Analyse technique des solutions

Dans cette partie nous présentons physiquement et technologiquement deux améliorations consistant respectivement à utiliser un débit variable d’’eau et une des périodes de fonctionnement pour les pompes de distribution. A travers cette analyse nous cherchons à mettre au point des critères permettant d’’identifier ces deux améliorations.

6.1.1 Utilisation d’’un débit d’’eau variable

La puissance électrique d’’une pompe (ܲ௣௢௠௣௘) s’’exprime en fonction de la puissance hydraulique fournie par la pompe et de l’’efficacité totale du système de pompage (ߟ_௧௢௧) :

ܲ_{௣௢௠௣௘} ൌܲ௛௬ௗ௥௔௨

ߟ_௧௢௧

La puissance hydraulique est le produit du différentiel de pression οܲ (en Pa) et le débit volumique d’’eau ݍ௩ (en m3/s) :

ܲ_{௛௬ௗ௥௔௨} ൌ οܲݍ_௩

Le rendement total se décompose en une efficacité hydraulique (ߟ_{௛௬ௗ௥௔௨}ሻ liée aux pertes

hydrauliques et une efficacité du moteur d’’entrainement (ߟ௠௢௧௘௨௥) liée aux pertes du moteur20 _: ߟ_௧௢௧ ൌ ߟ_{௠௢௧௘௨௥}ߟ_{௛௬ௗ௥௔௨} Donc : ܲ௣௢௠௣௘ ൌ οܲݍ_௩ ߟ௠௢௧௘௨௥ߟ௛௬ௗ௥௔௨

Pour une pompe à vitesse fixe et pour un réseau d’’eau équilibré, le débit et le différentiel de pression sont constants. Donc la puissance est constante quelle que soit la charge thermique du bâtiment.

En intégrant un dispositif permettant une régulation du débit d’’eau dans le circuit de distribution d’’eau glacée (circuit secondaire) et de l’’adapter à la charge, il est possible d’’éliminer le bipasse dont l’’eau le traversant est bipassée inutilement.

Comme évoqué au chapitre 2, paragraphe 2.3.2, le principe d’’un variateur de vitesse est de contrôler la vitesse de rotation de la roue en fonction de la charge thermique du bâtiment. Une modification typique d’’un système à débit d’’eau constant peut s’’effectuer

selon l’’architecture donnée à la

Figure 1-16. Le système de pompage du circuit primaire étant maintenu à vitesse fixe, le système de pompage du circuit secondaire est adapté afin d’’introduire un débit variable au niveau de sa branche principale. Les bipasses au niveau d’’une zone ou des unités terminales sont supprimés.

Un dispositif permettant la variation de débit d’’eau est constitué par les éléments suivants :

x Une loi de régulation du débit d’’eau en fonction de la perte de charge du réseau car la perte de charge du réseau varie lorsque les vannes s’’ouvrent ou se ferment en fonction de la charge thermique

x Un variateur de vitesse permettant la variation de la vitesse de l’’arbre du moteur électrique pour respecter une consigne portant sur le différentiel de pression de la branche du réseau contrôlé

x La roue et le corps de la pompe permettant de mettre en mouvement le fluide

20_{Nous n’’évoquons pas ici les possibles pertes de transmission de la puissance mécanique (par exemple} le glissement d’’une courroie).

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x Des capteurs de pression et/ou débit placés sur le réseau permettant de comparer la loi de pression/débit.

Ces différents éléments sont représentés schématiquement sur la Figure 6-1. Notons qu’’un régulateur électronique est utilisé après le comparateur.

Figure 6-1 Schéma bloc du contrôle de la vitesse d’’une pompe

Plusieurs lois de pression/débit peuvent être utilisées afin de réguler ce système. Celles- ci sont définies au chapitre 1. Nous rappelons ci-dessous les trois stratégies de

contrôle que nous retiendrons dans la suite de ce chapitre et les représentons

schématiquement sur la Figure 6-2 :

x Stratégie 1 : pression différentielle (PD) constante. Un exemple de fonctionnement est donné par le point de fonctionnement B et la vitesse N2 sur la Figure 6-2.

x Stratégie 2 : PD proportionnelle. Un exemple de fonctionnement est donné par le point de fonctionnement C et la vitesse N3 sur la Figure 6-2.

x Stratégie 3 : contrôle basé sur la demande. Un exemple de fonctionnement est donné par le point de fonctionnement D et la vitesse N4 sur la Figure 6-2.

Figure 6-2 Vitesse associée à chaque stratégie de contrôle

La stratégie la plus simple à mettre en place est la stratégie 1 car seuls deux capteurs de pression sont à installer. Les deux autres stratégies requièrent la mise en place de capteurs de débit additionnels. Cependant les constructeurs de pompes proposent de plus en plus des systèmes de pompage intégrant une évaluation des caractéristiques de fonctionnement du réseau, ce qui peut rendre les stratégies 2 et 3 plus simples à mettre en place. Notons également que la stratégie 3 représente le fonctionnement hydraulique idéal, car la pression hydraulique est nulle pour un débit nul.

Le variateur de vitesse peut se décliner selon deux moyens techniques en fonction du type de moteur :

x Pour un moteur à courant alternatif (AC), la variation de la fréquence d’’alimentation est utilisée

Moteur Pompe Capteur (débitet/oupression) Réseau + Ͳ Charge thermique Loide pression/débit VV B 'P Qv A C Vitesse N1 Vitesse N2 'Pnominal 'Pnominal/a Vitesse N3 Vitesse N4 D Qv1 Qv2

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x Pour un moteur à courant continu (DC), la variation de la tension d’’alimentation est utilisée

D’’autres adaptations du système existant sont préalablement nécessaires avant toute introduction du dispositif de débit variable. En effet, l’’utilisation de vannes de

régulation deux voies des unités de traitement d’’air est nécessaire afin de

permettre une élévation de la pression lors de leur fermeture et ainsi permettre de réguler le débit. Les différents by-pass du circuit secondaire doivent être également supprimés. Ainsi un système de distribution équipé de vannes 3 voies demandera un coût d’’adaptation plus important qu’’un système déjà équipé de vannes 2 voies de façon à effectuer l’’adaptation nécessaire. Ainsi pour un système équipée de vannes 3 voies, un nombre important d’’unités terminales sera plus coûteux à adapter qu’’un système comprenant un nombre limité de centrales de traitement d’’air.

Une étude économique devra prendre en compte ces différents éléments d’’adaptation, pour sélectionner une stratégie d’’exploitation à débit variable.

6.1.2 Consigne été-hiver pour un système 4 tubes

Nous rappelons (voir chapitre 2, paragraphe 2.3.3) que la consigne été / hiver choisie par l’’exploitant n’’est pas obligatoirement la solution optimisée. L’’étude de la consigne été / hiver et de son influence sur la consommation énergétique et sur le confort demande l’’utilisation de méthodes pratiques et faciles à mettre en place sur le terrain qui ne sont pas actuellement disponibles pour les exploitant (voir chapitre 1, paragraphe 1.8.2).

Nous proposons dans ce chapitre de rechercher une solution optimale pour un système quatre tubes. Cette solution doit permettre de maintenir le confort de l’’occupant toute l’’année, ce qui est à priori l’’objectif avec ce type de système.

Nous proposons donc de définir le contrôle non optimal comme le fonctionnement annuel sans arrêt du système de distribution d’’eau. Ce référentiel peut permettre d’’identifier une opportunité d’’améliorer l’’exploitation du réseau.

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