Mesurages et analyses

Démarche

Cet organigramme présente une arborescence des analyses proposées dans ce module d'analyse de détail des pompes

 

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Mesurages et analyses

Effets de l'intégration d'un convertisseur de fréquence

Les contraintes de réglage associées à la nature des consommateurs et la forme de la courbe de charge du réseau (circuit ouvert ou fermé) et de la caractéristique de la pompe ont un effet sur les économies apportées par un convertisseur de fréquence. Les figures ci-après illustrent quelques situations rencontrées sur le terrain :

Dans cette première figure, on compare la situation d'une pompe (caractéristique en vert) dans un circuit fermé (courbes bleues) et un circuit ouvert avec hauteur statique ou contre pression (courbes rouges).

Pour les deux situations, la présence d'une vanne permet de régler le débit en passant du point 1 (vanne ouverte) au point 2 (vanne fermée).

Ce mode réglage par vanne est inefficace en termes de rendement. La réduction du débit en suivant la caractéristique de la pompe génère une pression inutilement élevée. Le recours à un variateur permet de réduire le débit sans augmenter la pression, voire en la baissant.

La figure ci-dessous illustre une situation dans laquelle le système est simple et permet un réglage qui suit la courbe de charge à débit max. (un seul consommateur).

Cet exemple montre que l'apport d'un variateur dépend de la courbe de charge du réseau. Lorsqu’il n’y a pas de hauteur statique à vaincre (courbes bleues), la baisse de pression est extrêmement élevée et la puissance hydraulique peut s’abaisser d’un facteur 5 voire 10. Les économies sont dans une proportion un peu moindre du fait des rendements (moteur, variateur) moins bons avec la fréquence très basse. Avec une pression statique, le gain sera ici deux fois moins important (courbes rouges).

La figure ci-suivante illustre une situation dans laquelle le système impose un réglage proportionnel et non un réglage simple. Dans cet exemple on observe également que l'apport d'un variateur dépend de la courbe de charge du réseau. Le réglage selon le mode proportionnel (droites en trait-tillé rouge et bleue), dans lequel la pression nécessaire est réduite lorsque le débit diminue, on constate que le gain de pression est plus faible lorsque le système fait face à une hauteur statique (flèche double rouge) que lorsque le système est ouvert (flèche double bleue). La marge de réglage est plus faible avec une hauteur statique.

On rappelle que le mode de réglage proportionnel (très commun dans la pratique) suit une droite de réglage qui part du point à débit max. et qui croise l'axe de Δp (débit nul) à une valeur correspondant à 50% de la différence entre la base de la courbe de charge et la pression au point nominal (ici le débit max).

La dernière figure montre que, dans des cas particuliers, lorsque la situation impose un réglage à pression constante (ligne verte en trait tillé) et que la caractéristique de la pompe est très plate dans la zone de travail, le gain apporté par un variateur peut être très faible et l'ajout d'un tel composant ne pas se justifier.

 

 

 

 

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Mesurages et analyses

Utilisation d'un débit classé

Un débit classé consiste à représenter les valeurs relevées sur une période donnée (typiquement 1 semaine représentative de 1 année) en différentes catégories. On peut ainsi observer avec quelle fréquence la pompe travaille dans différents modes. On trouve alors différents profils caractéristiques auxquels sont associées des inefficiences et de potentielles optimisations.

On notera en préambule que pour le débit nominal, on se réfère au débit à rendement max. et non au débit de dimensionnement qui peut être initialement mal choisi. De plus, si la pression le permet, le débit max. peut être, sur la caractéristique, légèrement à droite du débit nominal (sauf si le débit est constant, auquel cas on le choisira au point nominal).

 

 

 

 

 

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Messungen und Analysen

Alte Anlagen und Verbrauchereinflüsse

Das Alter der Anlagen ist aus mehreren Gründen wichtig. Erstens sind die Einsparungen bei älteren Geräten in der Regel höher (Verschleiß, Verstopfung, technologische Verbesserungen, geänderte Bedürfnisse usw.). Bei einem Motor ist das Alter oft auch ein Kriterium, um zu wissen, wie eine variabel Drehzahl zu realisieren ist. Die Kombination eines Frequenzumrichters mit einem alten Motor erfordert Maßnahmen, um dessen schnelle Zerstörung zu vermeiden. Ein Sinusfilter begrenzt die Flankensteilheit der Spannungsschwankungen. Bei Pumpen sind zwei Punkte besonders wichtig: der Arbeitsbereich und die Art des geförderten Mediums. Wenn die Pumpe in einem Bereich arbeitet, der nicht empfohlen ist (weit links oder weit rechts von den Kennlinien), kann sie schneller verschlesen und Kavitationsprobleme verursachen. Wenn die Pumpe ein aggressives Medium fördert, z. B. Schleifmittel, kann dies die Schaufeln verformen und die Leistung verringern.

Wenn ein Gerät relativ neu ist, sollte der Grund für den Austausch oder die Anpassung klar sein. Eine schlechte anfängliche Dimensionierung oder ungeplante Änderungen können ein Grund für eine Optimierung sein.

 

Bei einem Motor und einer Pumpe, die keine besonderen Verschleissprobleme aufweisen, können die Geräte in dem als alt definierten Bereich als alt angesehen werden.

 

Die Tatsache, dass das Gerät in der "alten" Zone liegt, bedeutet nicht, dass es seine normale Lebensdauer überschritten hat, sondern das Alter ist ein zusätzliches Argument für die Betrachtung des Einsparpotenzials.

In einfachen Fällen, in denen es nur einen Verbraucher gibt oder sich mehrere Verbraucher parallel verhalten, ist es möglich, den Bedarf durch Variation der Pumpendrehzahl weitgehend anzupassen. Verbraucher mit unabhängigen Bedürfnissen benötigen eine niedrigere Drehzahlregelung. Der korrekte Abgleich der Hydrauliksystemzweige ist in jedem Fall positiv..
Wenn der Verbrauch des elektrischen Antriebs keinen Einfluss auf andere Verbräuche hat, kann der Umfang der Analyse außerdem auf den Antrieb allein beschränkt werden. Der Antrieb kann dann für sich selbst optimiert werden.

 

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Mesurages et analyses

Maîtrise du débit et de ses variations

Un débit plus important que nécessaire représente une surconsommation évitable. Le besoin réel est à considérer aussi du point de vue d'un possible redimensionnement. Il s’agira donc retrouver les bases de l’estimation du besoin, par exemple avec les caractéristiques des consommateurs (la question de la simultanéité des besoins est aussi à prendre en compte).

Lorsque les variations de besoins sont assurées par étranglement, by-pass, etc. le système n’est pas optimal d’un point de vue énergétique. La mise en place d'un réglage via un convertisseur de fréquence sera probablement une bonne mesure d'optimisation qui doit être analysée (notamment en termes de paramètre de réglage). La présence d'un convertisseur n’exonère pas du contrôle du bon dimensionnement.

L’utilisation d'un convertisseur, alors que le besoin ne varie pas, permet parfois de régler la vitesse pour atteindre le débit fixe attendu. Si cette mesure est associée à un mauvais dimensionnement (perte de charge initiale mal estimée ou changement de celle-ci), le rendement sera généralement médiocre. Un redimensionnement de la pompe peut alors être judicieux. Si le régime fixe est à 50 Hz, cela signifie que le convertisseur est utilisé comme démarreur. Le recours à un démarreur (soft-start) est alors plus efficace.

Dans une analyse de pompe, il est très souvent fondamental de connaître le débit et ses variations afin de pouvoir apprécier les économies et les optimisations possibles. Des mesurages au débitmètre sont alors nécessaires. Si le système ne dispose pas d'un débitmètre à demeure, un appareil mobile sera installé pour une durée permettant de connaître le profil annuel :

Pour ces mesurages de débit, on se réfèrera à la procédure dédiée "VELANI - Procédure de mesurage de débit de pompe - V1.0".

 

 

 

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Mesurages et analyses

Relevés de pression et de puissance électrique

Associée aux données de débit, la disponibilité du différentiel de pression sur la pompe permet de déterminer la puissance hydraulique. Elle permet aussi de placer le point ou la plage de fonctionnement réel sur les caractéristiques de la pompe et de déterminer la qualité du dimensionnement. Des valeurs de puissance hydraulique et des relevés de puissance électrique (amont des convertisseurs s'ils existent), on peut extraire le rendement effectif de l'entraînement dans les différents cas de charge. On notera qu'une puissance électrique enregistrée par un wattmètre triphasé (avec prise de la tension), est nettement plus précise qu'un mesurage de courant sur une seule phase. C'est notamment le cas lorsque la charge est réduite et que le facteur de puissance est éloigné de l'unité. Les périodes et conditions de mesurage des pressions et des grandeurs électriques doivent correspondre à celles du débit.

Pour ces mesurages des grandeurs électriques, on se réfèrera à la procédure dédiée "VELANI - Procédure de mesurage de la puissance électrique - V1.0" alors que pour les mesurages de pression, on se réfèrera à la procédure dédiée "VELANI - Procédure de mesurage de pression - V1.0".

 

 

 

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Mesurages et analyses

Fonctionnement à vannes semi-fermées

Il arrive qu'un mauvais dimensionnement initial (ou des adaptations du besoin) conduisent à un débit plus élevé que nécessaire. La solution, fréquente, consistant alors à étrangler le débit (vanne, diaphragme) pour le ramener à la valeur désirée est généralement énergétiquement peu efficace. Selon la position des points de fonctionnement effectifs et de dimensionnement (à vanne ouverte) sur la caractéristique, il peut être avantageux soit, de remplacer la vanne par un réglage en vitesse, soit de redimensionner la pompe. Ainsi, lors des mesurages en vue d’analyse, on ouvrira si possible la vanne au maximum et relèvera les débits et pressions. Si ce n'est pas possible, on relèvera le degré d'ouverture de la vanne et son type. Ensuite, des caractéristiques de la vanne, on établira quelle est la perte de charge de cette dernière au débit donné. En soustrayant cette perte de charge à celle enregistrée à vanne semi-fermée, on obtiendra la perte de charge du réseau au débit désiré. On pourra alors redimensionner la pompe pour ce point-là (voir détails ci-dessous).

 

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Mesurages et analyses

Pompes fonctionnant en cascade

La mise en cascade de deux pompes ou plus, connectées en parallèle, est efficace si les dimensionnements sont corrects et si les commutations (enclenchement, déclenchement) sont réalisées aux bons moments. Afin de le déterminer, il est nécessaire de relever le Δp commun aux pompes et le débit total mais également les instants de commutation (et les puissances électriques correspondantes).

On observe souvent que lorsque le débit est croissant, le nombre de pompes enclenchées progresse de façon sensée. Par contre, lorsque le débit décroit, les pompes surnuméraires demeurent en fonctionnement bien trop longtemps. Il s’agit bien sûr d’éviter des commutations trop fréquentes via l’introduction d’une hystérèse. Le problème provient parfois d’un mauvais réglage de cette mesure. Idéalement, il faut que pour un débit donné, le nombre de pompes enclenchées correspondent à la situation au meilleur rendement possible.

On a représenté ci-dessous la situation d’un système à deux pompes. En bleu on a la caractéristique d’une pompe en fonctionnement et en vert de deux pompes. Pour un débit donné Q1, il est possible de travailler avec une pompe à 50Hz ou avec deux pompes à 30 Hz. La courbe du réseau correspondant à ce débit et à la pression est en rouge. Elle correspond au rendement maximum pour une pompe. Pour les deux pompes travaillant à 30 Hz, le rendement sera moins bon pour deux raisons :

 

 

 

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Mesurages et analyses

Exemple d'une optimisation: cas concret

Cet exemple d'optimisation comprend le redimensionnement d'une pompe et de son moteur (déjà sur variateur dans le cas présent) ainsi que de l'évolution du réglage d'une stratégie à pression constante vers un réglage proportionnel.

Situation initiale: pompe entraînée par un moteur de 90 kW, équipée d’un variateur de vitesse, alimente en eau glacée un réseau de consommateurs, réglage à pression constante.

Mesurage des débits, pressions et grandeurs électriques

Relevés de mesurage 

 

Débits classés 

Le débit oscille entre 85 et 330 m3/h. On a considéré ici 6 classes de débit autour des valeurs figurant au pied des colonnes. 

On constate que:

Avec un débit max. de 330 m3/h et une distribution prépondérante entre 85 et 220 m3/h, les débits sont très inférieurs à la valeur de dimensionnement de 430 m3/h.

-> mauvais dimensionnement en débit

Report des points de fonctionnement sur la caractéristique de la pompe actuelle

On constate que:

la pompe est très mal dimensionnée en pression (à la p de réglage 3 bar, le débit Q à 50 Hz serait > 600 m3/h, loin du point de fct nominal de la pompe)

la pompe est mal dimensionnée en débit (la zone de travail la plus fréquente est située au 1/3 du Qnom et le Qmax mesuré au 2/3 du Qnom)

le moteur asynchrone ancien a vraisemblablement un  rendement réduit (travail à basse vitesse)

le rendement de la pompe, malgré le CF, est modeste (les points de fct à 50 Hz de la zone jaune, signalés en vert, sont éloignés de l’optimum)

Optimisations

Pompe redimensionnée en pression et débit (3 bar, 320 m3/h) et moteur synchrone IE4

Nous avons choisi une pompe dont le rendement est maximum proche de la zone de débit le plus fréquent (125 à 215 m3/h)

Les conditions permettent un réglage proportionnel

 

 

Caractéristiques nouvelle pompe

 

 

Résultats

Pour chaque plage de débit, on considère la pression avant et après et le rendement des divers composants avant et après. Comme il n'y a pas d'ajout ou de suppression de composants, on a le même nombre de rendement à considérer. Dans les calculs ci-dessous, le rendement des convertisseurs est inclus dans le rendement des moteurs.

Dans les situations à débits variables (vitesse variable), le calcul des rendements implique de disposer des caractéristiques et de prendre garde à  considérer les bonnes valeurs. A ce titre, on considèrera le Détail No 8 pour ce qui est du rendement d'une pompe tournant à vitesse réduite.

Pour les moteurs asynchrones, le rendement chute relativement rapidement avec la féquence. En-dessous de 40 Hz, il faut disposer du rendement réel qui diffère de plus en plus fortement du rendement à 50 Hz.

Nous avons considéré ici, pour chacune des 6 classes de débit Q (90, 135, 177, 217, 271, 323 m3/h), les calculs suivants:

Δp avant optimisation (30 mCE constant) et après (proportionnel selon courbe de réglage en orange sur la caractéristique de la nouvelle pompe)

Phydr = Δp * Q

ηpompe avant, rendement de la pompe avant optimisation (points verts sur la caractéristique de la pompe actuelle)

ηpompe après, rendement de la pompe après optimisation (gros points oranges sur la courbe de rendement de la caractéristique de la nouvelle pompe)

ηmoteur , rendement des moteurs avant et après selon caractéristique des moteurs à vitesse variable, inclus le rendement du CF

Pel avant et après (pas explicité dans le tableau ci-dessous), Pel = Phydr / ηtot = Δp * Q / ηpompemoteur

Energie ou consommation annuelle avant et après: E = Nh * Pel

 

 

On constate que:

Le réglage proportionnel permet une baisse de la pression, à l'exception du fonctionnement à débit max.

La puissance hydraulique est réduite d'autant

La nouvelle pompe à un rendement beaucoup plus élevé dans les plages de débit les plus fréquentes

Le nouveau moteur à un excellent rendement. La différence avec celui de l'ancien moteur augmente lorsque la vitesse est réduite

Le mauvais dimensionnement de la pompe actuelle conduit à des vitesses de rotation basses qui péjorent le rendement du moteur et du convertisseur.

La baisse de consommation est de l'ordre de 50% à régime réduit.

Elle dépasse globalement 40%.

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Mesurages et analyses

Correction d'un mauvais dimensionnement

Un dimensionnement non satisfaisant peut découler d’un mauvais choix initial ou résulter de changements dans les besoins (modification du circuit hydraulique). Plusieurs situations peuvent se présenter.

1) Débit réel plus faible que débit nominal

 

Dans cette première situation, le débit réel Q1 est nettement plus faible que le débit nominal. Il en découle un fonctionnement avec un rendement médiocre (50%). Si la perte de charge en ce point correspond effectivement à celle du réseau pour ce débit (nécessaire), on ne peut pas la réduire. On peut par contre mieux choisir la pompe de telle façon que le rendement soit maximum au point rouge (en vert, extrait de la nouvelle caractéristique et courbe d'équi-rendement).

-> pompe redimensionnée au point rouge

2) Débit réel plus élevé que débit nominal

 

Dans cette autre situation, le débit mesuré Q2 est plus nettement plus élevé que le débit nominal. Il en découle un fonctionnement avec un rendement réduit (61%). Si la perte de charge correspond effectivement à celle du réseau pour ce débit (nécessaire), cela montre que la pression nécessaire est plus faible que celle de dimensionnement. Deux situations sont alors possibles:

1) le débit Q2 est bien le débit nécessaire (on a ajouté des branches d'utilisateurs): on peut alors choisir une pompe redimensionnée pour le point de fonctionnement réel Δp2, Q2 (rendement maximum à ce point rouge). En vert, la caractéristique de la nouvelle pompe et la courbe de rendement associée.

-> pompe redimensionnée au point rouge

2) il arrive que le mauvais dimensionnement initial ou les adaptations au cours du temps fassent que la courbe de charge soit différente (plus à droite) que celle estimée et le débit Q2 peut alors être plus important que requis par les utilisateurs. Si le besoin réel est Qnom, il est possible de réduire la vitesse de la pompe existante jusqu'à atteindre le point violet. Le rendement ne sera pas optimum mais le gain sur la puissance hydraulique important. Une alternative consisterait à redimensionner la pompe pour le point violet (rendement max. en ce point). Le choix entre les deux options sera alors économique. Notons également que la première solution conserve une certaine souplesse si le débit nécessaire devait croître.

 

 

 

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Mesurages et analyses

Optimisations d'une pompe

Les optimisations peuvent être associés à des composants de la meilleure classe d'efficacité, à un dimensionnement adéquat et à un réglage de débit par CF.

 

Dans la situation initiale, on observe que la pompe travaille à débit variable, entre les deux courbes de charge rouges. Le réglage est assuré par une vanne.

On constate que la zone d'exploitation est éloignée du point de dimensionnement et que le rendement dans cette plage est nettement plus faible que le rendement optimal. Du fait du réglage par vanne, la pression augmente lorsque le débit diminue et la puissance hydraulique reste élevée malgré la baisse du besoin. La pompe est mal dimensionnée et mal réglée.

Lorsque l'on redimensionne la pompe, on s'assure que la zone de travail chevauche le point de fonctionnement à rendement maximum. Ici, il a été choisi tout à droite de la zone d'exploitation. Si temps de fonctionnement le plus fréquent se situe très majoritairement au milieu de la plage de travail, on peut choisir le point nominal plus à gauche (en veillant que le besoin max. soit encore dans une zone favorable). On constate que ce redimensionnement a permis d'accroître le rendement maximum (nouvelle pompe, idem pour le nouveau moteur), et de travailler proche de ce maximum. La puissance hydraulique associée au besoin de pression et de débit n'a pas changée.

La maîtrise d'un besoin variable via un convertisseur de fréquence à un effet sur la pression à débit réduit. Ainsi, la puissance hydraulique diminue très fortement lorsque le débit nécessaire diminue. C'est une source de baisse de consommation très importante. C'est d'autant plus vrai que le temps passé à débit réduit est long.

 

 

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Mesurages et analyses

Rendement d'une pompe en focntion de la vitesse

Lorsque l’on considère l’évolution du rendement d'une pompe fonctionnant à vitesse variable, il faut tenir compte de la perte de charge.

Le rendement à vitesse réduite n’est pas le rendement local figurant sur les courbes d’équi-rendement (rouge). Pour une vitesse variable et une courbe de charge donnée, le rendement à vitesse réduite sera très proche du rendement à 50 Hz. Par exemple: le point orange, correspondant à un régime de fonctionnement à 25 Hz offrira un rendement proche de 81%, correspondant au cas de fonctionnement à 50 Hz (intersection de la courbe de réseau avec la caractéristique de la pompe à 50 Hz) et non de 66% (comme pourrait le laisser croire le rendement "local"). Par contre, lorsque la courbe de perte de charge du réseau varie, typiquement dans le cas d'un réglage à pression constant, le rendement va varier. Les valeurs de rendement seront néanmoins, pour chaque situation, celle à l'intersection de la courbe du réseau avec le caractéristique de la pompe à 50 Hz.

Ce n'est par contre plus le cas lorsque la fréquence est constante mais que le diamètre de roue est réduit. Les courbes rouges d'équi-rendement servent  dans ces situations.

Le diamètre de roue 1 (φ1) est le plus grand diamètre possible pour une volute donnée (et normalement celui qui permet le plus grand rendement). Pour une caractéristique de réseau donnée (courbe verte), lorsque la pompe travaille avec une roue plus petite (φ4), par exemple pour atteindre en l'absence de variateur un débit plus faible, le rendement du point de fonctionnement orange (68%) est nettement plus faible que pour le diamètre nominal (point vert avec un rendement de 85%).

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Performances et optimisation d'un accouplement

Dans les système de ventilation, on a souvent recours à une transmission via des courroies. Cela permet notamment pour sélectionner une vitesse de rotation du ventilateur (via un rapport des diamètres de poulies choisi), mais aussi de réduire l'encombrement ou de le rendre plus compact.

Comme le montre la figure ci-dessous, le recours à des courroies a un effet sur le rendement de l'entraînement. Dans de mauvaises conditions, les performances peuvent être fortement dégradées.

On constate que pour les courroies trapézoïdales, le fonctionnement à charge partielle est particulièrement peu performant. Pour un moteur de 10kW chargé à moitié, le rendement avoisine les 90%. Ces courroies sont peu intéressantes à l'exploitation puisque le rendement se péjore au cours du temps, qu'elles sont bruyantes et sales et que leur durée de vie est brève.
Dans la mesure du possible, on les remplacera par des courroies plates ou mieux par un entraînement direct.

 

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Démarche

Cet organigramme présente une arborescence des analyses proposées dans ce module d'analyse de détail des ventilateurs

 

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Effets de l'intégration d'un convertisseur de fréquence

La gestion des variation des besoins (débits) d'un ventilateur par un clapet ou un VAV peuvent être fortement inefficience comme le montre l'exemple ci-dessous:

Situation initiale:

Ventilateur entraîné par un moteur de 45 kW, sans variateur de vitesse, aspire de l'air au travers d'un produit afin de le refroidir. Le température de l'air au niveau du ventilateur est de 80°C environ.

Relevés de mesurages:

Débit et pressions variables, pression à corriger avant report sur les caractéristiques du fait d’une T différente de celle ayant prévalu lors du relevé de la caractéristique sur banc d’essai (T =20°C)

Correction de valeurs de pression (effet de la T):
T=20°C (établissement des courbes du ventilo)
ρ20°C = 1.204 kg/m3 (idem)
ρ80°C = 1.292*273.15/(273.15+80) = 0.99 kg/m3 
Δpdiag= ρ20°C / ρ80°C * Δpmes (valeur corrigée à reporter sur le diagramme)

Report des valeurs sur les caractéristiques du ventilateur actuel                                              Caractéristique du nouveau ventilateur

Le débit varie entre 2 et 4 m3/h:                                                                                                        Dimensionné pour 4 m3/h et 4.4 mCE

En travaillant entre 2 et 4 m3/s, on constate sur les caractéristiques actuelles que l'on est très loin de l’optimum de débit (8 m3/s) avec pour conséquence un rendement entre 40 et 69% alors que le rendement nominal est de 85%.

-> mauvais dimensionnement en débit

Optimisations:

On propose alors les APE suivantes:

Nouveau ventilateur (même prestation de débit), figure de droite ci-dessus
Ajout d’un convertisseur de fréquence
Nouveau moteur IE4 synchrone 22 kW

Le réseau aéraulique ne changeant pas, il est donc possible de travailler avec un réglage en vitesse qui suit la courbe de charge du réseau.

Calcul des économies:

Considérant 4 classes de débit, on a les résultats suivants:

On constate que: 
Le nouveau ventilateur redimensionné et le nouveau moteur offrent de bons rendemenst dans toute la plage de variation du débit.
L'ajout du variateur permet des gains très substantiels en terme de puissance aéraulique
Au final, la consommation est divisée par 3
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Mesurages et analyses

Utilisation d'un débit classé

Un débit classé consiste à représenter les valeurs relevées sur une période donnée (typiquement 1 semaine représentative de 1 année) en différentes catégories. On peut ainsi observer avec quelle fréquence la pompe travaille dans différents modes. On trouve alors différents profils caractéristiques auxquels sont associées des inefficiences et de potentielles optimisations.

On notera en préambule que pour le débit nominal, on se réfère au débit à rendement max. et non au débit de dimensionnement qui peut être initialement mal choisi. De plus, si la pression le permet, le débit max. peut être, sur la caractéristique, légèrement à droite du débit nominal (sauf si le débit est constant, auquel cas on le choisira au point nominal).

 

 

 

 

 

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Equipements anciens et influences des consommateurs

L’âge des installations est important à plusieurs titres. D’abord, les économies sont généralement plus élevées sur des équipements anciens (usure, encrassement, améliorations technologiques, changement des besoins, etc.). Pour un moteur, l’âge est souvent aussi un critère pour savoir comment implémenter une variation de vitesse. Associer un convertisseur de fréquence à un moteur ancien implique des mesures afin d'éviter sa destruction rapide. Un filtre sinus limitera la raideur des flancs des variations de tension. Pour les ventilateurs, deux points sont particulièrement importants: la zone de fonctionnement et la nature du milieu transporté. Si le ventilateur transporte un medium agressif, abrasif par exemple, cela pourra déformer les aubes et réduira les performances.

Si les équipements sont récents, la justification de leur remplacement ou de leur adaptation devra être claire. Un mauvais dimensionnement initial ou des changements non prévus peuvent constituer des motifs d'optimisation.

Pour un moteur et un ventilateur sans problème d’usure particulière (typ. médium abrasif), on peut qualifier d’âgé un équipement dans la zone définie comme telle.

 

Le fait de se trouver dans la zone « agé » ne signifie pas que l’équipement a dépassé sa durée de vie normale, mais que l’âge est un argument supplémentaire pour s’intéresser aux potentiels d’économie.

 

 

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Mesurages et analyses

Maîtrise du débit et de ses variations

Un débit plus important que nécessaire représente une surconsommation évitable. Le besoin réel est à considérer aussi du point de vue d'un possible redimensionnement. Il s’agira donc retrouver les bases de l’estimation du besoin, par exemple avec les caractéristiques des consommateurs (la question de la simultanéité des besoins est aussi à prendre en compte).

Lorsque les variations de besoins sont assurées par étranglement, by-pass, etc. le système n’est pas optimal d’un point de vue énergétique. La mise en place d'un réglage via un convertisseur de fréquence sera probablement une bonne mesure d'optimisation qui doit être analysée (notamment en termes de paramètre de réglage). La présence d'un convertisseur n’exonère pas du contrôle du bon dimensionnement.

L’utilisation d'un convertisseur, alors que le besoin ne varie pas, permet parfois de régler la vitesse pour atteindre le débit fixe attendu. Si cette mesure est associée à un mauvais dimensionnement (perte de charge initiale mal estimée ou changement de celle-ci), le rendement sera généralement médiocre. Un redimensionnement du ventilateur peut alors être judicieux. Si le régime fixe est à 50 Hz, cela signifie que le convertisseur est utilisé comme démarreur. Le recours à un démarreur (soft-start) est alors plus efficace.

Dans une analyse de ventilateur, il est très souvent fondamental de connaître le débit et ses variations afin de pouvoir apprécier les économies et les optimisations possibles. Des mesurages de débit (vitesse) sont alors nécessaires. Si le système ne dispose pas d'un dispositif à demeure, un appareil mobile sera installé pour une durée permettant de connaître le profil annuel :

Pour ces mesurages de débit, on se réfèrera à la procédure dédiée "VELANI - Procédure de mesurage de débit de ventilateur - V1.0".

 

 

 

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Mesurages et analyses

Relevés de pression et de puissance électrique

Associée aux données de débit, la disponibilité du différentiel de pression sur la ventilateur permet de déterminer la puissance aéraulique. Elle permet aussi de placer le point ou la plage de fonctionnement réel sur les caractéristiques du ventilateur et de déterminer la qualité du dimensionnement. Des valeurs de puissance aéraulique et des relevés de puissance électrique (amont des convertisseurs s'ils existent), on peut extraire le rendement effectif de l'entraînement dans les différents cas de charge. On notera qu'une puissance électrique enregistrée par un wattmètre triphasé (avec prise de la tension), est nettement plus précise qu'un mesurage de courant sur une seule phase. C'est notamment le cas lorsque la charge est réduite et que le facteur de puissance est éloigné de l'unité. Les périodes et conditions de mesurage des pressions et des grandeurs électriques doivent correspondre à celles du débit.

Pour ces mesurages des grandeurs électriques, on se réfèrera à la procédure dédiée "VELANI - Procédure de mesurage de la puissance électrique - V1.0" alors que pour les mesurages de pression, on se réfèrera à la procédure dédiée "VELANI - Procédure de mesurage de pression - V1.0".

 

 

 

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Mesurages et analyses

Mauvais dimensionnement, fonctionnement à clapet semi-fermé

Il arrive qu'un mauvais dimensionnement initial (ou des adaptations du besoin) conduisent à un débit plus élevé que nécessaire. La solution, fréquente, consistant alors à étrangler le débit (clapet) pour le ramener à la valeur désirée est généralement énergétiquement peu efficace. Dans l'exemple ci-dessous, les pertes de charge ont été mal évaluées et elles sont plus faibles que prévu (on est à droite du point attendu et le débit est trop grand, point 2). La correction usuelle de débit avec un clapet semi-fermé permet d'atteindre le débit désiré Q1 . Cette stratégie conduit à un point de fonctionnement (1) qui se situe dans une zone de mauvais rendement et de pression élevée.

 

La bonne solution consiste à rouvrir partiellement le clapet jusqu'à atteindre le rendement maximal (3) puis à reduire la vitesse jusqu'à atteindre le débit Q1 souhaité (4). On atteint le débit désiré avec un excellent rendement et une pression très réduite.
-> ventilateur conservé, ouverture du clapet ajustée, ajout d'un CF (changement de poulies, s'il n'est pas prévu de besoin variable).
Parbre point 1: 4.9 kW
Parbre point 4: 1 kW
Consommation divisée par 4 environ (tenant compte des rendement plus faibles du moteur et du CF à vitesse réduite, rapport de 5 si changement de poulies)
Dans le cas contraire, si les pertes de charges sont plus élevées que calculées et que, par exemple, on se trouve en réalité au point 1 plutôt qu'au point 3, il n'est pas possible de corriger le tir et seule un autre ventilateur fera l'affaire (à moins que la vitesse puisse être augmentée jusqu'à atteindre le débit du point 3).
On notera que les axes logarithmiques font que les courbes de charges sont des droites confondues avec les droites d'équirendement.

 

 

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Mesurages et analyses

Pertes de charge évitables

Dans les circuits aérauliques, notamment les monoblocs, on trouve différents composants comme des amortisseurs de bruits, des batteries et des filtres qui génèrent des pertes de charge parfois importantes. Suite à l'évolution du système ou de son environnement, ces dispositifs ne sont parfois plus utilisés ou plus nécessaires mais il demeurent en place. Leur démontage permet de réduire les pertes de charge. Pour les filtres, c'est le manque de maintenance qui peut s'avérer source de pertes de charge inutiles.

Exemple: soit un ventilateur de pulsion (à réaction) d'un monobloc qui fournit un débit nominal de 10.5 m3/s sous un différentiel de pression ∆p de 1800 Pa. Suite à des modifications côté utilisateurs, plusieurs éléments du monobloc sont caduques (amortisseur de bruit, échangeur à plaque et batterie de chauffage). Au débit actuel, ces différent composants génèrent une perte de charges de 600 Pa.

En rouge le point de fonctionnement actuel avec les pertes de charges des composants inutiles

Monobloc avec les composants que l'on peut retirer (en vert) dans le canal d'air pulsé

La suppression des pertes de charge va conduire à une baisse de pression de 600 Pa pour le débit de 10.5 m3/s. On sait donc que la nouvelle courbe de charge (droite jaune inférieure) passera par le nouveau point de fonctionnement 10.5 m3/s, 1200 Pa.
Pour atteindre ce point, il faut donc retirer les composants puis réduire la vitesse de 1475 à 1270 t/min.
La puissance aéraulique est proportionnelle à la pression. Elle passera de 18.9 kW à 12.6 kW.
Afin de réaliser ces économies, il est nécessaire d'ajouter un CF ou de changer les poulies. Sans cette adaptation, le débit augmentera et ne correspondra plus à la valeur souhaitée.

 

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Free cooling

Le principe de fonctionnement

Lorsque la température extérieure est inférieure à la température du réseau de froid, l'eau glacée circule à travers l'aérorefroidisseur, qui n'est autre qu'un échangeur avec des ventilateurs qui forcent l'échange entre l'air et l'eau. De cette manière le fluide est refroidi sans que le groupe froid n'ait besoin de fonctionner.

Une différence de température entre l'eau à refroidir et l'air extérieur est indispensable, sinon aucun transfert de chaleur n'est possible. Un différentiel d'environ 3 °C entre la température de l’air extérieur et celle de l’eau est nécessaire pour le fonctionnement du free-cooling. Ce différentiel étant lié aux caractéristiques des échangeurs de chaleur, le cas échéant, il pourrait être réduit.

 

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HP flottante

Le principe de fonctionnement

La régulation par Haute Pression flottante permet de réguler la pression (et par conséquent la température) de condensation tout au long de l'année, à une valeur déterminée par une consigne en fonction de la température extérieure.
En période hiverale ou en mi-saison, la puissance à évacuer au niveau des condenseurs baisse et il n'est pas nécessaire de maintenir une température de condensation fixe élevée (45°C).

Ce type de régulation permet de diminuer la diminuer la puissance absorbée des compresseurs, et par conséquent la consommation électrique du groupe froid.
Les économies d'énergie peuvent être importantes pour les sites ayant un climat frais :

Pour mettre en place ce système, il faut de préférence disposer d'un détendeur électronique plutôt qu'un détendeur thermostatique qui a une action limitée. En effet, ce dernier ne permet pas de faire varier la température de condensation de plus de 10°C.
A noter que la température de condensation ne doit pas descendre en dessous de 20°C.

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Production de froid

Les principaux composants

1. Compression :
Le compresseur aspire le fluide à basse pression et à basse température, l'énergie mécanique de la compression va permettre une élévation de la pression et de la température. La différence de pression va permettre au fluide de circuler dans le circuit frigorifique. Ici le fluide est à l'état gazeux.

2. Condensation :
Les gaz chauds haute pression et haute température venant du compresseur se dirigent vers le condenseur, le condenseur est un échangeur qui va permettre au fluide de se condenser par échange avec un fluide extérieur (air, eau, etc) à température et pression constante, c'est la phase de condensation, la vapeur se transforme progressivement en liquide.

3. Détente :
Le liquide sous refroidi est vaporisé partiellement par abaissement brusque de la pression au passage de l'orifice calibré du détendeur. Il assure la modulation du débit du fluide dans l'évaporateur.

4. Evaporation :
L'évaporateur est lui aussi un échangeur de chaleur, le fluide liquide provenant du détendeur va entrer en ébullition ou évaporation dans l'évaporateur en absorbant de la chaleur au fluide extérieur (eau, air, etc), c'est la phase d'évaporation. Le fluide est ensuite aspiré par le compresseur pour un nouveau cycle.


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Récupération de chaleur

Le principe de fonctionnement

Un groupe frigorifique ne produit pas du froid mais il retire de la chaleur à une source telle que l'eau ou l'air au niveau de l'évaporateur (voir Détails N°4).
Cette chaleur est le plus souvent évacuée dans l'air ambiant au niveau du condenseur et donc perdue. L'installation d'un récupérateur de chaleur permet de valoriser cette énergie lorsque le groupe froid fonctionne, l'eau réchauffée dans l'échangeur est stocké dans un ballon et peut ensuite être utilisée pour les besoins de chauffage ou d'eau chaude sanitaire.

Généralement, la température de sortie d'eau est d'environ 45°C sur la récupération de chaleur (température usuelle de condensation)

Si l'exploitant nécessite de plus hautes températures pour le chauffage (par exemple 60°C) , deux solutions sont possibles :
- la température de condensation ne doit pas être relevée, 15% de la puissance de condensation peut être récupéré au niveau de la désurchauffe à une température de 60°C
- la température de condensation doit être relevée pour valoriser la chaleur évacuée. Il en résulte une consommation d'énergie supplémentaire de 2.5% par degré d'élévation de température. Dans ce cas la chaleur rejetée n'est pas gratuite, la commande devra être configurée de manière à augmenter la température de condensation uniquement pendant la durée d'utilisation de la chaleur rejetée.