Pour les systèmes de chauffage ou d'eau glacée desservant une installation de climatisation, l'exigence d'un chauffage ou d'un refroidissement maximal ne se produit qu'au démarrage ou lors de jours de conception de pointe peu fréquents. La plupart du temps, une puissance réduite de chauffage ou de refroidissement suffira. Pendant ces périodes, il est possible de pomper moins d'eau, réduisant ainsi la consommation annuelle d'énergie de la pompe.
L'énergie de la pompe peut être économisée car il existe une corrélation utile entre la vitesse de la pompe, la pression, le débit et la puissance. Pour toute pompe qui pompe contre une résistance fixe, les conséquences du changement de vitesse de la pompe (de N1 à N2) peuvent être prédites à partir des lois de similarité de la pompe :
où N est la vitesse de la pompe (tr/s), Q est le débit (m3/s), Δp est la pression différentielle à travers la pompe (Pa) et P est la puissance de la pompe (W). En d'autres termes, si la vitesse de la pompe est réduite à 25 % de sa valeur précédente, alors :
- le débit (Q) est également réduit à 25 % de sa valeur précédente
- la pression de la pompe générée (Δp) est réduite à 6,25 % (c'est-à-dire un seizième de sa valeur précédente)
- la consommation électrique de la pompe (P) est réduite à 1,6 % (soit un soixante-quatrième de sa valeur précédente)
La même conséquence peut être observée lorsque ces relations sont appliquées à l'équation standard pour déterminer la puissance de la pompe :
où η est le rendement global de la pompe (%).
On peut voir que si la vitesse de la pompe est réduite à 25 %, ce qui entraîne une réduction du débit à 25 % et une réduction de la pression de la pompe à 6,25 %, alors, comme prévu par les lois de similarité de la pompe, la puissance de la pompe est réduite à 1,6 % (c'est-à-dire 0,25 fois 6,25).
Cette relation reste vraie à condition que la pompe pompe contre une résistance fixe car, dans cette situation, l'efficacité de la pompe reste généralement assez constante, quels que soient les changements de vitesse de la pompe. Par conséquent, si le système de tuyauterie dessert une charge de chauffage ou de refroidissement uniforme, il devrait être possible de maintenir la résistance du système constante et de réguler la vitesse de la pompe de haut en bas en réponse à la demande, réalisant ainsi toutes les économies d'énergie de 98,4 % prévues à 25 %. flux.
Cependant, la plupart des systèmes desservent plusieurs zones avec des charges variables, chacune nécessitant un contrôle individualisé des unités terminales. Ce contrôle est généralement fourni par des vannes de contrôle à 2 voies qui modulent le débit selon les besoins pour s'adapter à la zone. Dans un système avec des vannes de régulation à 2 voies, la résistance globale du système ne sera pas fixe mais augmentera et diminuera à mesure que les vannes s'ouvrent et se ferment.
Dans cette situation, les économies d'énergie réelles réalisables sur la pompe dépendront de la manière dont la vitesse de la pompe est contrôlée. Le moyen le plus simple de contrôler la vitesse de la pompe consiste à la faire répondre à un signal de pression différentielle entre deux points quelque part dans le système. Les meilleures options d'économie d'énergie sont :
- faire varier la vitesse de la pompe en fonction de la pression différentielle de la pompe et en utilisant une caractéristique de contrôle de vitesse intégrale désignée par le fabricant de la pompe.
- faire varier la vitesse de la pompe pour maintenir une pression constante aux extrémités du système (à l'aide de capteurs de pression différentielle à distance).
Les conséquences de chaque option en termes de caractéristiques de résistance de la pompe et du système sont illustrées dans les figures 1a et 1b. Pour chaque exemple, un débit minimum du système de 25 % a été supposé.
On peut voir sur la figure 1a que les contrôleurs intégrés de pompe sont capables de générer leurs propres caractéristiques de contrôle de vitesse qui déterminent comment la pompe répondra aux changements de résistance du système. On peut voir sur la figure 1a que les contrôleurs intégrés de pompe sont capables de générer leurs propres caractéristiques de contrôle de vitesse qui déterminent comment la pompe répondra aux changements de résistance du système. Le point de fonctionnement de la pompe se situera toujours quelque part sur cette caractéristique. La figure 1a montre une caractéristique de commande en ligne droite, mais les fabricants de pompes peuvent également fournir des caractéristiques courbes qui donnent des réductions plus importantes de la vitesse de la pompe pour les mêmes conditions de fonctionnement.
Les pompes contrôlées de cette manière ont l'avantage d'éviter le recours à des capteurs de pression différentielle à distance. Cependant, avec tous les contrôleurs intégrés, on suppose que le système a un modèle de charge assez uniforme et prévisible et que toutes les vannes à 2 voies s'ouvriront et se fermeront à peu près ensemble. Si le modèle de charge n'est pas uniforme, c'est-à-dire que certains circuits sont susceptibles de rester complètement ouverts tandis que la majorité se ferme, il y a un risque que les circuits complètement ouverts soient privés de débit lorsque la vitesse de la pompe diminue.
L'utilisation de capteurs de pression différentielle à distance aux extrémités du système est un moyen plus précis de contrôler la vitesse de la pompe. La vitesse de la pompe est contrôlée de manière à ce que la pression minimale de conception soit toujours disponible à chaque extrémité. Par conséquent, comme le montre la figure 1b, le point de fonctionnement de la pompe à charge partielle peut se situer n'importe où dans une plage de valeurs entre les conditions de charge maximale et minimale. Plusieurs capteurs sont nécessaires car dans un système à débit variable où les vannes à 2 voies peuvent se fermer dans un ordre aléatoire, l'index du système peut ne pas rester à un endroit mais peut se déplacer vers différentes parties du système.
On peut voir sur la figure 1b que pour un système contrôlé de cette manière, le point de fonctionnement de la charge minimale n'est fixé par aucune caractéristique de contrôle prédéterminée mais est libre de chuter autant que nécessaire. Il est donc probable que l'utilisation de capteurs à distance permettra de réaliser des économies d'énergie plus importantes que si des contrôleurs de vitesse intégrés sont utilisés.
Pour chaque méthode de contrôle de la vitesse de la pompe, l'économie d'énergie de la pompe réalisable entre les conditions de charge maximale et minimale sera égale à la différence entre la puissance de la pompe de charge maximale et minimale, c'est-à-dire :
Économie d'énergie de la pompe = (Δp1 Q1 / η1) – (∆p2 Q2 / η2)
En traçant la perte de pression de charge maximale et minimale et les conditions de débit sur la courbe de pompe du fabricant de la pompe, le changement d'efficacité de la pompe et les économies d'énergie qui en résultent peuvent être déterminés. Cependant, pour compléter ce calcul, les fonctions de la pompe doivent être estimées pour les conditions de charge maximale et minimale. Cela peut nécessiter de répéter l'exercice de dimensionnement de la pompe.
CIBSE Knowledge Series — Variable flow pipework systems
