La demande d'eau dans les bâtiments à plusieurs étages tels que les hôtels, les immeubles multifamiliaux, les bureaux et autres applications institutionnelles - nécessite un équipement de surpression pour augmenter la pression de l'eau municipale entrante pour desservir les étages supérieurs. Les systèmes ou ensembles de surpression contiennent une ou plusieurs pompes et les accessoires et commandes associés.
Jusqu'au début des années 1990, les vannes de régulation de pression étaient généralement utilisées pour contrôler la pression du système de surpression. Plusieurs fois, ces systèmes de pompe fonctionneraient à vitesse maximale et « purgeraient » l'excès de pression pour atteindre la sortie souhaitée. L'option la plus économe en énergie consiste à concevoir un système de surpression qui s'accélère pour répondre à la demande spécifique.
Les systèmes de surpression sophistiqués d'aujourd'hui intègrent plusieurs pompes à plusieurs étages et des moteurs contrôlés par variateur de fréquence, ainsi qu'un logiciel qui ajuste la vitesse de la pompe et le nombre de pompes en fonctionnement pour répondre à la demande du système qui change fréquemment. Ces systèmes sont conçus pour fournir le débit de pompe minimal nécessaire pour obtenir des performances optimales, le tout sans intervention humaine directe.
Dimensionnement du système de surpression
Lors du dimensionnement d'un système de surpression, nous devons d'abord déterminer les exigences de débit et de hauteur d'une application.
Pour les applications de bâtiments commerciaux, le débit sera déterminé par le nombre total d'appareils ou d'unités d'appareils (Fu) desservis (éviers, WC, urinoirs, robinets d'arrosage, douches, fontaines à boire, tours de refroidissem*nt, irrigation, etc.).
Le calcul de l'unité d'appareil est basé sur l'utilisation moyenne de chaque appareil et son gpm correspondant. Puisqu'il est peu probable que tous les appareils soient utilisés simultanément, des méthodes pour calculer un débit maximal "raisonnable" ont été établies. Ces valeurs unitaires d'appareils peuvent être trouvées dans des sources telles que le manuel de conception ASPE (versions du code international de plomberie et du code de plomberie uniforme) et Engineered Plumbing Design II d'Alfred Steele. Dans ces références, des tableaux fournissent les valeurs unitaires des luminaires pour les installations privées (résidentiel ou multifamilial) et les installations institutionnelles (espaces publics avec plusieurs utilisateurs comme un restaurant) pour chaque type de luminaire.
Une fois les valeurs d'unité de luminaire déterminées, multipliez chaque type de luminaire par son taux correspondant pour calculer l'unité totale du luminaire. Un graphique ou un graphique de la courbe de l'appareil en fonction du débit peut ensuite être utilisé pour déterminer le débit global (gpm) de l'application.
Calcul du débit (gpm) : Pour mieux illustrer ces calculs, regardons un exemple simple d'un immeuble de 56 logements qui contient les caractéristiques suivantes :
- 18 étages
- Deux salles de bain complètes (baignoire, lavabo et toilette), lave-vaisselle et lave-linge dans chaque unité
- Pression d'alimentation de la ville entre 30 et 40 psi (pression d'entrée minimale de 30 psi)
- Pression résiduelle (pression requise au dernier étage) de 30 psi
- Aucune autre exigence de débit (telle que tour de refroidissem*nt, irrigation, etc.)
La première étape du calcul d'un débit consiste à trouver la somme de chaque type d'appareil et le multiple du nombre d'unités d'appareils affectées à ce type d'appareil, en se référant soit au manuel de conception ASPE, soit à Engineered Plumbing Design II :
- Baignoires : 112 baignoires x 4 appareils = 448 fu
- Évier : 112 éviers x 1 luminaire = 112 fu
- Toilettes : 112 toilettes x 2,5 appareils = 280 fu
- Lave-vaisselle : 56 rondelles x 1,5 luminaire = 84 fu
- Évier de cuisine : 56 éviers x 1,5 appareils = 84 fu
- Lave-linge : 56 rondelles x 1,5 appareils = 84 fu
Total du projet : 1 092 unités de luminaires
La deuxième étape pour déterminer le débit d'une application consiste à localiser les unités de luminaire estimées sur un organigramme ou un graphique. En utilisant les 1 092 appareils au total dans l'exemple ci-dessus, nous trouvons un débit d'environ 220 gpm.
Pour une approche prudente du calcul du nombre total d'unités d'appareils et du débit résultant (gpm), croisez plusieurs sources pour les valeurs d'unités d'appareils et utilisez le nombre le plus élevé d'unités d'appareils lors du calcul du débit (gpm). Des variations dans les unités de montage peuvent se produire entre les sources ou la façon dont différents termes sont interprétés. Par exemple, certaines sources calculent le débit total simultané généré à partir d'un « groupe de salle de bain » ; plutôt que des flux individuels provenant d'une toilette, d'un urinoir, d'un lavabo ou d'une douche.
Tête de calcul
Une fois le débit requis calculé, nous devons déterminer la pression de refoulement requise par une application spécifique.
Quatre éléments principaux sont nécessaires pour déterminer la tête :
- HS (hauteur statique/levage ou hauteur d'élévation) : la distance verticale que l'eau doit parcourir (généralement 10 à 12 pieds par étage dans les bâtiments commerciaux).
- HF (friction head) : les pertes par frottement dans la tuyauterie et les raccords, de la pompe à l'appareil le plus éloigné.
- HR (pression de refoulement résiduelle) : la pression nécessaire au niveau de l'appareil le plus éloigné (généralement 20 à 40 psi).
- HI (pression de refoulement d'entrée) : pression d'eau entrante (municipale) disponible (mesurée avant l'entrée du système de pompage).
En utilisant l'exemple ci-dessus de l'immeuble de 56 logements et de 18 étages, nous pouvons calculer la charge requise du projet comme suit. Permettez-moi d'abord d'ajouter les détails suivants : 1) la pompe doit être installée au sous-sol de l'immeuble, il y a donc 18 étages situés au-dessus de la pompe, et 2) ce sont des étages de 12 pieds.
Calcul de la hauteur statique HS : Nous multiplions le nombre d'étages par la hauteur de chaque étage :
(18 étages x 12 pieds par étage = 216 pieds)
Ensuite, en utilisant la conversion suivante : 1 psi = 2,31 pieds de hauteur, nous convertissons ce chiffre en psi en divisant la distance totale par 2,31 :
(216 pieds/2,31 = 93,5 psi)
HS = 94 psi
Calcul de la tête de friction HF : Ensuite, nous devons calculer la tête de friction HF. Pour ce faire, nous devons d'abord déterminer la perte par frottement, ou la résistance à l'écoulement causée par le frottement lorsque l'eau se déplace le long des parois du tuyau, ainsi que la résistance causée par sa propre turbulence. Additionnées, ces pertes sont appelées pertes par frottement et peuvent réduire considérablement la pression du système.
La distance, le diamètre du tuyau et le gpm affectent tous la perte de friction et les chiffres de friction standard varient entre 4 pieds et 10 pieds par 100 pieds de tuyau.
Pour cet exemple, la perte de charge par 100 pieds de tuyau est de 6 pieds, ce qui signifie que nous devons surmonter 6 pieds de perte de charge pour chaque 100 pieds de tuyau vertical que nous avons dans le système. Ensuite, nous devons déterminer la plus longue longueur horizontale (LH) de tuyau à partir de la colonne montante verticale. Dans cet exemple, la plus longue course horizontale (LH) est de 100 pieds.
Maintenant, nous ajoutons la valeur HS (charge statique/levage) du tuyau vertical à la LH (longueur de tuyau) du tuyau horizontal. Dans notre exemple, cela s'exprimerait :
(216 pieds + 100 pieds = 316 pieds)
Ensuite, comme les conduites ne sont pas droites, les coudes et autres raccords doivent être pris en compte lors de la détermination de la perte de charge. Les vannes et les raccords de tuyauterie génèrent beaucoup de turbulences qui peuvent s'ajouter à une quantité importante de friction. Par conséquent, en règle générale, nous attribuons une perte de 5 % pour les raccords en multipliant la valeur de la longueur de tuyau la plus longue par 0,05 :
(316 pieds x 0,05 = 16 pieds)
En général, les pertes par frottement augmentent lorsque le débit augmente ou que la taille du tuyau diminue (si le débit double pour une taille de tuyau donnée, les pertes par frottement quadruplent).
La valeur suivante que nous devons trouver est la longueur équivalente totale du tuyau. Nous pouvons trouver cette valeur en additionnant nos deux mesures précédentes : la valeur de perte de friction du raccord (16 pieds) et la valeur de la longueur de tuyau la plus longue (316 pieds) :
(316 pieds + 16 pieds = 332 pieds)
Afin de calculer la quantité totale de perte de charge dans notre exemple, nous devons multiplier la longueur équivalente totale de la valeur du tuyau et la quantité de perte de charge qui se produit tous les 100 pieds. Pour cet exemple, la perte de friction tous les 100 pieds serait de 6 pieds. Après avoir multiplié ces deux valeurs, divisez la réponse par la plus longue course horizontale (LH), qui était précédemment notée comme 100 pieds. Cette valeur représente la quantité totale de perte de charge :
(332 pieds x 6 pieds)/100 pieds) = 20 pieds
Une fois que la quantité totale de perte de friction est calculée, nous devons convertir la valeur des pieds en la mesure correcte en psi en utilisant la conversion suivante : 1 psi = 2,31 pieds de tête. Pour convertir le montant total de la valeur de perte par frottement, divisez par 2,31 :
(20 pieds/2,31 = 8,7 psi).
HF = 9 psi
Calcul de la pression résiduelle HR : Dans notre exemple, la pression nécessaire au dernier étage est de 30 psi. Dans les applications commerciales du monde réel, les taux de pression résiduelle (HR) typiques se situent entre 20 et 40 psi.
HR= 30 psi
Afin de trouver la pression de refoulement requise pour notre exemple de bâtiment, nous ajoutons simplement les valeurs HS, HF et HR :
(94 psi + 9 psi + 30 psi = 133 psi).
Tout comme la pression résiduelle (HR) nous est fournie, la pression d'entrée minimale (HI) est également fournie pour notre exemple. La pression d'entrée minimale (HI), ou la pression principale d'alimentation de la ville, est de 30 psi :
HI = 30 psi
Calcul de la surpression totale ou de la hauteur dynamique totale
Afin de calculer l'exigence de surpression pour notre exemple, nous devons soustraire nos deux valeurs précédentes, la pression de refoulement requise et la pression d'entrée minimale (HI). En d'autres termes, nous connaissons les exigences de 133 psi (pression de refoulement), ainsi que le HI entrant (pression d'entrée) existant. Nous soustrayons simplement les deux valeurs (133 psi - 30 psi = 103 psi). Il s'agit de la quantité de pression que le système de pompe de surpression devra fournir afin de fournir une pression adéquate au bâtiment.
Ensuite, nous convertissons la valeur requise de suralimentation de 103 psi en pieds en multipliant par 2,31. Cette conversion modifie notre exigence de surpression en la mesure appropriée de la charge dynamique totale (TDH), exprimée en pieds, qui figure sur les graphiques de sélection de pompe. Cette conversion s'exprimerait ainsi :
(103 psi x 2,31 = 237,9 pieds)
Après avoir terminé avec succès chaque équation et conversion, nous utiliserions un graphique de sélection de pompe pour sélectionner la pompe de surpression qui répondrait aux exigences du projet.
Pour notre exemple, nous savons que l'immeuble nécessite un débit (Q) de 240 gpm et une hauteur de chute de 239 pieds.
Autres considérations de sélection
Mais avant de rechercher un système de surpression capable de fournir un débit de conception de 240 gpm à une tête de 239 pieds, il existe des facteurs supplémentaires qui influencent le choix de la pompe.
Pour une cohérence et une efficacité optimales de la pompe, vous devez créer un profil de débit pour votre bâtiment, en suivant les demandes de la pompe et le point d'utilisation élevé tout au long du cycle quotidien de votre pompe. Les applications typiques nécessitent des débits élevés de seulement 4 à 6 heures/jour. En d'autres termes, l'immeuble d'appartements n'aurait besoin d'atteindre que 240 gpm à 239 pieds de tête pendant environ 17 à 25 % de chaque jour avec la majorité des opérations à des volumes inférieurs.
Ce cycle de pompage quotidien, complété par des pics d'utilisation, fournit des informations supplémentaires sur les demandes de pompage de votre bâtiment. Habituellement, les débits élevés se produisent pendant les heures du matin, l'heure du déjeuner à midi et les heures du soir lorsque les repas sont préparés, les vêtements sont lavés et les douches sont prises.
Par conséquent, la demande de pression réelle est généralement inférieure à 20 % du débit de conception, ou du débit que vous avez calculé par unité d'appareil, environ 70 à 80 % du temps. Lors de votre processus de sélection de la pompe et du surpresseur, vous devez tenir compte de ce fait : le débit réel n'atteindra presque jamais le débit calculé ou le débit de conception. Un logiciel est disponible pour vous aider à créer un profil de flux et d'utilisation adapté à votre immeuble.
Lors de la sélection d'un système de pompe de surpression, vous devez choisir un système capable de répondre aux exigences de hauteur requises par votre application, même s'il n'a besoin d'atteindre ce débit de conception que pendant une fraction de la journée. Plutôt que de choisir une seule grosse pompe, envisagez d'utiliser plusieurs pompes avec une plus petite puissance. Les pompes trop grandes peuvent gaspiller de l'énergie (kWh/an), présenter des coûts plus élevés, produire des cycles excessifs entraînant une pression incohérente.
Selon Grundfos, la consommation d'énergie représente 85 % de tous les coûts encourus pendant le cycle de vie d'une pompe. Le prix d'achat initial de la pompe et le coût de l'entretien régulier représentent le reste. Par conséquent, même la plus petite amélioration de l'efficacité énergétique peut se traduire par des économies importantes. De plus, les concepteurs de systèmes peuvent réaliser 10 à 35 % d'économies d'énergie supplémentaires en passant des pompes qui utilisent des soupapes de réduction de pression à celles qui exploitent des entraînements à vitesse variable, selon les paramètres du système.
Reece Robinson est le spécialiste principal de la formation sur les produits chez Grundfos Pumps Corp. Il accueille activement les commentaires des lecteurs et peut être contacté à rrobinson @grundfos.com.
