Découplage hydraulique sur réseaux d’eau glacée et change over

Par Robert PELZER - Président du BET BETEC

Si la fameuse bouteille de découplage peut s'avérer intéressante sur le plan hydraulique en chauffage, ce type de découpleur hydraulique n'est pas toujours une bonne solution en régime d'eau glacée. Le problème se pose donc sur bons nombres d'installations de production qui sont réversibles (pompes à chaleur-groupes frigorifiques).

Le découplage hydraulique permet  la séparation du circuit primaire et secondaire ce qui présente les avantages suivants :

• Autoriser une meilleure maîtrise des débits dans chaque circuit (le réseau primaire est souvent constant alors que le réseau secondaire est à débit variable).
• Faciliter l’adaptation des pompes aux débits et pertes de charge des circuits.
• Permettre d’arrêter un circuit secondaire sans perturber le bon fonctionnement du reste de l’installation.
• Permettre d’arrêter un groupe frigorifique ou plusieurs pendant la période de faible charge.
• Permettre de créer des circuits de distribution avec des régimes de température différents.

Le découplage hydraulique est donc une technique présentant de nombreux avantages. Dans le milieu du génie climatique, il est d’usage d’associer le découplage hydraulique à la bouteille, or cette technique est contestable en particulier sur un réseau d’eau glacée. Il existe d’autres moyens de découplage hydraulique notamment le bipasse et le distributeur-collecteur à associer avec une déconnexion hydraulique.

Le fonctionnement chaud :

Figure 3. Fonctionnement de la bouteille de découplage en chaud

En plus du découplage hydraulique, la bouteille peut servir de pot de désembouage, de purge d’air.

Le fonctionnement en froid :

L’utilisation d’une bouteille, similaire à celle d’un circuit de chauffage, peut être remise en cause en ce qui concerne les réseaux d’eau glacée. Les élévations de températures, en usage dans les  installations de climatisation, sont souvent inferieures à 10 K : la différence de densité de l’eau devient trop faible pour éviter des circulations parasites. L’ordre des piquages dans une bouteille, fluides chaud en haut, fluides froids en bas n’a donc pas vraiment d’intérêt dans une bouteille de découplage installée dans un circuit d’eau glacée.

Figure 4. Dysfonctionnement de la bouteille de découplage en froid

Les principaux dysfonctionnements du découplage hydraulique apparaissent lorsque les débits du primaire et du secondaire sont proches. Des mélanges indésirables semblent alors se produire et provoquer des pertes de température avec deux conséquences. Coté distribution, les terminaux ne reçoivent pas la puissance nécessaire et, côté production, chaque degré d'écart se paie en consommation d'électricité, car les performances des machines frigorifiques sont sensibles aux variations de température. Le mélange d'eau des circuits primaire et secondaire peut atteindre 40% ce qui provoque une diminution des performances des batteries froides.

Par ailleurs, les fonctions complémentaires de dégazage et de décantation perdent de l'importance en froid, ou le dégagement d'air est quasi-inexistant et la corrosion beaucoup plus limitée qu'en chauffage. La bouteille de découplage présente également le désavantage d'être un élément encombrant.

Dans la majorité des cas, pour un fonctionnement optimal du groupe froid le réseau primaire est à débit constant. Le réseau secondaire, quant à lui, a un fonctionnement optimal à débit variable. Le delta T du régime d’eau de la distribution doit être égal ou supérieur à celui de la production pour cela des vannes deux voies sur les réseaux à débits variables permettent d’ajuster les charges.

Une solution pour respecter ces trois points est d’installer un découpleur hydraulique (bipasse) qui permet la correction des débits entre le primaire et le secondaire.

Le bipasse permet d’assurer au même titre que la bouteille un découplage hydraulique, il permet d’assurer l’écoulement de la différence entre les débits primaire et secondaire. Il assure également le rôle de « casse-pression ». En revanche, l’aspect « mélange » néfaste dans un circuit d’eau glacée est limité.

La conduite de bipasse constitue le moyen le plus simple et le plus efficace pour éviter les  interférences hydrauliques. Placée entre les réseaux primaires et secondaires, elle a l’avantage d’être compacte et n’exige donc pas de grandes adaptations dans le tracé des réseaux.

Bien que le principe de la vanne 2 voies et du circulateur à débit variable soit souvent le plus optimal (Figure 1). L’application la plus courante est la régulation des terminaux par une vanne trois voies de régulation (Figure 2). Ce principe présente l’avantage de pouvoir réaliser un unique équilibrage avec des organes de réglage simple, en revanche les performances du groupe froid sont diminuées. En effet, les températures de retour sont variables, or le retour à une température plus basse que prévue amoindri les performances du refroidisseur car cela l’empêche de développer toute sa puissance.

Figure 1. Schéma de principe d'une installation d'eau glacée optimisée





Figure 2. Schéma de principe d'une installation courante d'eau glacée

Les deux paramètres de dimensionnement du bipasse sont le diamètre et la longueur minimale. Il est préconisé d’installer une longueur variant entre 6 et 10 diamètres. La création d’un coude dans le bipasse permet d’uniformiser le flux.

Lorsque plusieurs circuits sont desservis au secondaire, ils sont raccordés au dispositif de découplage par deux conduites : le distributeur, pour les départs, et le collecteur pour les retours.

Le distributeur-collecteur doit présenter une résistance hydraulique minimale. Aussi, pour diminuer les pertes de charge locales, il est courant d’en doubler le diamètre. Ce surdimensionnement doit tout de même observer certaines précautions. Une vitesse inférieure à 0,1 m/s favorise le dégazage et la décantation (problème négligeable sur un réseau d’eau glacée).

Dans le cas d’une déconnexion hydraulique amont, positionnée en tête de distribution, le distributeur-collecteur est dit passif : son débit s’annule lorsque les pompes des circuits secondaires sont mises à l’arrêt.

Figure 5. Schéma de principe d'une installation avec distributeur-collecteur passif

Dans le cas d'une déconnexion hydraulique aval le distributeur-collecteur est dit actif : son débit ne s'annule pas. Cette déconnexion se rencontre quand la résistance hydraulique du distributeur-collecteur ne peut plus être considérée comme négligeable ; par exemple, si le linéaire de conduite est important.

Figure 6. Schéma de principe d'une installation avec distributeur-collecteur actif

Les deux configurations ont un fonctionnement équivalent tant que la compatibilité des débits est respectée.

Robert PELZER - Président du BET BETEC
Robert PELZER, Ingénieur ENSAIS spécialisé génie thermique, dirige le bureau d'études technique parisien BETEC. Il intervient dans des opérations importantes de réhabilitation de bureaux et de surfaces commerciales à caractéristiques basse consommation. www.betecsa.com

Sources & liens

• http://evanmills.lbl.gov

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