La variation de vitesse : des pompes intelligentes

Dans tous les lieux de vie et de travail, l'eau circule grâce à la présence de nombreuses pompes. Les besoins varient au cours d’une journée, ou au cours d’une saison, la demande évolue. À tout réseau variable, une pompe variable répondrait-elle mieux aux besoins ? Cet article va tenter de répondre à ces interrogations.

Les économies sont de plus en plus à l'ordre du jour, et quand l'économie se double d'une augmentation du confort, la réponse avec la variation de vitesse dans les circuits hydrauliques prend toute son importance. Dans l'industrie et le bâtiment en général, deux grands types de circuits hydrauliques se rencontrent :

• Le génie climatique chauffage et climatisation « circuit fermé » ;
• La surpression « circuit ouvert » (distribution d’eau sous pression chaque fois que la pression d’alimentation est insuffisante).

En génie climatique, quand la température extérieure change, les déperditions évoluent et les caractéristiques des pompes devraient pouvoir suivre cette évolution.

En surpression, les demandes sont variables par nature, que ce soit en sanitaire ou pour les alimentations de machines : les pompes sont alors sollicitées : démarrages et arrêts se succèdent avec pour conséquence un accroissement du niveau sonore et une surconsommation d’énergie.

Dans l'industrie, si l’on s’intéresse à la répartition des consommations des moteurs par application, on constate que le pompage représente environ 20 % de cette consommation, ce qui est loin d’être négligeable.

Dans ces 20 %, le marché de la variation de vitesse représente 53 % : l’équipement d’une partie des installations existantes permettrait de substantielles économies d’énergie. Si l’on considère une durée de vie moyenne de 15 ans pour une pompe de puissance supérieure à 5,5 kW fonctionnant en continu, et que l’on regarde la répartition des coûts pendant cette période, on constate que la consommation énergétique représente 90 %.

D’où l’intérêt présenté par l’étude sur la réduction de consommation.

Sur de nombreux réseaux existants, les besoins variables sont assurés par une vanne qui assure la variation des besoins ; la pompe, étant à vitesse fixe, garde ses caractéristiques.

Si l’on fait une analogie avec une automobile, cela revient à rouler en permanence à plein régime et à jouer sur la pédale de frein pour adapter sa vitesse !

La vitesse variable existe depuis plus de vingt ans. À cette époque, les systèmes étaient coûteux et gourmands en frais d’exploitation. L’évolution des technologies – miniaturisation et fiabilité des composants, en particulier dans le domaine de l’électronique – a permis de réaliser aujourd’hui l’incorporation du variateur de fréquence au moteur électrique. Cette mini-révolution permet de répondre à la demande toujours croissante du marché, avec des durées de retour sur investissement de 2,5 ans.

Rappel du principe de la variation de fréquence

L’objectif est de réguler la vitesse du moteur à courant alternatif en convertissant la tension et la fréquence du réseau, de 380 V à 440 V sous 50 ou 60 Hz, en un système de tensions triphasées, de fréquence et d’amplitude variables. Le convertisseur permet alors de contrôler la vitesse du moteur.

Cette action simultanée sur la fréquence et la tension se fait à travers deux éléments principaux :

• Un redresseur à diodes ;
• Un onduleur à Modulation de Largeur d’Impulsion (MLI).

Économies réalisées sur la consommation

Prix par an ­– pompe en vitesse fixe : 300 kF

Prix par an ­– pompe à vitesse variable : 136 kF

-55 %

Génie climatique

En chauffage de bâtiment, la puissance des pompes est calculée pour qu’elles puissent véhiculer l’énergie nécessaire les jours où la température est la plus basse, soit quelques jours dans l’année.

L’intérêt de la variation de vitesse est multiple et ne concerne pas seulement la réduction de la consommation électrique, même si le calcul de la durée d’amortissement se fait principalement sur ce critère :

• - économie d’énergie ;
• - confort d’utilisation : les installations réagissent en permanence en fonction des besoins variables ;
• - suppression des pointes de courant, en particulier au démarrage des pompes : pour des fortes puissances sur du process industriel, les installations électriques s’en trouvent simplifiées ;
• - réduction de l’usure mécanique : les pompes tournant pendant la majorité du temps à vitesse réduite, l’usure de toutes les pièces en mouvement, en particulier les roulements, s’en trouve réduite ;
• - diminution du niveau sonore : une pompe qui tourne moins vite fait moins de bruit ;
• - simplification de l’installation et encombrement réduit : l’électronique embarquée prend en compte différents éléments de l’armoire de contrôle-commande standard, comme la permutation des pompes, la protection, le basculement, etc.

Prenons l’exemple d’une installation équipée d’une pompe Salmson n° 100-315 dont le point nominal de fonctionnement est : débit 250 m³/h, HMT 90 m et puissance moteur 110 kW.

Considérons cinq périodes pendant la saison de chauffe correspondant à cinq niveaux de température extérieure. À chaque période correspondent un nombre de jours et un débit de la pompe, obtenu soit à vitesse fixe (vanne), soit à vitesse variable.

Sachant que la courbe du réseau de pertes de charge passe par l’origine, puisque l’installation est en circuit fermé, et que la puissance absorbée d’une pompe varie en fonction du cube du rapport des vitesses, si l’on réduit la vitesse de moitié, la puissance et la consommation sont divisées par huit.

Nous pouvons tracer les courbes correspondantes et effectuer un calcul très simple des consommations, en première approximation, pour obtenir un ordre de grandeur.

En considérant un prix de 60 centimes du kW, on visualise immédiatement les économies possibles ; le pourcentage d’environ 55 % reste le même si le prix du kW est différent.

Ce calcul très simple est valable dans le cadre d’un avant-projet, avant de réaliser une étude complète prenant en compte tous les paramètres spécifiques de chaque installation.

Qu’en est-il des installations de plus faibles caractéristiques ?

Prenons l’exemple d’une installation équipée…

d'un circulateur Salmson 50 m³/h – HMT 5 m fonctionnant à pression constante (variation due à l'ouverture et fermeture des robinets thermostatiques). Dans ce cas l’économie réalisée est de l’ordre de 40 %.

L’électronique embarquée sur un circulateur à rotor noyé représente un surcoût qui dépend des caractéristiques hydrauliques, sachant qu'un seul modèle « remplace » plusieurs modèles standards.

Si nous reprenons l’exemple précédent et que l'on envisage de remplacer le circulateur existant par un circulateur électronique, quelle sera la durée d’amortissement prévisible ?

Avec un circulateur simple, la durée d’amortissement est de l'ordre de 2 ans, sans compter les autres avantages de la variation de vitesse (diminution du niveau sonore et augmentation de la durée de vie du matériel).

Durée d’amortissement d’un circulateur double(base tarif général, prix indicatif février 2000)

Et pour les installations équipées d'appareils doubles ?

Là, deux possibilités se présentent :

• • soit on remplace par un circulateur à caractéristiques hydrauliques identiques avec une pompe en marche assurant la totalité des besoins et une pompe en secours. Dans ce cas, la durée d’amortissement est d’environ 4 ans ;
• • soit on assure 80 % des besoins avec une pompe, la deuxième pompe se mettant en route pendant quelques jours par an pour assurer, en parallèle avec la première, 100 % des besoins, avec pour conséquence la possibilité de prévoir une pompe plus petite et d'un coût à l'achat inférieur. Dans ce cas, l’amortissement est de 2,5 ans.

Surpression

Les pompes fonctionnant par intermittence, le premier avantage de la variation de vitesse en surpression est la réduction des contraintes mécaniques et électriques avec pour conséquence directe une fiabilité accrue :

• * Les démarrages et arrêts du système sont souples, n’engendrant pas de surintensités ni d'à-coups par rapport à un démarrage direct sur le réseau.
• * Les vannes, clapets AR, détendeurs, réservoirs et les tuyauteries dans leur ensemble ne sont plus soumis à des surpressions régulières sous forme de coups de bélier, d’où un gain évident sur les performances et la fiabilité de l'installation complète.
• * Les composants des pompes, hydrau-

…liques, roulements sont ainsi préservés des à-coups et des marches/arrêts intempestifs.

Autres avantages :

Réduction des niveaux de bruits :

• * Le fait d’adapter la pompe au besoin permet de limiter la vitesse de fluide dans l’installation, et donc les bruits de sifflement pouvant exister dans une installation classique.
• * Sur une pompe standard sans variation de vitesse, la pompe travaille systématiquement à sa vitesse maximum.
• * Si cette même pompe est équipée de V.E.V. intégrée, son niveau sonore sera plus faible, puisqu’elle ne fonctionnera qu’en répondant au besoin de surpression.
• * Ce besoin maximum est estimé à 20 % du temps de fonctionnement d’une pompe.

Économie d'installation

Le fait d'installer une pompe avec variation de vitesse intégrée, ou un surpresseur intégrant ce type de pompes, permet de limiter le câblage et la taille du réservoir qui, dans le cas d'un surpresseur, peut être diminué en volume par 4 ou 5 par rapport à une utilisation sans variation de vitesse.

Trois modes de fonctionnement

Mode manuel

La pompe est installée comme une pompe standard, mais elle offre la possibilité de régler manuellement sa vitesse à l’aide du potentiomètre accessible en façade.

Mode automatique de surpression

La pompe est installée avec son capteur de pression qui peut être fixé soit sur la pompe soit au refoulement de la tuyauterie. La pression de consigne est réglée à l'aide du potentiomètre en façade. Lorsque la pression réelle devient inférieure à P consigne, la pompe démarre et régule sa vitesse pour atteindre P consigne. La pompe s’arrête automatiquement lorsqu’elle détecte un débit nul ou un manque d'eau, grâce à une sécurité intégrée à l’électronique.

Mode externe

La variation de fréquence se fait par une commande externe. La mise en marche, l’arrêt et la vitesse de rotation de la pompe sont commandées par un signal d’entrée 0-10 V ou 4-20 mA.

Les surpresseurs standards équipés de 2 ou 3 pompes horizontales ou verticales à variation de vitesse intégrée présentent de nombreux avantages supplémentaires :

• – une optimisation du fonctionnement des pompes avec permutation automatique après 6 heures de fonctionnement effectif et à chaque démarrage ;
• – un fonctionnement en cascade avec gestion automatique du besoin par le principe d’anticipation.

Principe d’anticipation

Il s’agit d’obtenir une meilleure régulation grâce à l'anticipation du besoin. On procédera par un ajustement de la pression requise, par la variation de vitesse de chacune des pompes. La pression de réseau diminue : la pompe N° 1 démarre et adapte sa vitesse. Si la demande croît, la pompe accélère jusqu’à atteindre 95 % de son maximum. Et la pompe N° 2 démarre alors à la fréquence minimum afin d’être immédiatement disponible.

Si la consommation augmente, la pompe N° 1 atteint 100 % et la pompe N° 2 s’adapte.

Si la consommation se stabilise et que la pompe N° 1 n’atteint pas sa vitesse maxi au bout de 15 secondes, la pompe N° 2 s'arrête.

Conclusion

La variation de vitesse est-elle une réponse universelle ? Pas encore aujourd'hui, et pas sur toutes les installations, sans avoir au préalable étudié comment les différents dispositifs de régulation fonctionnent ensemble.

En surpression, toutes les installations dans le neuf et dans l’existant peuvent être équipées de variation de vitesse, et dans tous les cas une amélioration du confort et de la durée de vie du matériel sera constatée.

Mais en circuit fermé avec régulation la situation est plus complexe. Mais c’est aussi sur ce type d'installation que les économies d’énergies sont les plus sensibles.