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Dans les installations
HVAC, l’eau est généralement utilisée comme fluide caloporteur.
Elle apporte l’énergie chaude ou
froide des générateurs de chaud ou de froid au consommateur correspondant.
Comme toutes les substances, l’eau
obéit à des lois physiques. Si la voie est libre, l’eau coulera toujours
d’un lieu à haute pression à un lieu à basse pression et prend le chemin
qui offre le moins de résistance. Si
la nature ne fournit pas d’elle-même la différence de pression nécessaire
à ce que l’eau circule dans la direction désirée, une pompe de taille
correspondante est utilisée.
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Fonctions
du distributeur :
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Si deux ou plusieurs
consommateurs sont connectés à une centrale de production de chaud ou de
froid, un distributeur hydraulique est alors placé entre la production d’énergie
et les consommateurs d’énergie. Ce
distributeur doit être réglé de manière à ce que la commande ainsi que la régulation
du rendement, la production de chaleur et les différentes installations de
chauffage des consommateurs fonctionnent correctement et sans perturbations
mutuelles. Ce chapitre
devrait aider à différencier les quatre types de distributeurs utilisables et
montrer où et pourquoi les différents types devraient être utilisés.
Fig.9-1
Le distributeur comme lien entre la production d’énergie et les nombreux
consommateurs d’énergie
A
: Production
de chauffage/refroidissement
B
: Distribution
de chauffage/refroidissement
C : Consommateurs
de chauffage/refroidissement
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Fonctions
des circuits hydrauliques du consommateur
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Au consommateur, il faut
créer la possibilité de doser l’émission d’énergie chaude ou froide
entre 0 et 100 % de la capacité totale de charge calculée.
Ce dosage s’effectue en changeant la
course des vannes de commande entre 0 et 100% à la vanne de commande qui est
intégrée dans le circuit hydraulique du consommateur.
Cela entraîne un changement de flux
volumique à une température de départ constante (régulation d’écoulement)
ou à un changement de température de départ à flux volumique constant (régulation
de mélange). Pour cela, la technologie HVAC
applique un des 4 circuits hydrauliques suivants :
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Pour
la régulation du flux volumique conviennent :
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–
le circuit à débit variable,
et
–
le circuit de distribution
Fig
9-2 : Régulation du flux volumique
gauche : avec
circuit à débit variable
droite : avec
circuit de distribution
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Pour
la régulation de mélange conviennent :
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–
le circuit de mélange, et
–
le circuit à injection
Fig
9-3 : Régulation de mélange
a)
avec circuit de mélange
b) avec circuit à injection
Un distributeur fonctionne toujours comme un lien entre la production d’énergie
et plusieurs consommateurs d’énergie. Un régulateur – serait-ce le plus
moderne des régulateurs numériques – ne peut rien faire d’autre que fermer
et ouvrir des vannes. Et
s’il doit réguler correctement, les rapports de pression au distributeur
doivent être exacts. Auparavant, on ne veillez pratiquement qu’aux rapports
de pression souhaités pour la régulation du consommateur.
Cependant, aujourd’hui, ce sont
aussi les générateurs d’énergie qui posent différentes exigences à leur
circuit concernant leur température de départ et de retour.
Si
les exigences peuvent être satisfaites des deux côtés, alors les quatre types
de distributeurs suivants sont requis :
Distributeur sans pompe principale, pour groupes de consommateur dans des
circuits de mélange et chargement de la chaudière avec pompes de charge.
Distributeur avec pompe principale pour groupes de consommateurs dans des
circuits d’étranglement ou des circuits à injection avec vannes de passage.
Distributeur avec pompe principale pour groupes de consommateurs dans des
circuits de répartition ou des circuits à injection avec vannes à trois
voies.
Distributeur avec pompe principale pour connexion de consommateur sans différence
de pression dans les circuits de mélange.
Si par exemple la production de chaleur demande une température de retour
la plus basse possible (pompe à chaleur ou chaudière avec condensateur à gaz
évacué), seuls les types de distributeurs 1 et 2 conviennent. D’un autre côté,
si la production de chaleur demande la plus haute température de retour
possible (chaudière avec une limite minimum de température de retour pour éviter
la condensation du gaz évacué dans la chambre de combustion), alors seuls les
types de distributeurs 3 et 4 conviennent.
Le choix entre le type 1 ou 2 et le type 3 ou 4 est basé sur les rapports
de pression dans les circuits du consommateur connectés (Concepts clés :
autorité de vanne, pression de la
pompe) couverts dans le module du cours « Hydraulique A » (CBT).
Après avoir vu les exigences
principales des distributeurs et considéré les circuits hydrauliques du
consommateur, nous voulons maintenant étudier les différences hydrauliques et
les cas d’application spécifiques des différents types de distributeur.
Ce distributeur convient pour les petites installations ayant des
canalisations courtes entre le générateur d’énergie et le distributeur. Il
apporte aussi en fonctionnement de charge partielle du consommateur de basses
températures de retour au générateur de chaleur. Cela signifie que la perte
maximale de pression dans le circuit chaudière et donc la différence maximale
de pression aux connexions des différents groupes de consommateurs ne doit pas
dépasser 20% de la pression d’extraction la plus basse des pompes de groupes.
Une aspiration trop forte des différentes pompes de groupes provoquerait des
influences mutuelles indésirables.
fig.
9-4 Distributeur sans pompe principale pour groupes de consommateurs dans un
circuit de mélange
La perte de pression dans le circuit chaudière est le facteur décisif pour
le fonctionnement de la vanne. Si
la perte est trop importante, alors les vannes de groupes doivent être
dimensionnées proportionnellement avec des pertes de pression plus élevées.
Chaque circuit de consommateur nécessite
une vanne d’équilibrage pour que la différence de température calculée à
pleine charge puisse être réglée en adaptant (équilibrant) la quantité
constante de flux par le consommateur.
A l’aide d’une pompe principale au distributeur, il est possible d’éviter
les problèmes qui pourraient surgir aux distributeurs sans pompe principale
dans les circuits de consommateur ayant un circuit de mélange quand la perte de
pression dans le circuit chaudière est trop grande et que les vannes sont
surdimensionnées en faveur d’une basse pression de pompage. Si le générateur
nécessite des températures de retour plus basses, le groupe de consommateurs
peut être uniquement commandé avec un circuit d’étranglement ou un circuit
à injection avec vanne de passage. Les groupes de consommateurs ayant des
circuits d’étranglement n’ont pas besoin d’une pompe de groupe excepté
dans le cas où une perte de pression dans le circuit du consommateur concerné
le justifie.
Ne pas utiliser de charge d’eau
sanitaire avec des échangeurs thermiques internes car la température de retour
augmente avec la température de charge.
D’un autre côté, avec un échangeur thermique externe – et la
conception appropriée – les températures de retour peuvent atteindre 20°C
et ainsi augmenter l’efficacité d’une pompe à chaleur ou d’une chaudière
avec condensateur à gaz évacué.
fig.
9-5 Distributeur avec pompe principale pour groupes de consommateurs dans un
circuit d’étranglement ou un circuit à injection avec vanne de passage.
Un inconvénient de ce type de distributeur est le flux variable de l’eau
au sein du circuit chaudière, qui dans un cas extrême peut même
s’immobiliser. Afin d’éviter ceci, un by-pass entre le départ et le retour
de la chaudière est installé à l’entrée du distributeur. Ce by-pass a un
étranglement réglable pour fournir un niveau minimal de circulation d’eau.
Pourquoi à l’entrée du distributeur ? Pour ne pas devoir maintenir
inutilement le distributeur à température lors d’un fonctionnement en charge
nulle et ainsi éviter des pertes de chaleur. Il est possible de renoncer à
l’étranglement réglable pour une circulation minimale.
Il faut alors ajouter des contacts de
fin de course dans les servomoteurs de vannes quand toutes les vannes sont fermées.
Dans cette situation, la pompe
principale est désactivée.
Dans de grandes installations, une meilleure solution est l’installation
d’une pompe principale à vitesse commandée. Cette pompe aide à maintenir
constante la différence de pression à l’entrée du distributeur et de réduire
aussi simultanément la consommation d’énergie de la pompe.
La régulation de la différence de
pression au distributeur ainsi que la taille de la vanne offrent aussi des
avantages décisifs pour les groupes de consommateurs.
Les groupes de consommateurs connectés au distributeur de pression doivent
être équipés d’une vanne d’équilibrage. Cette vanne est utilisée pour
régler le flux volumique secondaire pendant un fonctionnement à pleine charge
de manière à ce que la différence de température calculée puisse être
respectée pour les groupes de consommateurs.
Des groupes de consommateurs ayant une régulation de mélange, tels que les
groupes de chauffage ou des préchauffeurs pour les installations de ventilation
et de climatisation, sont connectés ici dans un circuit à injection avec
vannes à trois voies. Sont
inclus ceux ayant une régulation du débit tels que les chaudières, les
refroidisseurs d’air et les réchauffeurs dans les circuits de répartition
qui n’ont donc plus besoin de pompes de groupe.
Dans ces deux circuits hydrauliques,
l’eau de départ ne circulant pas dans le groupe du consommateur est mélangée
avec l’eau de retour. Par
conséquent, la température de retour de la chaudière reste toujours élevée
même pour un fonctionnement à basse charge. Cela donne des rapports
constants de flux d’eau et de pression pas seulement dans le circuit du générateur
mais aussi aux points de connexion des différents groupes.
Fig.9-6
Distributeur avec pompe principale pour connexion de consommateurs dans des
circuits de répartition ou des circuits à injection avec vanne à trois voies.
Il est vrai que ce type de distributeur demande beaucoup de temps pour la
mise en service car tous les circuits d’eau constants pour les deux côtés du
consommateur et de la production doivent être équilibrés.
Malheureusement, en pratique, cet équilibrage
hydraulique n’est souvent pas effectué assez soigneusement dans le but d’économiser
du temps, et donc de l’argent. Il
en résulte alors un mauvais comportement de régulation et une mauvaise
circulation.
Ce distributeur appelé « distributeur sans pression » évite
certains des problèmes mentionnés ci-dessus grâce à un découplage
hydraulique clair entre les circuits du générateur et du consommateur.
En principe, le circuit du générateur
est une « canalisation circulaire » très large, dont la pompe de
circulation n’a besoin de surmonter que sa propre perte de pression, générant
une différence de pression maximale de 0.5 kPa entre le distributeur de départ
et le collecteur de retour. Les
groupes de consommateur peuvent être connectés au distributeur dans un circuit
de mélange. Dans
ce cas, leurs pompes ne servent qu’à la circulation de l’eau « à
partir du distributeur ». Cela
vaut aussi pour les pompes de charge de la chaudière dans le circuit d’étranglement,
qui ne peut plus influencer ou seulement de manière non significative les
rapports de pression dans le distributeur et ainsi aux points de connexion des
groupes restants.
L’évitement d’influences hydrauliques mutuelles parmi les groupes de
consommateurs est donc l’avantage décisif de ce distributeur.
De plus, l’installation est simple : pas de vannes d’équilibrage
dans le circuit du générateur, pas de problèmes de fuites dus aux différences
de pression élevées et pas de problèmes d’équilibrage pendant la mise en
service.
Fig.
9-7 Distributeur avec pompe principale pour connexion de consommateur sans différence
de pression dans un circuit de mélange.
Dans un fonctionnement à charge partielle du circuit du consommateur,
l’eau de départ du générateur dont on a pas besoin circule par le by-pass
du distributeur vers le collecteur de retour, maintenant la température de
retour à la chaudière à un niveau élevé dans le cas d’une installation de
chauffage. Comme
il a déjà été dit, ce type de distributeur ne convient pas quand de basses
températures de retour aux générateurs de chaleur sont requises.
Ce distributeur convient
aussi très bien pour la connexion d’une ligne urbaine, dont les pompes
n’ont qu’à surmonter la perte de pression entre le distributeur principal
et les sous-distributeurs également « sans pression ».
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