LES CLES DU DIMENSIONNEMENT
Ouvrages en commandePhotovoltaïque autonome
Photovoltaïque raccordé au réseau
Exemple d’une opération d’équilibrage sur un réseau composé de quatre boucles
Cet exemple décrit un cas réel de réhabilitation d’un réseau ECS composé de quatre boucles d’ECS. Quatre étapes sont nécessaires pour réaliser l’opération d’équilibrage et ainsi assurer un fonctionnement hydraulique satisfaisant :
- la remise en conformité du réseau avec la réglementation thermique et notamment l’isolation des canalisations qui doivent être maintenues en température ;
- le calcul des pertes de charge des circuits, à partir des débits, des vitesses et des diamètres des canalisations ;
- l’opération d’équilibrage ;
- le choix de la pompe.
Calcul des pertes de charge
Le débit de chaque bouclage sera fixé en prenant la plus grande valeur calculée entre les déperditions thermiques, la vitesse minimale et la distance de passage minimale imposée. Cette dernière valeur varie en fonction du modèle choisi.
Dans notre exemple, les débits de bouclage retenus sont les suivants :
- Boucle 1 : 180 L/h, nécessaire pour obtenir une distance de passage de 1 mm dans l’organe de réglage.
- Boucle 2 : 110 L/h, nécessaire pour imposer une vitesse de circulation de 0,2 m/s pour un DN 14/16 de canalisation.
- Boucle 3 : 110 L/h, nécessaire pour imposer une vitesse de circulation de 0,2 m/s pour un DN 14/16 de canalisation.
- Boucle 4 : 140 L/h, nécessaire pour compenser les déperditions thermiques importantes en raison de la longueur de la boucle
Figure 7 : Identification des tronçons du réseau
La perte de charge totale de chaque tronçon est calculée à partir des diamètres, des débits, des longueurs des canalisations et des pertes de charge linéique des tronçons. Le tableau 10 rassemble l’ensemble des données calculées.
| Tronçon | Diamètre interne de la canalisation en mm (cuivre) | Débit passant (L/h) | Vitesse (m/s) | Longueur (m) | Perte de charge linéique j a (mmCE/m) Abaque |
Perte de charge du tronçon J (mmCE) J = j x L |
Perte de charge tronçonb ΔP = J x 1,15 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 26 | 540 | 10 | 4,4 | 44 | 50,6 | |
| 1’ | 20 | 540 | 0,48 | 10 | 15,2 | 152 | 174,8 |
| 2 | 26 | 360 | 48 | 2,1 | 100,8 | 115,9 | |
| 2’ | 16 | 360 | 0,5 | 48 | 21,6 | 1 036,8 | 1 192,3 |
| 3 | 20 | 140 | 45 | 1,4 | 67,5 | 77,6 | |
| 3’ | 14 | 140 | 0,25 | 45 | 7,8 | 351 | 403,6 |
| 4 | 20 | 180 | 8 | 2,3 | 18,4 | 21,6 | |
| 4’ | 14 | 180 | 0,32 | 8 | 12,1 | 96,6 | 111,3 |
| 5 | 20 | 220 | 3 | 3,3 | 9,9 | 11,4 | |
| 5’ | 14 | 220 | 0,4 | 3 | 17,3 | 51,9 | 59,7 |
| 6 | 14 | 110 | 50 | 5,2 | 260 | 299 | |
| 6’ | 14 | 110 | 0,2 | 50 | 5,2 | 260 | 299 |
| 7 | 16 | 110 | 10 | 2,8 | 28 | 32,2 | |
| 7’ | 14 | 110 | 0,2 | 10 | 55,2 | 52 | 59,8 |
| Tableau 10 : Calcul des pertes de charge totales de chaque tronçon a : La valeur de j indiquée est déterminée à l’aide d’un abaque liant la nature de la canalisation, son diamètre, le débit et la vitesse. b : Les pertes de charge régulières sont majorées de 15 % pour tenir compte des pertes de charge singulières |
|||||||
Puis, les pertes de charge par circuit sont calculées : il s’agit d’additionner les pertes de charge des tronçons, c’est-à-dire du collecteur aller, des canalisations aller et retour de la boucle et du collecteur retour composant le circuit (tableau 11).
| Circuit | Tronçons constituant le circuit | Perte de charge ΔP (mmCE) |
|---|---|---|
| 1 | 1+4+4’+1’ | 358,3 |
| 2 | 1+2+5+6+6’+5’+2’+1’ | 2 202,7 |
| 3 | 1+2+5+7+7’+5’+2’+1’ | 1 696,7 |
| 4 | 1+2+3+3’+2’+1 | 2 014,8 |
| Tableau 11 : Calcul des pertes de charge totales de chaque circuit | ||
La perte de charge du réseau est la perte de charge du circuit le plus défavorisé, c’est le circuit présentant la perte de charge la plus importante.
Par conséquent, la perte de charge de référence est donc de 2 202,7 mmCE, correspondant au circuit le plus défavorisé, c’est-à-dire le circuit n° 2.
Dans le cas où les pertes de charge de quelques bouclages sont trop importantes, deux solutions sont possibles :
- créer des pertes de charge en ajustant le diamètre des canalisations dans le respect des vitesses imposées. Il est nécessaire de simplifier les réseaux autant que faire se peut. Dans le cas contraire, intégrer par secteur des vannes de compensation avec un réglage qui soit le plus près possible du Kvs (grande ouverture) ;
- augmenter le débit dans le(s) bouclage(s) concerné(s) pour obtenir le Kv désiré.
L’équilibrage d’un réseau
L’objectif de l’équilibrage est de créer pour chaque circuit une perte de charge équivalente à celle du circuit le plus défavorisé afin de répartir rationnellement le débit total dans chaque boucle.
Cette répartition du débit dans chaque boucle est opérée en créant des pertes de charge à l’aide des organes de réglage et/ou des sections des canalisations.
Le rôle des organes de réglage est d’absorber l’excédent de pression équivalent à la différence entre la perte de charge de référence et la perte de charge du circuit considéré. En théorie, un réseau équilibré peut être obtenu en ajustant les diamètres. C’est l’auto équilibrage qui facilite la mise au point de l’équilibrage.
Le calcul des pertes de charge des circuits a montré que toutes les boucles doivent avoir au final une perte de charge de 2 202,7 mmCE pour assurer dans chaque boucle le débit souhaité.
| Circuit | Perte de charge sans organe de réglage (mmCE) | Perte de charge souhaitée par circuit (mmCE) | Perte de charge à créer par l’organe de réglage (mmCE) |
|---|---|---|---|
| 1 | 358,3 | 2 202,7 | 1 844,4 |
| 2 | 2 202,7 | 2 202,7 | 0 |
| 3 | 1 696,7 | 2 202,7 | 506 |
| 4 | 2 014,8 | 2 202,7 | 187,9 |
| Tableau 12 : Calcul des pertes de charge à créer dans chaque circuit | |||
À titre d’information, afin d’obtenir une « autorité » de réglage, les pertes de charge des organes de réglage doivent être au minimum de 200 mmCE, si aucune mesure sur l’accessoire n’est possible. Pour les vannes équipées d’une mesure de pression, il faudra 300 mmCE pour des raisons de précision.
Les positions de réglage de ces organes sont déterminées à partir des caractéristiques hydrauliques calculées (Kv) et des abaques fournis par le constructeur. Ces derniers doivent aussi indiquer la distance de passage au regard du Kv.
| Circuit | Débit (L/h) | Perte de charge à absorber (mmCE) | Kv | Position de réglagea (nbre de tours) | Distance de passageb (en mm) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 180 | 1 844,4 | 0,42 | 2,2 | 1 |
| 2 | 110 | 0 | ouvert | 4 | 2 |
| 3 | 110 | 506 | 0,49 | 2,3 | 1,15 |
| 4 | 140 | 187,9 | 1,02 | 4 | 2 |
| Tableau 13 : Positions de réglage et distances de passage des organes de réglage a. Les positions de réglage sont obtenues à l’aide d’un abaque fourni par le constructeur de l’organe de réglage. b. Données constructeur. |
|||||
Choix de la pompe
Les caractéristiques d’une pompe sont représentées sous la forme de plusieurs courbes, chacune correspondant à une vitesse de rotation de la pompe. Comme la pompe, le réseau se caractérise par une courbe liant le débit et la perte de charge. Plus le débit augmente et la plus la perte de charge augmente. Le point d’intersection entre la courbe de la pompe et la courbe du réseau correspond au point de fonctionnement du réseau.
La pompe de circulation doit pouvoir compenser la perte de charge de l’installation, c’est-à-dire la perte de charge du réseau (calculée ci-dessus) plus la perte de charge de la production (échangeur à plaques, clapet anti-retour, etc.), et fournir un débit de circulation égale à la somme des débits souhaités dans chacune des boucles.
Figure 8 : Exemple de courbes de fonctionnement d’une pompe de circulation (schéma extrait des techniques de l’ingénieur)
PdC installation = PdC réseau + PdC production
Q installation = Somme Q bouclage
Q installation = Somme Q bouclage
Pour rappel dans notre exemple, les débits souhaités dans les boucles sont de :
- Boucle 1 : 180 L/h
- Boucle 2 : 110 L/h
- Boucle 3 : 110 L/h
- Boucle 4 : 140 L/h
Les pertes de charge de l’installation dues :
- au réseau sont de 2 202 mmCE ;
- à la production5 (pour un ballon ou une capacité) sont de 500 mmCE. Il faut y ajouter 300 mmCE correspondant à celle du clapet en aval de la pompe.
En conséquence, les caractéristiques techniques minimales de la pompe sont :
- HMT : 3 002 mmCE ;
- débit de la pompe : 540 L/h.
Figure 9 : Points de fonctionnement
Dans notre exemple, la pompe 1 sera retenue. Le débit correspondant au point de fonctionnement (B) avec la pompe 1 donnera un débit supérieur au point de fonctionnement calculé (A). Une vanne de réglage, appelée « vanne de compensation », doit être placée sur le collecteur retour général pour absorber l’excédent de pression et ainsi amener la pompe au débit calculé. Dans notre exemple, l’excédent absorbé par la vanne de compensation est de 1,5 mCE.