeant des entrepôts et bâtiments logistiques. En outre, l'agencement en répartition uniforme du transfert de chaleur peut limiter les manières d'utiliser l'espace. De plus : le chauffage au sol apporte des restrictions pour l'ancrage des machines et des racks, ce qui peut devenir problématique plus tard s'il faut reconvertir les halls ou si les véhicules de transport exercent des charges ponctuelles trop élevées sur le sol.

Compte tenu des tendances actuelles en matière d'entrepôts logistiques et du cadre législatif, Hoval estime que la meilleure solution à moyen et à long termes pour les investisseurs, les propriétaires et les exploitants de halls est de combiner chauffage central et chauffage décentralisé de l’air recyclé. En collaboration avec un bureau d’études spécialisé dans l'équipement d'installations techniques, Hoval a développé une solution modulaire clé en main qui se compose d'unités de production de chaleur, d'appareils de recyclage pour le chauffage et de modules de régulation par zones. 

Fig. 2 : Modèle fonctionnel de la solution Hoval « chauffage des grands volumes» avec un générateur de chaleur et un appareil de chauffage décentralisé par circulation d'air. 

Grâce à sa conception modulaire, ce système évolutif peut s’adapter à quasiment toutes les tailles de halls. Sa structure simplifie non seulement la planification et le processus d'appels d'offres, mais réduit également le temps de mise en œuvre du projet puisque quasi toutes les étapes du produit sont standardisées et l'ensemble de la solution provient d'une seule et même source.

La solution Hoval de ventilation et chauffage pour les entrepôts se compose des modules de base suivants :

• Chaudière gaz à condensation au sol Hoval UltraGas double
• Module de régulation
• Unité de recyclage de l’air TopVent avec Air-Injector pour la distribution uniforme de chaleur à travers tout le bâtiment. La stratification (superposition des températures dans une pièce) est mesurée à seulement 0,15 K/mètre, ce qui est une valeur inaccessible pour la plupart des autres systèmes de chauffage pour grands espaces. 

Fig. 3 : Les unités décentralisées de recyclage de l’air peuvent être intégrées de manière optimale dans l'infrastructure du hall, sans devenir un obstacle pour les racks, les ponts roulants et les conduites d'alimentation. 

Un des avantages d'une solution modulaire avec une unité centralisée de production de chaleur et des unités décentralisées de recyclage de l’air est que les clients peuvent choisir entre plusieurs sources d'énergie. Des alternatives au gaz naturel, qui est de loin la source de chaleur la plus commune dans les bâtiments de grands volumes, sont les pompes à chaleur, les granulés, les copeaux de bois ou l'énergie solaire, ou l'intégration de ces sources d'énergie à des systèmes conventionnels. En outre, la fonction Smart Grid permet le couplage de sources d’énergie nécessitant une canalisation (gaz naturel, électricité, chauffage urbain) avec des sources d’énergies renouvelables (granulés, copeaux de bois, énergie solaire) au moyen d’une production de chaleur à double combustible. En conséquence, les opérateurs peuvent tirer le meilleur parti des approvisionnements énergétiques fluctuants (énergie éolienne, photovoltaïque) et se créer un potentiel d'autonomie leur permettant de négocier des tarifs plus favorables pour les sources d'énergie transitant par une canalisation. En raison de l'expansion des énergies renouvelables et de la nature fluctuante de cette ressource, Hoval estime que la production de chaleur à double combustible prendra de l'importance à l'avenir. 

Un grossiste de produits alimentaires et de produits prêts à consommer souhaitait étendre sa plateforme logistique. Le défi consistait à systématiser les modules fonctionnels thermiques, de ventilation et de régulation de façon à organiser la planification, l’appel d'offres et la mise en œuvre du projet en très peu de temps. Dans le cas présent, le centre de distribution logistique (145m de long, 125m de large, 12m de haut) est conçu pour des temps d'exécution courts. La perte de chaleur de la structure est de 910 kW ou 4,2 W/m3. L'exigence était de diviser le hall en quatre zones de régulation de la température ambiante et d’exploiter et de contrôler ces zones séparément en fonction des quantités à stocker et du temps d'exécution. L'expérience a montré que des économies d'énergie de 10 à 20 % peuvent être réalisées en exploitant des zones de régulation en fonction des besoins, selon le temps d'exécution et la quantité à stocker.

Le générateur de chaleur est une chaudière gaz à condensation au sol double (UltraGas UG 900D) avec une puissance calorifique nominale de 2 x 450 kW. Les deux chaudières gaz condensation avec un rendement standard de 109 % sont exploitées en mode de fonctionnement modulant. Sur les chaudières gaz à condensation, l’efficacité de la chaudière en charge partielle est plus élevée qu’en pleine charge ; aussi l'efficacité globale augmente-t-elle d’environ 2 % lorsque les chaudières fonctionnent en parallèle en mode modulant. Une augmentation supplémentaire de l'efficacité est obtenue au moyen de l'alimentation retour en cascade vers la chaudière, dans laquelle les deux conduites de retour - celles des dispositifs de chauffage de l’air recyclé (basse) et du chauffage de l'eau potable (haute) - sont successivement introduites dans l'échangeur de chaleur des gaz de combustion. Cela ajoute encore 9 points à l'efficacité de la chaudière.

L’appareil à la base de la solution « chauffage des grands volumes » est l'unité décentralisée de recyclage de l’air TopVent DHV-9/C, développée pour une utilisation dans des halls avec des hauteurs de montage de 4 à 25 m. Ce système sans conduit simplifie grandement l'installation et n'affecte pas l'infrastructure du hall (grues, racks et convoyeurs, conduites d'alimentation, etc.). L'absence de conduites d'air réduit également les mesures requises pour le respect de la directive sur l’hygiène VDI 6022, et les exigences de puissance concernant l'arrivée d’air sont aussi réduites. 

Dans le projet décrit ici, 29 aérochauffeurs TopVent ont été installés pour ventiler le hall avec efficacité. Le débit d'air par unité est de 8 700 m³/h et la puissance calorifique maximale de 137 kW. Grâce au diffuseur d'air à pulsion giratoire à ajustage automatique Air-injector intégré, il est possible d'ajuster précisément la plage du flux d'air à la hauteur de montage et à l’infrastructure des racks. 

Fig. 4 : L'unité Air-Injector ajuste le flux d'air à la configuration spatiale alentour à l’aide d’un algorithme spécial à logique floue dans la centrale de régulation. 

Par rapport aux systèmes de ventilation avec des appareils de chauffage à recirculation classiques, la solution Hoval nécessite moins d'unités et de plus faible puissance pour traiter le même volume d’air, en raison d'une distribution d'air plus efficace. Cela réduit les coûts d’investissement et d’installation. 

Fonctionnellement, l'Air-Injector breveté se compose d'un déflecteur et d’une buse d’éjection responsable de la formation d'un flux d’air d’alimentation couvrant la plus grande plage possible. Il comporte également un diffuseur d'air à pulsion giratoire qui déplace le courant d'air, augmentant ainsi l'angle de diffusion (induction) du courant d'air. La forme du courant est similaire à celle d'un champignon inversé, avec un pied mince et un grand chapeau. Cette géométrie permet d'obtenir des conditions de flux d’air optimales, offrant un grand confort dans les zones occupées avec une hauteur de montage maximale de 25 m. Avec ce type d'alimentation en air, la stratification de la température est réduite à env. 0,15 Kelvin par mètre de hauteur de montage.

Les systèmes de distribution d'air classiques fonctionnent avec une stratification maximale de 1,0 K/m. Par ailleurs, l’Air-Injector crée une distribution plus uniforme de la température dans le hall, tout en évitant la formation de poches d’air chaud énergivores sous le toit, qui est un phénomène typique des espaces de grande hauteur.

Les halls de stockage et de transbordement doivent pouvoir être utilisés de manière très flexible et variée. Ceci est vrai également pour les halls loués, dont l'utilisation est encore plus fortement impactée par les stratégies logistiques et les influences économiques. Pour cette raison, Hoval a voulu que son système de chauffage décentralisé pour grands espaces soit un système de régulation par zone. Cette approche permet d’obtenir un chauffage adapté aux besoins, basé sur le temps et la température, ainsi qu’une ventilation et un refroidissement par zone du hall, contribuant ainsi à réduire les coûts énergétiques. 
Indépendamment de la régulation par zone, chaque appareil et son Air-Injector peuvent être activés individuellement et de manière autonome par la centrale de régulation en utilisant des algorithmes à logique floue. La fonction de régulation qui effectue le calcul de la plage de flux d'air tient compte de la différence de température entre l'air d'alimentation et l'air ambiant dans les zones occupées, faisant varier en conséquence le débit d’air d'alimentation et la trajectoire de diffusion de l’air. Cela permet d'éviter les courants d'air. S'il devient nécessaire d’agrandir le hall, l'extension du concept de régulation modulaire est rapide à réaliser.

Avec sa conception modulaire et évolutive, la solution Hoval « chauffage des grands volumes » offre une flexibilité maximale pour tous les types de halls et pour toutes les utilisations du hall. L'étude de cas décrit le développement d'une solution qui peut être adaptée aux besoins logistiques actuels et futurs du client. En tant que système modulaire, celui-ci est facile à planifier, rapide à installer et à mettre en œuvre. 

Fig. 5 : Avec la solution Hoval, le bureau d’études est en mesure de présenter un concept de chauffage, de ventilation et de régulation clé en main pour tous les besoins en chauffage des grands espaces. Une économie de temps et de coûts. 

Il améliore également la rentabilité pour les investisseurs. De plus, grâce à la création de zones de régulation, le système de chauffage des grands volumes peut répondre efficacement aux différents taux d'utilisation du hall et aux différents types de marchandises stockées.
Avec l'option d’un système de chauffage à double combustible faisant appel à des sources d’énergie conventionnelles et renouvelables, la solution Hoval se prête avec flexibilité aux futurs concepts d'approvisionnement énergiques par fonctions Smart Grid et selon les modalités prévues par les lois sur les énergies renouvelables. 

Dimensions (L/l/H)	145/125/12m
Température ambiante	Env. 15°C
Température extérieure	-12°C
Temps de chauffage	24 heures/jour ~ 240 jours de chauffage/an
Perte de chaleur de la structure	910 kW
Perte de chaleur spécifique de la structure	Env. 4,2 W/m³
Coûts énergétiques totaux	71 915,00 €/an *
*Prix de base en 2010:	Chauffage 50 €/MWh Électricité 84 €/MWh
Coûts énergétiques spécifiques par an
Zone de stockage	3,97 €/m²
Volume du hall	0,33 €/m³
Chauffage (selon VDI 2068)	Env. 1 176 MWh/a
Coûts de chauffage annuels	58 800,00 €
Électricité
Coûts d’électricité annuels pour 240 jours	Env. 156 MWh
Coûts d’électricité annuels	13 115,00 €
Coûts de l’investissement (prix facturé au client final en Allemagne)
AérochauffaeursTopVent DHV-9/C	87 000,00 €
Installation mécanique	7 200,00 €
Installation hydraulique	25 500,00 €
Installation électrique	17 500,00 €
Chaudière UltraGas	61 000,00 €
Coûts totaux de l’investissement	198,200.00 €
Coûts spécifiques de l’investissement
Zone de stockage	10,93 €/m²
Volume du hall	0,91 €/m³

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