Étude aéraulique pour Enedis

Une étude aéraulique pour les transformateurs en loges fermées d’Enedis.

Enedis, gestionnaire du réseau de distribution électrique français, compte de nombreux transformateurs de puissance. En milieu urbain ces transformateurs sont souvent installés dans des loges fermées pour des raisons de sécurité. Or les systèmes de refroidissement intégrés dans les transformateurs sont dimensionnés pour fonctionner en extérieur. Lorsqu’un transformateur est installé dans une loge fermée, il faut donc s’assurer de son bon fonctionnement aéraulique (possible grâce à une étude aéraulique), afin que les aéroréfrigérants du transformateur fonctionnent efficacement, même en cas de forte chaleur, sans détériorer les équipements.

Enedis a confié aux équipes dB Vib Consulting l’étude aéraulique de deux postes transformateurs en loge localisés à Genas car des montées en températures inquiétantes ont été constatées à plusieurs reprises. L’objectif de cette étude est donc de proposer une solution technique permettant une amélioration des flux d’air circulant à l’intérieur des loges, tout en respectant les directives techniques Enedis et les réglementations en vigueur, notamment du point de vue acoustique. Cette étude se porte sur le poste transformateur de la loge TR311.

Map des loges à Genas

Étude aéraulique de l’existant :

Méthode et objectifs :

Tout d’abord, l’ingénieur dB Vib va chercher à identifier et comprendre les flux d’air existants au sein de l’installation telle qu’elle est actuellement (état initial).

Pour ce faire, il va construire un modèle géométrique en 3D de l’installation puis injecter au modèle les données d’entrée les plus défavorables déjà rencontrées sur le site telles que les conditions météorologiques et les conditions de fonctionnement nominales des équipements. Les données géométriques de l’installation sont relevées sur site par nos équipes dB Vib et complétées si nécessaire par les plans fournis par Enedis. Les données techniques (puissance thermique, débit d’air, etc.) de chaque équipement de l’installation sont également intégrées comme données d’entrée ou modèles.

Tous les éléments de l’environnement influant sur le niveau d’énergie thermique et/ou dynamique du flux d’air traversant la loge sont considérés comme éléments actifs et sont intégrés au modèle.

Les équipes dB Vib, pour ce type d’étude, utilise le logiciel Sincenter3D 2022 qui permet : la construction du modèle géométrique, son maillage ainsi que les calculs par éléments finis en utilisant le Solver Sincenter3D Thermal/flow.

Modélisation 3D de la loge et du transformateur 311

Cette étude de l’existant a pour objectif :

• Mettre en évidence les lignes de courant empruntées par l’air en régime stationnaire. Ces lignes représentent les chemins parcourus par les particules d’air qui circulent à travers les aéroréfrigérants des transformateurs. Ces chemins permettent d’identifier si de la recirculation est présente, c’est-à-dire si les lignes de courants traversent plus d’une fois les échangeurs. Si c’est le cas, la température de l’air dans l’échangeur va augmenter et entrainer une augmentation de la température d’huile, ce qui peut conduire à long terme à une détérioration du transformateur. Pour répondre à cette problématique il est souvent nécessaire d’appliquer le principe du guidage de l’air des extracteurs. Cela permet de se prémunir de toute recirculation et d’assurer une température d’air en entrée des aéroréfrigérants proche ou égale à la température extérieure.
• Evaluer la température de l’air en entrée des échangeurs. En effet cette donnée est directement liée aux déperditions thermiques de l’huile. Si l’air entrant dans l’aéroréfrigérant est trop chaud, les pertes garanties par le constructeur ne permettront pas d’abaisser suffisamment la température d’huile en sortie de l’aéroréfrigérant, impactant ainsi la durée de vie du transformateur. L’air  entrant peut-être réchauffé du fait de la recirculation mais aussi par simple convection thermique par radiation de la carcasse du transformateur via un flux de chaleur surfacique homogène.

Résultats obtenus :

L’étude CFD (pour « Computational Fluid Dynamics » ou mécanique des fluides numérique) a mis en évidence que dans les conditions de fonctionnement les plus défavorables (fonctionnement du transformateur à 100% de sa capacité et une température d’air ambiant à 35°C) :

Pour la loge du transformateur 311 :

• Le taux de recirculation d’air dans la loge se situe entre 64 et 65%.
• La température moyenne d’air en entrée est de 69°C amenée par les retours d’air des 2 ventilateurs de l’aéroréfrigérant. L’écart avec la température extérieure de 35°C est trop important pour assurer le bon fonctionnement de l’aéroréfrigérant.

L’étude CFD réalisée par dB Vib confirme que la circulation d’air actuelle dans la loge ne permet pas une évacuation de chaleur suffisante pour assurer le bon fonctionnement des transformateurs de manière pérenne. Le circuit aéraulique doit être repensé.

Étude aéraulique projetée :

De nouvelles hypothèses proposées :

Compte tenu de ses retours d’expérience, dB Vib a proposé de changer le sens de circulation d’air dans la loge. En effet la simulation de l’état actuel met en avant le fait que pousser de l’air frais au niveau du rez de chaussée ne permet pas de renouveler correctement l’air dans le coin opposé, caché par le transformateur.  La solution technique proposée consiste donc à remplacer le ventilateur unique au rez de chaussé poussant l’air dans la loge par deux ventilateurs aspirant l’air en dehors de la loge. Pour des raisons de sécurité électrique ces ventilateurs seront placés sur le toit, les gaines sortant en toiture ont donc été réaménagées en incorporant des pièges à sons afin de respecter les niveaux de bruit réglementaires en limite de propriété.

Volume d’air d’une gaine en toiture réaménagée

Afin d’améliorer encore la circulation d’air, les équipes de dB Vib ont proposé l’installation d’une rampe guidant les flux d’air en sortie des aéroréfrigérants. Dans l’état actuel, l’air recraché s’écrase contre le mur, perdant son énergie et créant des tourbillons de recirculation. Le diffuseur permettra d’orienter la circulation d’air vers les extractions au plafond afin de résoudre ce problème d’écoulement local.

Vues du diffuseur d’air en sortie des aéroréfrigérants

Nouveaux calculs et nouveaux résultats : 

Pour chacune des loges, l’ingénieur dB Vib intègre les nouvelles données d’entrée aux modèles existants et relance à nouveau les calculs CFD avec les solutions techniques proposées pour vérifier que les taux de recirculation d’air et de températures moyennes de surface d’entrée d’air deviennent acceptables selon les prescriptions techniques Enedis : Ref P.R.D.E G43401

Les résultats obtenus par cette nouvelle simulation sont ensuite comparés aux résultats obtenus via le modèle initial.

Les solutions proposées par dB Vib permettent d’abaisser significativement la température de l’air circulant dans la loge : abaissement de 40°C en entrée d’air et de 18°C en sortie d’air.

La simulation de l’état projeté permet également de déterminer les pertes de charges du réseau complet de la loge, ce qui permet de valider le dimensionnement des ventilateurs proposés pour l’extraction en toiture.

Conclusion :

D’après les calculs et simulations réalisés par dB Vib, les solutions proposées permettent de réduire significativement les recirculations d’air et donc de réduire la température moyenne en entrée d’air, l’approchant ainsi de la température extérieure de 35°C. Les aménagements proposés devraient assurer le bon fonctionnement dans le temps des transformateurs, tout en respectant les recommandations techniques d’Enedis ainsi que les réglementations acoustiques en vigueur.

Les solutions préconisées peuvent être mises en œuvre par dB Vib Ingénierie qui conçoit pour vous des solutions sur mesure. Pour en savoir plus, cliquez ici.

dB Vib Consulting réalise vos études aérauliques pour tout type d’installation. N’hésitez pas à contacter nos experts au 04 74 16 19 90 ou en cliquant ici.