Réseaux de chaleur : réduire de 50% la consommation électrique des pompes grâce au débit variable

Par leur impact sur la consommation électrique et leur fonctionnement permanent, le choix des pompes est un élément essentiel d’un réseau de chaleur et/ou de froid urbain. En effet, leur consommation électrique représente une part prépondérante des frais de fonctionnement.

Les études et analyses réalisées révèlent que 70% de la consommation électrique totale d’un réseau de chaleur provient des pompes et que 1 MWh électrique consommé correspond à une production de 30 à 35 MWh de chaleur en sortie de chaufferie biomasse avec relève gaz.

Pompes de distribution d’eau type Wilo Atmos- GIGA N de chauffage associés à des convertisseurs de fréquence type Wilo-EFC

Associer des convertisseurs de fréquence aux pompes, appelés aussi variateurs de vitesse, permet de réduire significativement la consommation électrique des pompes  

Exemple pour une pompe qui doit couvrir un besoin de 5 MW, soit 215 m³/h et une perte de charge donnée de 40mCE dans le réseau. 6000 heures de fonctionnement par an sur réseau à débit variable avec vannes deux voies en sous stations.

*tarif d'électricité sur une base de 0,15€/kwh avec augmentation annuelle de 5%, donné à titre indicatif

Identification des besoins par le profil de charge

Le profil de charge, permet d’identifier les besoins réels de puissance hydraulique en chauffage sur une année pour apporter les calories nécessaires au confort de vie dans un bâtiment.

Le dimensionnement des pompes est toujours réalisé pour répondre aux besoins calorifiques ou frigorifiques les plus extrêmes. Toutefois, les besoins en puissance calorifique sont maximums (100%) seulement quelques heures de l’année comme l’indique la monotone de chauffage suivante extraite d’un réseau de chaleur existant :

source INDDIGO

Dans le cas, où, comme les réseaux neufs par exemple, le profil de charge n’est pas connu, il est possible de se référer au profil « Blue Angel ». « Blue Angel » est le profil de charge standardisé défini par Europump, représentatif pour les pompes à travers l’Europe. On suppose que le profil de distribution temporelle reste le même, indépendamment du nombre total d’heures de fonctionnement, des conditions climatiques ou de la puissance de chauffage. 

Le profil de charge Blue Angel, commun à tous les constructeurs de pompe, permet d’identifier les besoins réels de puissance hydraulique en chauffage sur une année pour apporter les calories nécessaires au confort de vie dans un bâtiment.

Consommer moins avec le débit variable dans les réseaux de chauffage et de froid 

Un réseau à débit variable est un réseau équipé d’organes de régulation tels que des vannes deux voies motorisées, permettant de moduler le débit des terminaux (échangeurs) en fonction des besoins. La réduction du débit se fait ainsi par la fermeture des organes de régulation des terminaux (échangeurs).
Le débit variable présente de nombreux avantages : 

• Réduction de la consommation électrique des pompes de 30% à 50%.
• Diminution des déperditions de la tuyauterie (pertes en ligne). Ces déperditions peuvent atteindre 20 à 25 % de la charge thermique totale d'un réseau de chaleur
• Grande fiabilité et durée de vie avec un temps de fonctionnement des moteurs plus faible 
• Diminution du bruit dans les réseaux par la variation de vitesse des pompes 
• Meilleure régulation 
• Augmentation du rendement des chaudières à condensation ou des groupes de froid  

Le choix se porte naturellement vers des pompes à vitesse variable, afin de s’adapter à la demande réelle des consommateurs tout en optimisant la consommation énergétique. 

Une pompe à vitesse variable adapte sa vitesse en fonction des besoins de l’installation (ouverture, fermeture de vannes deux voies) tout en maintenant une pression constante à ses bornes. Avec une régulation en pression (Δp), la pompe limite les interactions entre les différentes sous-stations et optimisera le fonctionnement des vannes deux voies.

Relation entre la puissance émise et le débit

La puissance calorifique émise par un corps de chauffe (échangeur) donné dépend de : 

• La température de l’eau l’alimentant ;
• Son débit d’irrigation ; 
• La température ambiante.

La puissance d’un émetteur varie en fonction de son débit. 
Si le débit dans l’échangeur est abaissé à 75% de son débit nominal, on diminue de 8% la puissance émise. 
Si le débit dans l'échangeur est abaissé à 20% de son débit nominal, on diminue de 50% la puissance émise. 
Sur un besoin à puissance nominale, si 92% de la puissance est émise, soit une diminution de la puissance émise de 8%, la perte de température ambiante ne sera que de 1°C. 

Le fonctionnement sur un principe de plusieurs pompes en parallèle est à privilégier sur un réseau de chaleur. 

Le fonctionnement sur un principe de 4 pompes sans secours (4+0) de classification IE5 est particulièrement pertinent : chaque pompe couvre 25% du débit maximal. Ainsi, trois pompes en fonctionnement qui couvrent au total 75% du débit, correspondent à 94% de puissance dans l’exemple suivant :

 Cette solution offre la meilleure réponse à la distribution des réseaux à débit variable : 

• Gestion du débit minimum 
• Optimisation de la consommation électrique des pompes, coût de pompage 
• Réduction du coût de maintenance 
• Réduction de l’encombrement.

Aller plus loin dans les économies d’énergie par le choix des pompes

Le choix de la technologie des pompes et les modes de fonctionnement influent directement sur le coût de pompage.
Si la mise en place de convertisseurs de fréquence, afin d’associer les pompes aux réseaux à débit variable, permet de réduire de 30% à 50%, la consommation électrique d’une pompe, cette consommation peut encore être réduite par le choix des pompes.

La performance énergétique des pompes à moteur ventilé est indiquée par l’indice d’efficience énergétique des moteurs de pompes (IE) et l’indice d’efficience hydraulique minimum (MEI). Les moteurs les plus efficaces affichent une classification moteur IE5. Les moteurs à aimant permanent synchrone IE5 dispose d’un excellent rendement qu’ils conservent à charge partielle en comparaison à un moteur asynchrone. L’indice de rendement minimal (MEI) reflète le rendement hydraulique de la pompe. Les pompes les plus efficaces affichent un indice de rendement minimal, MEI ≥ 0,7.

Comparatif de consommation annuelle entre deux solutions basées sur un temps de fonctionnement annuel de 6000 heures réparties sur le profil de charge Blue Angel, profil de charge standardisé.

Exemple de simulation de retour sur investissement sur un réseau de chaleur de 5 MW de puissance nominale avec un ΔT de 20K, soit 215 m³/h et une perte de charge totale de 40 mCE. Le réseau est équipé de vannes deux en sous station. 

*tarif d'électricité sur une base de 0,15€/kwh avec augmentation annuelle de 5%, donné à titre indicatif
**prix net installateur 2022, donné à titre indicatif

Mode de régulation

Les pompes dites « électroniques » disposent de convertisseurs de fréquence intégrés permettant d’ajuster la vitesse de la pompe en fonction du mode de régulation choisi sur : 

• une consigne de ΔP constant ou un ΔP variable, 
• une consigne de vitesse constante, 
• une consigne de ΔP ou de vitesse en fonction d’un signal analogique externe (0/10V, PT1000, …). 

Les pompes à vitesse fixe peuvent être associées à des convertisseurs de fréquence « déportés » qui offrent les mêmes modes de régulation.

Régulation Δp-constant 

La régulation Δp-constant permet de maintenir une pression différentielle constante entre l‘aspiration et le refoulement de la pompe et ce quelle que soit l’évolution du débit et donc des pertes de charges du réseau. 
Ce mode de régulation permet d’assurer une pression toujours suffisante pour l’irrigation de tous les circuits, quelles que soient les variations des pertes de charge. 
Il permet également d’assurer une stabilité de fonctionnement et de limiter l’interactivité entre les différents réseaux. 
La régulation Δp-constant est celle à retenir lorsque les pertes de charges se localisent essentiellement dans les éléments terminaux.

Régulation Δp-variable 

La régulation Δp-variable permet de réguler la hauteur manométrique d’une pompe proportionnellement au débit. 
En régulation Δp-variable la pression différentielle entre l’aspiration et le refoulement de la pompe varie entre le point de consigne H et H/2. Celle-ci dépend de l’évolution des pertes de charges du réseau. 

La régulation Δp-variable est celle à retenir lorsque les pertes de charges se localisent essentiellement dans les tuyauteries. La pompe doit être parfaitement définie et l’installation correctement équilibrée. 

Dans une application de réseau de chaleur, ce mode de régulation est à étudier sur le plan thermique. Dans un cas extrême, si certains émetteurs sont en demande maximale et que d'autres ne le sont pas, la pression fournit par la pompe peut être insuffisante pour satisfaire le besoin des émetteurs les plus défavorisés.

Régulation Δp en marche parallèle 

Dans une configuration de plusieurs pompes en parallèle, lorsque les pertes de charges se localisent essentiellement dans les tuyauteries, il est admissible de faire fonctionner la pompe principale en Δp-variable pour permettre de réaliser : 

• Une économie d’énergie électrique de pompage. 
• Une réduction de la pression aux émetteurs et vannes de régulation, qui permet une meilleure stabilité de ces vannes et une réduction sonore. 

Dans le cas de plusieurs pompes en parallèle, la gestion de la cascade et de la vitesse des pompes est faite au travers d’un coffret de commande associé à un capteur de pression différentielle pour permettre une régulation en ΔP, suivant le schéma suivant. 
Le réglage de la consigne n’est pas géré sur la pompe mais à distance via un automate (GTC) par exemple. 
L’automate compare la consigne et la mesure du capteur puis agit directement sur la vitesse d’une ou plusieurs pompes afin de maintenir la consigne et de répondre aux besoins de l’installation. 
Dans certains cas, la consigne de l’automate peut être envoyée et modifiée à distance via un signal analogique externe, généralement en 4/20mA.

Régulation ΔT-constant

La régulation ΔT dépend de la puissance calorifique absorbée. Ce mode de régulation est utilisé dans les réseaux à débit constant et reste incompatible avec un réseau à débit variable. 
Si le débit est réduit par un organe de régulation (ex : V2V), le fluide caloporteur se refroidit car il met plus de temps pour parcourir le réseau : le ΔT augmente. 

Si le ΔT augmente, la pompe va accélérer sa vitesse alors que le débit est réduit par un organe de régulation. Le débit variable et la régulation ΔT sont donc opposables. 

Il est aussi à noter que le temps de réaction peut être long en fonction de la longueur du réseau, et de l’inconfort thermique peut-être généré en cas de plusieurs sous-stations, bouteilles ou échangeurs. 

Ce mode de régulation peut toutefois présenter un réel avantage en sous-stations dans les séparations hydrauliques entre un réseau primaire et un réseau secondaire. 

Les circulateurs et pompes de dernières génération disposent d’un mode de régulation sur une consigne de ΔT constant permettant un maintien de ce dernier, sans automate additionnel comme le décrit le schéma simplifié suivant :

Conclusion

A l’heure, où les prix de l'énergie augmentent considérablement, le choix de solutions techniques efficientes, est plus que jamais à mettre en œuvre.

Le temps du coût d’achat comme seul critère de décision est révolu. Nous pouvons réduire de manière significative la consommation d’énergie des réseaux de chaleur par l’association « réseau à débit variable », « pompes à variation de vitesse » et « régulation ». Les nouvelles générations de pompes qui associent haute efficacité énergétique, connectivité et performance, doivent devenir, dès à présent le standard, et ainsi permettre de réduire de moitié, la consommation électrique d’un réseau de chaleur.

Un article rédigé par Cyrille Vergnole, Manager de la prescription France chez Wilo France

Télécharger le guide Wilo “Réseaux de chaleur et de froid urbains” depuis le QR CODE
 

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Modérateur

Mariette Guermonprez pour Construction21