LES CLES DU DIMENSIONNEMENT
Ouvrages en commandePhotovoltaïque autonome
Photovoltaïque raccordé au réseau
Notions d’hydraulique
Le débit
Le débit s’exprime en m3/s (mètre cube par seconde) ou plus communément L/h (litre par heure) : il s’agit de la quantité d’eau qui circule dans une canalisation pendant un temps donné. Il est lié à la vitesse de circulation de l’eau.
La formule de calcul du débit dans une canalisation peut s’exprimer par :
Equation 1 : Q (m3/s) = v (m/s) x S (m²)
Ou encore : Q (L/h) = v x S x 3,6 x 106
Ou encore : Q (L/h) = v x S x 3,6 x 106
Où :
- Q est le débit de l’eau dans la boucle en litre par heure (L/h) ;
- v est la vitesse (m/s) ;
- S est la section de la canalisation (m²).
| Diamètre de canalisation (cuivre en mm) | Vitesse (m/s) | Débit (L/h) |
|---|---|---|
| 14 | 0,06 | 35 |
| 14 | 0,2 | 110 |
| 14 | 0,5 | 277 |
| Tableau 5 : Illustration du calcul du débit en fonction de la vitesse | ||
Le débit dépend également du diamètre de la canalisation : pour une même vitesse, plus le diamètre intérieur de canalisation est grand, plus le débit est important.
| Vitesse (m/s) | Diamètre de canalisation (cuivre en mm) | Débit (L/h) |
|---|---|---|
| 0,2 | 12 | 80 |
| 0,2 | 14 | 110 |
| 0,2 | 16 | 145 |
| Tableau 6 : Illustration du calcul du débit en fonction du diamètre | ||
Débit de bouclage
La température est une conséquence directe du débit, plus le débit augmente plus l’écart de température entre le départ et le retour de boucle diminue.
La relation entre le débit et l’écart de température d’une boucle est donnée par la formule suivante :
Equation 2 : Q (L/h) = P (W) / (1,16 × ΔT (°C))
Où :
- P est la somme des déperditions thermiques (puissance totale dissipée) de la boucle en Watt (W) ;
- Q est le débit de l’eau dans la boucle en litre par heure (L/h) ;
- ΔT est l’écart de température en °C entre l’aller et le retour de la boucle.
- le débit calculé en fonction des déperditions thermiques ;
- le débit permettant une vitesse minimale de circulation de 0,2 m/s dans la canalisation retour ;
- le débit résultant d’une distance de passage suffisante dans l’organe de réglage. Cette distance doit permettre le passage de particules de 1 mm de diamètre.
Dans le cas de collecteurs déperditifs, il y a lieu de contrôler que l’écart de température global soit au moins égale à la valeur souhaitée - 5 °C en général (cf. équation 2).
Dans le cas contraire, il est nécessaire de prendre un écart de température de l’ordre de 2,5 °C pour calculer le débit des bouclages (la mise à jour du DTU traitera ce point).
Il est important de ne pas confondre les valeurs de calcul du dimensionnement, en général 55 °C au retour pour un départ à 60 °C et la réglementation qui impose une température supérieur à 50 °C en tout point du réseau. Une installation neuve doit donc avoir une température égale ou supérieure à 55 °C en tout point du réseau.
Figure 6 : Répartition des débits dans un réseau à quatre boucles
Perte de charge
=> Perte de charge du réseau
La perte de charge (Pdc) du réseau est notée ?P et s’exprime en Pa (Pascals) ou plus communément en mmCE (millimètres de colonne d’eau).
On distingue les pertes de pression par frottements continus (pertes de pression régulières) et les pertes de pression singulières. Les premières sont dues aux caractéristiques du fluide (viscosité et turbulence) ainsi qu’à la rugosité des parois du tube tandis que les secondes sont dues aux décollements de la veine fluide et aux tourbillons provoqués par les accidents divers (coudes, réductions, robinets, tés, etc.).
Des abaques combinant débit, vitesse, diamètre de canalisation permettent de déterminer les pertes de charge pour un tronçon de 1 mètre de canalisation ; c’est la perte de charge linéique notée « j » (mmCE/m).
Pour un tronçon d’une longueur donnée, il suffit de multiplier la perte de charge linéique par la longueur du tronçon (L, en mètres), on obtient alors l’expression de J (appelé « grand j ») :
Equation 3 : J (mmCE) = j (mmCE/m) x L(m)
Dans notre exemple, la perte de charge est majorée de 15 % afin de tenir compte de la perte de charge singulière dans la boucle. Un calcul est nécessaire pour définir précisément la majoration liée aux pertes de charge singulière.
Dans notre exemple, la perte de charge totale de la boucle correspond à la somme des pertes de charge de chaque tronçon de canalisation de la boucle majoré de 15 %.
Equation 4 : ΔP(mmCE)=Σ(j × L) × 1,15
Plus le débit dans une canalisation est important, plus la perte de charge augmente.
| Diamètre interne d’une canalisation en cuivre (mm) | Vitesse (m/s) | Débit (L/h) | j (mmCE/m) Extrait abaque |
|---|---|---|---|
| 14 | 0,06 | 33 | 0,6 |
| 14 | 0,2 | 110 | 5 |
| 14 | 0,5 | 277 | 27 |
| Tableau 7 : Illustration de la correspondance entre la perte de charge d’une canalisation en cuivre et le débit circulant | |||
Pour un même débit, plus la canalisation est importante, plus les pertes de charge diminuent.
| Diamètre interne d’une canalisation en cuivre (mm) | Vitesse (m/s) | Débit (L/h) | j (mmCE/m) Extrait abaque |
|---|---|---|---|
| 12 | 0,28 | 110 | 11 |
| 14 | 0,2 | 110 | 5 |
| 16 | 0,15 | 110 | 2,5 |
| Tableau 8 : Illustration de la correspondance entre la perte de charge d’une canalisation en cuivre et le diamètre d’une canalisation en cuivre à débit constant | |||
=> Perte de charge d’un organe de réglage
L’organe de réglage permet d’absorber un excédent de pression. Il se caractérise par le coefficient de perte de charge noté « Kv » et correspond à un débit (m3/h) pour une perte de charge de 1 bar.
Le Kvs d’un organe de réglage est le débit qui traverse un organe de réglage lorsqu’il est grand ouvert (c’est-à-dire le Kv à grande ouverture).
L’équation (5) valable pour un écoulement turbulent dans la vanne, indique la relation entre le débit, la perte de charge et le Kv de la vanne considérée.
Le Kv est un orifice de passage d’une surface et d’une forme permettant de créer une chute de pression pour un débit précis.
En pratique, pour choisir un organe de réglage, le Kv doit être calculé. Un Kv correspond à une valeur d’ouverture, soit un nombre de tours ou une position de réglage dans un organe de réglage, ou soit à un orifice pour un diaphragme.
Par exemple, pour une pression absorbée de 2m CE (0,2 bar) et un débit de 110 L/h, on obtient un Kv de 0,24. On peut dire que cet orifice permet d’obtenir un débit de 240 L/h pour une perte de charge ramenée à 1 bar.
Une fois le Kv calculé, un organe de réglage est choisi à partir des abaques fournis par le fabricant, afin que le Kvs de l’organe choisi soit le plus proche du Kv calculé.
Les valeurs Kv des vannes, auxquelles correspondent des distances de passage, sont données sous forme d’abaques ou de tableaux par les fabricants.
Les valeurs Kv dépendent de la technologie utilisée, du diamètre de la vanne et de la position de réglage. De la même façon, le Kvs de chaque vanne est une donnée du fabriquant.
Le Kv calculé conduit à un orifice de très petite taille. Un kv trop faible ou le choix d’un organe inadapté entraînent un excès de bridage des organes de réglage et son éventuel colmatage.
Pour une pression absorbée de 2mCE et un débit de 110 L/h, on obtient un Kv de 0,24. Pour ce même Kv, la distance de passage dans l’organe de réglage varie en fonction du choix du matériel :
| Organe de réglage (OR) | OR A | OR B | OR C | OR D | OR E |
|---|---|---|---|---|---|
| Distance de passage (mm) | 0,1 | 0,3 | 0,5 | 1 | > 3 |
| Tableau 9 : Exemples de distance de passage dans différents organes de réglage du marché pour le même Kv | |||||