Pompage distribué : retirer le pied du frein

Mar 07, 2023

En ce qui concerne la consommation d'énergie des bâtiments commerciaux, le refroidissement des locaux est l'un des plus gros consommateurs d'électricité. Le refroidissement central est utilisé pour les grands bâtiments où une installation d'eau glacée peut consommer 20 à 30 % de l'énergie électrique totale d'un bâtiment. Des pompes sont nécessaires pour distribuer l'eau réfrigérée aux unités de traitement d'air des bâtiments.

Actuellement, la conception d'eau glacée la plus courante est un système à débit primaire variable (VPF). Un exemple simplifié de cette conception est illustré à l'image 1. L'eau est pompée à travers les refroidisseurs, distribuée aux unités de traitement d'air du bâtiment, puis renvoyée aux pompes. Avec cette conception, la tête de pompe doit être suffisante pour surmonter les pertes par frottement à travers les refroidisseurs, la tuyauterie, les serpentins de traitement d'air, les vannes de régulation et d'équilibrage. La méthode de contrôle la plus courante pour les pompes à vitesse variable est le contrôle de la pression via un transmetteur de pression différentielle stratégiquement situé dans le système de tuyauterie. Lorsqu'une pression différentielle constante est maintenue, une pression adéquate et un débit suffisant sont fournis à chaque centrale de traitement d'air. Lorsque la demande de débit d'eau glacée des appareils de traitement de l'air est inférieure au débit minimum requis du refroidisseur, une vanne de dérivation doit être ouverte pour assurer la protection des refroidisseurs.

Avant que les conceptions VPF ne deviennent plus répandues, les systèmes primaires/secondaires étaient la norme pour les systèmes d'eau glacée et sont toujours une considération de conception aujourd'hui. Un exemple simplifié d'un système primaire constant/secondaire variable est illustré à l'image 2. Ce type de conception nécessite deux ensembles de pompes. Les pompes primaires fournissent de l'eau à travers la boucle principale du refroidisseur. Ces pompes doivent seulement fournir une hauteur manométrique suffisante pour surmonter les pertes dans les tuyaux, les raccords et les vannes ainsi que les pertes de pression à travers les refroidisseurs. Les pompes secondaires distribuent l'eau aux unités de traitement d'air où la tête de pompe doit surmonter les pertes par frottement à travers la tuyauterie, les serpentins de traitement d'air, les vannes de contrôle et d'équilibrage. Tout comme le système VPF, un transmetteur de pression différentielle est installé à un emplacement stratégique pour maintenir une pression suffisante, assurant un débit adéquat pour chaque unité de traitement d'air (AHU).

Les systèmes VPF et primaire/secondaire impliquent l'utilisation de vannes de contrôle et d'équilibrage pour assurer un débit correct vers chaque unité de traitement d'air. L'image 3 montre un agencement de tuyauterie de serpentin typique pour une unité de traitement d'air. Une température constante de l'air sortant (LAT) est maintenue à l'aide d'une vanne de régulation modulante. Une augmentation de la température de l'air de retour et/ou de l'air extérieur entraînera une augmentation de la température de l'air de sortie, ce qui nécessitera un débit de refroidissement supplémentaire, auquel cas la vanne de régulation modulera vers une position plus ouverte. De même, une diminution de l'air de retour et/ou de l'air extérieur entraînera une diminution de la température de l'air de sortie et la vanne de régulation modulera vers une position plus fermée.

Pour assurer un débit correct vers le serpentin, la pompe doit fournir suffisamment de hauteur pour surmonter les pertes de pression à travers le serpentin, les vannes de contrôle et d'équilibrage. Une chute de pression doit exister à travers une vanne de régulation pour que le débit se produise. Si la chute de pression à travers la vanne lorsqu'elle est complètement ouverte ne représente pas un pourcentage suffisamment important de la perte de charge totale du système, il y aura peu de changement dans le débit de fluide jusqu'à ce que la vanne se ferme réellement. Les vannes de régulation doivent être sélectionnées pour s'aligner sur les performances du serpentin de refroidissement si un bon contrôle est souhaité. Une règle empirique courante pour assurer un bon contrôle consiste à sélectionner des vannes de sorte qu'au débit de conception, 25 % à 50 % de la chute de pression totale du système soient absorbés par la vanne de régulation. Des vannes de régulation sous-dimensionnées peuvent entraîner une bonne autorité de la vanne/un bon contrôle, mais peuvent ne pas être en mesure de fournir un débit suffisant pendant les pics de demande, tandis que des vannes de régulation surdimensionnées peuvent entraîner un mauvais contrôle.

Une façon d'éviter les problèmes avec les vannes de contrôle et d'équilibrage est de les éliminer. L'image 4 montre comment la vanne de contrôle et d'équilibrage peut être remplacée par une pompe intelligente avec commandes intégrées. Avec cette conception, le même capteur de température qui était connecté à la vanne de régulation peut désormais être connecté directement à la pompe. La pompe à vitesse variable intelligente peut ajuster sa vitesse de rotation pour maintenir le point de consigne de la température de l'air sortant. Il remplit littéralement la même fonction que la vanne de régulation mais à une pression de fonctionnement beaucoup plus faible. Le clapet anti-retour empêche tout retour vers le côté alimentation si la CTA n'est pas utilisée. Une analogie à la différence entre les deux est que les vannes de contrôle et d'équilibrage représentent les freins d'une automobile, et la pompe représente la pédale d'accélérateur (accélérateur). Au lieu d'appliquer à la fois l'accélérateur et les freins, la pompe intelligente applique simplement la quantité de gaz nécessaire pour maintenir la vitesse ou la consigne dans ce cas.

L'image 5 montre un exemple de système de pompage distribué. Le système est similaire à un système primaire/secondaire à l'exception du système de pompage secondaire centralisé. Dans ce cas, le débit du découpleur est géré par les pompes intelligentes (distribuées). Les pompes distribuées sont dimensionnées pour surmonter les frottements du côté alimentation du découpleur vers la CTA ainsi que du côté retour du découpleur. Les pompes primaires n'ont qu'à surmonter le frottement à travers la boucle de tuyauterie primaire et le refroidisseur. Le contrôle des pompes primaires est basé sur la température. Il y a quatre capteurs de température, deux de chaque côté du découpleur. La commande de la pompe primaire doit être configurée de manière à ce qu'il n'y ait aucun débit à travers le découpleur lorsque la charge de refroidissement est suffisante. Si le delta-T côté charge (T4-T3) est le même que le delta-T côté refroidisseur (T2-T1), il n'y aura pas de débit dans le découpleur. Cela signifie que le débit d'eau glacée correspond au débit requis pour gérer la charge. Essentiellement, les commandes sont configurées pour maintenir un delta-T nul entre l'alimentation et le retour des deux côtés du découpleur. Dans ce cas, le système sera en parfait équilibre sans excès de débit vers les refroidisseurs. Il en résulte des performances optimales du refroidisseur et des conditions de faible delta-T sont évitées. L'utilisation de pompes distribuées peut économiser l'énergie du refroidisseur, qui peut être supérieure aux économies d'énergie de la pompe. Le contrôle doit également avoir un mode de contrôle de protection du refroidisseur pour les périodes de faible débit. Ceci peut être accompli en surveillant la pression différentielle du refroidisseur ou en utilisant un capteur de débit. Lorsque le débit minimum du refroidisseur est atteint, les pompes primaires maintiennent la vitesse requise pour protéger le refroidisseur jusqu'à ce que la demande d'eau glacée augmente.

L'utilisation de pompes distribuées intelligentes de cette manière présente plusieurs avantages.

Le système est auto-équilibré, il n'y a donc pas besoin de vannes d'équilibrage ou de contrôle d'aucune sorte. Cela réduit le temps et les dépenses pendant le processus de test et d'équilibrage.

Refroidisseur delta-T amélioré car les pompes intelligentes correspondent précisément à la charge, de sorte qu'aucun pompage excessif ne peut se produire. De plus, de nombreuses pompes intelligentes ont une fonction de limitation de débit.

La puissance de la pompe connectée est inférieure car chaque pompe est dimensionnée pour des bobines individuelles, et il n'y a pas de vanne de contrôle ou d'équilibrage. Une vanne de contrôle et d'équilibrage aura généralement une chute de pression comprise entre 5 et 10 livres par pouce carré (psi).

L'énergie de la pompe sera plus faible car il n'est pas nécessaire de maintenir une pression différentielle minimale du système. L'efficacité de la pompe sera presque constante car la pompe distribuée suivra une courbe de système à friction uniquement sans hauteur fixe. Les économies d'énergie de la pompe peuvent être de 50 % à 80 % par rapport à un système conventionnel.

Le débit peut être contrôlé instantanément avec la pompe distribuée, de sorte que le contrôle est précis et qu'il n'y a pas non plus de crainte de surpression des vannes de contrôle, ce qui réduit leur contrôlabilité.

Coût d'installation inférieur à celui d'un système primaire/secondaire en raison de l'élimination des vannes de contrôle et de la puissance de pompe inférieure (peut être légèrement plus cher qu'un système VPF).

Avec les progrès récents de la technologie des pompes et de la fiabilité des VFD, le pompage distribué présente peu d'inconvénients, mais certains méritent d'être énumérés.

Toutes les bobines doivent avoir une pompe. Pour les applications critiques où la redondance est requise, un agencement de pompe duplex ou une conception de distribution alternative peut être nécessaire.

Gamme de tailles de pompes intelligentes : les petites pompes de circulation inférieures à 5 à 10 gallons par minute (gpm) ont rarement des commandes embarquées équipées pour capter un signal de température de l'air et maintenir une température de l'air sortant. Cependant, les vannes de régulation sont rarement utilisées dans des plages de débit inférieures à 10 gpm, et dans ces cas, des ventilo-convecteurs avec de simples vannes marche/arrêt sont utilisés, auquel cas une pompe intelligente contrôlée par pression différentielle peut être utilisée pour fournir un débit à un groupe de ventilo-convecteurs.

Le concept de pompage distribué n'est pas nouveau. On en parle depuis au moins 15 ans. Il y a 10 à 15 ans, cette solution était considérée comme prohibitive en raison des coûts des composants individuels des pompes, des moteurs, des entraînements et des capteurs associés à la main-d'œuvre d'installation et à la mise en service. Les pompes d'aujourd'hui peuvent être équipées de commandes intégrées, de capteurs de pression et de température et d'une connectivité facile aux systèmes de gestion des bâtiments. Les pompes en ligne avec des moteurs à aimants permanents/à commutation électronique et des conceptions à rotor noyé offrent une efficacité supérieure et un fonctionnement sans entretien qui ont souvent le même coût d'installation que les solutions modernes de contrôle intégré et de vannes d'équilibrage.

Steven T. Taylor, Optimisation de la conception et du contrôle des usines d'eau glacée Partie 1 : Sélection du système de distribution d'eau glacée, ASHRAE Journal, juillet 2011

Sam KH Lam, Chris Tham, Sunil Saseedharan, Liong Yin Churn, Adrian Wang, Système hydronique d'eau glacée à pompage distribué pour les systèmes de climatisation, juillet 2017

ASHRAE Handbook IP Edition 2016, Systèmes et équipements de chauffage, de ventilation et de climatisation

Reece Robinson est spécialiste de la formation et du contenu technique, Services de construction commerciale pour Grundfos. Il peut être contacté à [email protected]. Pour plus d'informations, rendez-vous sur www.grundfos.com.