guide_circuits_hydrauliques_composants_et_conception

guide_circuits_hydrauliques_composants_et_conception
P R O G R A M M E D ’ A C C O M P A G N E M E NT D E S P R O F E S S I O N N E L S
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
www.reglesdelart-grenelle-environnement-2012.fr
GGGGG
CIRCUITS HYDRAULIQUES
Composants
et règles de conception
NN
SSSSSS
N NNR
SSSSSSSS
R R RRRRR R
R
ÉDITO
L
e Grenelle Environnement a fixé pour les bâtiments neufs et existants
des objectifs ambitieux en matière d’économie et de production
d’énergie. Le secteur du bâtiment est engagé dans une mutation de très
grande ampleur qui l’oblige à une qualité de réalisation fondée sur de
nouvelles règles de construction.
Le programme « Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 » a pour
mission, à la demande des Pouvoirs Publics, d’accompagner les quelque
370 000 entreprises et artisans du secteur du bâtiment et l'ensemble des
acteurs de la filière dans la réalisation de ces objectifs.
Sous l’impulsion de la CAPEB et de la FFB, de l’AQC, de la COPREC
Construction et du CSTB, les acteurs de la construction se sont rassemblés
pour définir collectivement ce programme. Financé dans le cadre du
dispositif des certificats d’économies d’énergie grâce à des contributions
importantes d’EDF (15 millions d’euros) et de GDF SUEZ (5 millions
d’euros), ce programme vise, en particulier, à mettre à jour les règles de l’art
en vigueur aujourd’hui et à en proposer de nouvelles, notamment pour ce
qui concerne les travaux de rénovation. Ces nouveaux textes de référence
destinés à alimenter le processus normatif classique seront opérationnels
et reconnus par les assureurs dès leur approbation ; ils serviront aussi à
l’établissement de manuels de formation.
Le succès du programme « Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
repose sur un vaste effort de formation initiale et continue afin de renforcer
la compétence des entreprises et artisans sur ces nouvelles techniques et ces
nouvelles façons de faire. Dotées des outils nécessaires, les organisations
professionnelles auront à cœur d’aider et d’inciter à la formation de tous.
Les professionnels ont besoin rapidement de ces outils et « règles du jeu »
pour « réussir » le Grenelle Environnement.
Alain MAUGARD
Président du Comité de pilotage du Programme
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Président de QUALIBAT
P R O G R A M M E
D ’ A C C O M P A G N E M E N T
D E S
P R O F E S S I O N N E L S
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Ce programme est une application du Grenelle Environnement. Il vise à revoir l’ensemble des règles de construction, afin de réaliser des économies d’énergie dans le bâtiment et de réduire les émissions de gaz à effet de serre.
www.reglesdelart-grenelle-environnement-2012.fr
Les Recommandations Professionnelles « Règles de l’Art Grenelle
Environnement 2012 » sont des documents techniques de
référence, préfigurant un avant-projet NF DTU, sur une solution
technique clé améliorant les performances énergétiques des
bâtiments. Leur vocation est d’alimenter soit la révision d’un NF
DTU aujourd’hui en vigueur, soit la rédaction d’un nouveau NF
DTU. Ces nouveaux textes de référence seront reconnus par les
assureurs dès leur approbation.
PROFESSIONNELS
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Afin de répondre au besoin d’accompagnement des professionnels du
bâtiment pour atteindre les objectifs ambitieux du Grenelle Environnement,
le programme « Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 » a prévu
d’élaborer les documents suivants :
PROGRAMME
AVANTPROPOS
Les Guides « Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 » sont
des documents techniques sur une solution technique innovante
améliorant les performances énergétiques des bâtiments. Leur
objectif est de donner aux professionnels de la filière les règles
à suivre pour assurer une bonne conception, ainsi qu’une
bonne mise en œuvre et réaliser une maintenance de la solution
technique considérée. Ils présentent les conditions techniques
minimales à respecter.
Les Calepins de chantier « Règles de l’Art Grenelle Environnement
2012 » sont des mémentos destinés aux personnels de chantier,
qui illustrent les bonnes pratiques d’exécution et les dispositions
essentielles des Recommandations Professionnelles et des
Guides « Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 ».
Les Rapports « Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
présentent les résultats soit d’une étude conduite dans le cadre
du programme, soit d’essais réalisés pour mener à bien la
rédaction de Recommandations Professionnelles ou de Guides.
L’ensemble des productions du programme d’accompagnement des
professionnels « Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 » est mis
gratuitement à disposition des acteurs de la filière sur le site Internet du
programme : http://www.reglesdelart-grenelle-environnement-2012.fr
Neuf-Rénovation
Les Recommandations Pédagogiques « Règles de l’Art Grenelle
Environnement 2012 » sont des documents destinés à alimenter
la révision des référentiels de formation continue et initiale. Elles
se basent sur les éléments nouveaux et/ou essentiels contenus
dans les Recommandations Professionnelles ou Guides produits
par le programme.
3
PROFESSIONNELS
Slmmaire
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Présentation du guide......................................................................... 6
1 - Les circulateurs........................................................ 9
1.1. • Critères de choix des circulateurs............................................................................... 9
1.2. • Technologies des circulateurs...................................................................................... 9
1.3. • Indications de montage..............................................................................................11
1.4. • Point de fonctionnement d’un circulateur.................................................................11
1.5. • Les circulateurs à vitesse variable............................................................................ 13
1.6. • Phénomène de cavitation (NPSH)............................................................................. 16
2 - Les vannes de régulation....................................... 18
2.1. • Les vannes à deux et trois voies............................................................................... 18
2.2. • Les montages des vannes de régulation................................................................. 20
2.3. • Choix et dimensionnement d’une vanne de régulation......................................... 23
2.4. • Les robinets thermostatiques................................................................................... 30
3 - Les régulateurs de pression différentielle
et de débit.................................................................... 32
3.1. • Les régulateurs de pression différentielle................................................................ 32
3.2. • Les régulateurs de débit............................................................................................ 35
4 - Les canalisations.................................................... 36
4.1. • Critères de choix des canalisations........................................................................... 36
4.2. • Dimensionnement des canalisations....................................................................... 37
4.3. • Calorifuge des canalisations..................................................................................... 41
5 - Les dispositifs de découplage............................... 46
5.1. • Les règles communes................................................................................................ 47
5.2. • Bipasse lisse............................................................................................................... 48
5.3. • Bouteille de découplage............................................................................................ 49
5.4. • Collecteur-distributeur en court-circuit.................................................................... 52
6 - Les volumes tampons............................................ 54
Neuf-Rénovation
6.1. • Les volumes tampons à deux piquages................................................................... 55
6.2. • Les volumes tampons à quatre piquages................................................................ 57
4
7 - Les dispositifs d’expansion................................... 60
7.1. • Les vases d’expansion fermés................................................................................... 60
7.2. • Dimensionnement d’un vase d’expansion en chauffage........................................ 63
7.3. • Dimensionnement d’un vase d’expansion en solaire............................................. 68
7.4. • Les groupes de maintien de pression....................................................................... 70
Conception : LENOX – Illustrations : COSTIC – Éditeur : AQC – ISBN : 978-2-35443-368-0
9 - Les distributions à débit variable.......................... 80
9.1. • Problématique............................................................................................................ 80
9.2. • Indicateur de dérives fonctionnelles........................................................................ 81
9.3. • Les solutions.............................................................................................................. 82
10 - Concevoir des circuits optimisés........................ 86
10.1. • Réduire les pertes thermiques................................................................................. 86
10.2. • Réduire les débits..................................................................................................... 88
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
8.1. • Objectif et principe de l’équilibrage.......................................................................... 72
8.2. • Les organes d’équilibrage......................................................................................... 74
8.3. • La procédure d’équilibrage....................................................................................... 76
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
8 - L’équilibrage hydraulique....................................... 72
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
11 - Les schémas élémentaires................................... 92
11.1. • Produire par plusieurs générateurs en parallèle disposant
d’un circulateur individuel en série......................................................................... 93
11.2. • Produire par plusieurs générateurs en parallèle disposant
d’un circulateur commun......................................................................................... 94
11.3. • Réguler la température au départ d’une installation de chauffage...................... 95
11.4. • Réguler la puissance d’un émetteur par variation de débit.................................. 96
11.5. • Produire l’eau chaude sanitaire avec un ballon échangeur................................... 97
11.6. • Produire l’eau chaude sanitaire en instantané....................................................... 98
11.7. • Produire l’eau chaude sanitaire par un échangeur associé à un stockage........... 98
12 - Annexes................................................................ 100
12.1. • Conversion des unités........................................................................................... 100
12.2. • Symboles utilisés....................................................................................................101
12.3. • Lois fondamentales................................................................................................101
12.4. • Caractéristiques des circulateurs.......................................................................... 102
12.5. • Méthode des Z....................................................................................................... 104
12.6. • Caractéristiques des échangeurs.......................................................................... 107
12.7. • Calcul des pertes de charge....................................................................................113
12.8. • Les architectures de distribution.......................................................................... 120
13 - Références............................................................124
Neuf-Rénovation
13.1. • Références réglementaires.................................................................................... 124
13.2. • Références normatives.......................................................................................... 125
13.3. • Autres documents.................................................................................................. 127
5
Présentation du guide
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROFESSIONNELS
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Ce guide a pour objectif de rassembler et mettre à jour les indicaN
tions éparses et les règles de l’art de l’hydraulique, à la lumière des
contraintes actuelles pour l’efficacité énergétique.
Il fournit les indications de conception et de choix des équipements
pour améliorer l’efficacité énergétique des réseaux : réduction des
consommations des circulateurs, qualités des régulations (vannes,
autorité, équilibrage…), optimisation du fonctionnement.
Les solutions simples peuvent être garantes de ces qualités, à condiN
tion qu’elles soient mises en œuvre en considérant les contraintes
spécifiques des installations. D’autre part, la résolution des problèmes
liés à l’hydraulique doit résulter d’une approche globale ; ceci dans
le but de tenir compte des interactions avec les domaines de la therN
mique et de l’automatique.
Il s’agit d’établir des spécifications s’appliquant à tous types de
réseaux d’eau fermés, c’est-à-dire traitant aussi bien du chauffage que
de la production d’eau chaude sanitaire ou d’eau glacée. Elles portent
tant sur le neuf que sur la rénovation. Elles couvrent les secteurs résiN
dentiels et tertiaires et concernent les installations individuelles et
collectives.
Concrètement, le guide est structuré en quatre parties (Figure 1) :
• Les composants hydrauliques ;
Neuf-Rénovation
• La conception des installations ;
6
• Les schémas élémentaires ;
• Les annexes présentant les fondamentaux de l’hydraulique et
les références bibliographiques.
• Les technologies présentes sur le marché ;
• Les indications de choix et de dimensionnement ;
• Les indications d’implantation sur le circuit.
Les tâches de pose et d’entretien ne sont pas l’objet de ce document.
Les composants traités sont ceux interfacés entre le (ou les) généraN
teur (s) et les émetteurs.
Les chapitres 8 à 10, en complément des éléments de choix et de dimenN
sionnement des composants des circuits hydrauliques, propose de traiN
ter de la conception globale des réseaux en insistant sur l’équilibrage
et sur les particularités de conception des réseaux à débit variable. Les
points d’optimisation des circuits en termes de pertes thermiques et de
réduction des consommations des circulateurs sont énoncés.
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
• Leur fonction ;
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Les chapitres 1 à 7 listent les composants principaux des circuits
hydrauliques en rappelant :
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Le chapitre 11 présente une bibliothèque de « schémas élémentaires ».
Ils sont constitués d’une association de composants, ils répondent
à une fonction particulière. Ils sont caractérisés par des contraintes
spécifiques.
Les circuits de chauffage, d’eau chaude sanitaire, de climatisation sont
construits par assemblage de ces « briques ».
Chaque schéma élémentaire fait l’objet d’une description de son foncN
tionnement lié à la régulation associée. Des exemples d’applications
sont fournis.
Le chapitre 12 a pour objet de fournir les notions fondamentales de
base relatives aux réseaux hydrauliques fermés : caractéristiques des
réseaux et des circulateurs, notions de pertes de charge, architectures
des distributions, lois fondamentales et méthode des Z.
Il présente les éléments de théorie utiles pour les chapitres précédents.
Sont également indiqués : les symboles des composants hydrauliques
utilisés dans le document et les unités des grandeurs principales.
Le chapitre 13 constitue la bibliographie. Il fournit les références régleN
mentaires et normatives ainsi qu’une liste d’ouvrages permettant d’en
savoir plus.
Chapitres 8 à 10 – LA CONCEPTION DES INSTALLATIONS : des indications pour la maîtrise des
réseaux à débit variable, l’équilibrage et l’optimisation des circuits.
Chapitre 11 – LES SCHÉMAS ÉLÉMENTAIRES : des schémas de base, associant des composants,
pour répondre à des fonctions élémentaires.
Chapitre 12 – ANNEXES : des rappels des éléments fondamentaux de l’hydraulique
Chapitre 13 – BIBLIOGRAPHIE : les textes réglementaires et normes, les ouvrages de référence.
s Figure 1 : Organisation du guide
Neuf-Rénovation
Chapitres 1 à 7 – LES COMPOSANTS HYDRAULIQUES : des indications pour le choix et le dimensionnement des circulateurs, vannes de régulation, régulateurs de pression différentielle et de
débit, canalisations, dispositifs de découplage, volumes tampons, dispositifs d’expansion.
7
PROFESSIONNELS
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
Neuf-Rénovation
8
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Le guide proposé se veut explicatif, voire pédagogique, et largement
illustré.
Il s’adresse, de par son contenu, aux bureaux d’études et entreprises
chargés de la conception et du dimensionnement de circuits hydrauN
liques. Ce document de référence est également utile pour les besoins
de formation, tant initiale que continue, et pour le personnel d’exploiN
tation des installations de génie climatique.
!
Les indications de ce guide ne sauraient se substituer aux
spécifications des fabricants des composants décrits.
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
1
PROGRAMME
Les circulateurs
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
1.1. • Critères de choix des circulateurs
Le choix d’un circulateur doit tenir compte de l’application à laquelle il
est destiné.
Un circulateur est en effet caractérisé par une plage de température
du fluide et par une plage de conditions d’ambiance. Ainsi, en solaire,
la température maximale à considérer est d’environ 110°C. En eau glaN
cée, la température minimale de fluide doit être connue.
Pour un circulateur placé sur un circuit d’eau chaude sanitaire, les
matériaux en contact avec l’eau sanitaire ne doivent pas être suscepN
tibles de dégrader la qualité de l’eau. Le corps des circulateurs dédiés
à cette application est en général en bronze ou en acier inoxydable.
Les circulateurs véhiculant de l’eau potable (eau froide ou eau chaude
sanitaire) doivent obligatoirement disposer d’une certification ACS
(Attestation de Conformité Sanitaire).
Les applications sont généralement spécifiées dans les notices des
fabricants.
La pression maximale de service et la tension d’alimentation font parN
tie des caractéristiques des circulateurs.
Les installations de génie climatique sont le plus couramment équiN
pées de circulateurs dits « en ligne », mis en place dans l’axe des
canalisations.
Ils sont fabriqués en version simple ou double. Les circulateurs double
du commerce sont généralement prévus pour un fonctionnement en
Neuf-Rénovation
1.2. • Technologies des circulateurs
9
PROFESSIONNELS
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
permutation (périodique ou en cas de défaillance d’un circulateur). Ils
peuvent aussi fonctionner en parallèle si nécessaire.
Des circulateurs sur socle sont utilisés pour les installations de plus
fortes puissances.
La position relative du moteur par rapport au corps du circulateur perN
met de distinguer deux catégories de circulateurs en ligne : les circuN
lateurs à rotor noyé (le rotor est refroidi par l’eau du circuit) et les
circulateurs à rotor sec (le moteur est dissocié du corps du circulateur
et est ventilé par l’air).
Les circulateurs sont à vitesse fixe (choisie par commutation manuelle
parmi plusieurs vitesses) ou à vitesse variable par variation de la fréN
quence d’alimentation du moteur (cf. 1.5).
Depuis le 1er janvier 2013, les circulateurs sans presse étoupe (à rotor
noyé) mis en vente doivent respecter une valeur limite d’IEE (Indice
d’Efficacité Énergétique) de 0,27. Le seuil est abaissé à 0,23 à partir du
1er août 2015.
Cette exigence est imposée par le Règlement européen n°641/2009
modifié concernant les circulateurs sans presse étoupe portant appliN
cation de la Directive 2005/32/CE EuP (Energy using products).
Ne sont pas concernés les circulateurs pour l’eau potable, pour le
bouclage d’eau chaude sanitaire en particulier.
Pour les circulateurs intégrés aux produits (chaudières, préparateurs
d’eau chaude sanitaire…) et les circulateurs conçus pour les circuits
primaires des installations solaires thermiques et des pompes à chaN
leur, la date de mise en application est le 1er août 2015.
Les performances imposées ont généralisé les circulateurs à moteurs
synchrones à aimants permanents. Leurs consommations sont
réduites par rapport à la technologie des moteurs asynchrones. On
parle de circulateurs à « haut rendement ».
Note
Neuf-Rénovation
La valeur d’indice d’efficacité énergétique (IEE) doit figurer sur la plaque signaléN
tique du circulateurs ainsi que dans la notice technique.
10
Les circulateurs sont caractérisées par leur puissance électrique
absorbée, référencée P1 sur les notices techniques. La puissance élecN
trique variant selon le débit (cf. 12.4), la valeur de P1 est donnée pour
un ou plusieurs points de fonctionnement à la vitesse minimale et à la
vitesse maximale, par exemple, ou sous la forme de courbes pour les
circulateurs à vitesse variable.
• respect du sens de circulation indiqué par une flèche sur le
corps ;
• respect du montage du moteur (axe horizontal, en général).
Ils ne doivent pas être localisés sous des organes susceptibles de fuir.
Par ailleurs, il est conseillé, lorsque cela est possible, de les placer
sur le retour des installations pour limiter les pertes thermiques ou
les apports et les soumettre à des températures moins extrêmes. A
contratio, sur un circuit de chauffage, le circulateur est placé sur le
départ, en aval de la vanne à trois voies de régulation, afin de brasser
les flux d’eau et d’assurer une mesure satisfaisante de la température
de départ.
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
Les circulateurs doivent être mis en place selon les indications du
fabricant :
PROGRAMME
1.3. • Indications de montage
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROFESSIONNELS
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Des vannes d’isolement sont placées de part et d’autre du circulateur
pour faciliter sa dépose.
Les circulateurs à vitesse fixe sont généralement équipées d’un manoN
mètre pour estimer le débit.
Note
Certains fabricants proposent des coquilles isolantes adaptées à leurs circulaN
teurs. Elles sont spécifiques à une application en chauffage ou en eau glacée.
1.4. • Point de fonctionnement d’un
circulateur
Un circulateur est déterminé par sa courbe caractéristique d’évolution
de la pression différentielle en fonction du débit. Les caractéristiques
d’évolution du rendement et de la puissance électrique absorbée sont
présentées en annexe (cf. 12.4).
Le point de fonctionnement s’établit à l’intersection de la caractéN
ristique du circulateur et de la caractéristique des pertes de charge
du réseau (qui évoluent de façon quadratique en fonction du débit,
cf. 12.5), comme le montre la (Figure 1-1).
Le choix d’un circulateur nécessite de connaître :
• la pression différentielle nécessaire.
Le débit est déterminé à partir de la puissance de l’installation et de la
chute de température de dimensionnement des émetteurs (cf. 10.2.2)
par la formule suivante :
Neuf-Rénovation
• le débit à mettre en circulation ;
11
q=
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROFESSIONNELS
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
P
1,16 × ∆T
Avec :
- q : le débit dans l’installation en m3/h ;
-P : la puissance des émetteurs alimentés par le circulateur en
kW ;
- ΔT : la chute de température nominale choisie en K.
La pression différentielle fournie par le circulateur doit être telle
qu’elle compense les pertes de charge du circuit desservi le plus défaN
vorisé, c’est-à-dire celui présentant les pertes de charge les plus éleN
vées. Les pertes de charge sont calculées pour le débit nominal de
l’installation, selon les indications du chapitre 12.7 (cf. 12.7).
Cette pression différentielle est généralement désignée hauteur manoN
métrique totale (HMT) du circulateur et exprimée en mètre d’eau.
Note
Dans le cas d’eau glycolée (boucle solaire, eau glacée…), les caractéristiques de
débit et de pertes de charge sont à corriger en fonction du taux de glycol (cf. 12.7).
s Figure 1-1 : Point de fonctionnement d’un circulateur en place sur un réseau
Neuf-Rénovation
Le circulateur doit être choisi afin d’obtenir un point de fonctionneN
ment localisé en partie centrale de la caractéristique, là où le renN
dement est maximal et où il fonctionne sans aléas (cavitation,
échauffement…).
12
Les circulateurs à vitesse fixe proposent plusieurs vitesses à sélecN
tionner manuellement.
On constate généralement un surdimensionnement du circulateur, soit
par une surestimation des pertes de charge et des débits calculés, soit par
le choix d'une caractéristique de circulateur supérieure à celle requise.
Or, un léger sous-dimensionnement n'est au contraire pas néfaste et
peut même s'avérer bénéfique. Il toutefois conseillé de se limiter à
un sous-débit de l’ordre de 15 % par rapport au débit calculé qui s'acN
compagne d'une légère diminution de puissance (inférieure à 2 %).
Par ailleurs, les calculs étant souvent arrondis par excès (déperditions,
débits, pertes de charge...), il est donc inutile de réaliser encore une
sélection du circulateur par excès.
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
Ce surdimensionnement engendre un coût d'achat supérieur et des
consommations électriques plus élevées.
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Une étude menée par le COSTIC sur 11 installations de chauffage a
mis en évidence un surdimentionnement moyen de 2,5 fois le débit
suffisant.
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Pour un circulateur à vitesse fixe, la vanne d'équilibrage placée en
série avec le circulateur permet d’ajuster le point de fonctionnement
en ajoutant des pertes de charge.
!
Lors de la mise en service, le circulateur doit être réglé sur la
vitesse à laquelle il a été sélectionné. Les circulateurs fonctionnent trop souvent inutilement à la vitesse maximale.
1.5. • Les circulateurs à vitesse variable
Les circulateurs à vitesse variable sont adaptés aux circuits à débit
variable. Ils régulent la pression différentielle face à des variations
de pertes de charge du circuit, en réduisant leur vitesse. La réduction
de vitesse induit un abaissement des consommations électriques. En
théorie, une vitesse divisée par deux engendre une division par huit
de la puissance électrique absorbée (la puissance est proportionnelle
au cube de la vitesse).
Les circulateurs à vitesse variable sont caractérisés par une zone de
fonctionnement entre une vitesse maximale et une vitesse minimale,
comme le montre la (Figure 1-2).
Ils doivent faire l’objet d’un dimensionnement sur la base du débit et
de la pression différentielle souhaités.
Un débit minimal est généralement imposé par le fabricant, de l’ordre
de 10 %.
Neuf-Rénovation
Le point de fonctionnement nominal doit se situer en partie supéN
rieure de la zone grisée afin que la variation de vitesse puisse s’opéN
rer. Il ne doit pas être localisé dans les zones en haut à gauche et en
bas à droite pour lesquelles le rendement est faible.
13
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROFESSIONNELS
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 1-2 : Zone de fonctionnement d’un circulateur à vitesse variable
!
Les circulateurs à vitesse variable doivent faire l’objet d’un
dimensionnement, au même titre que les circulateurs à
vitesse fixe.
Les circulateurs à vitesse variable peuvent être paramétrés selon deux
modes courants :
• pression différentielle constante ;
• pression différentielle proportionnelle au débit.
Mode de fonctionnement avec maintien d’une pression
différentielle constante
Dans ce mode, lorsque les pertes de charge du circuit augmentent
sous l’effet de fermetures de vannes, le circulateur conserve une presN
sion différentielle constante par un abaissement de vitesse.
Sur l’exemple de la (Figure 1-3), le point de fonctionnement se déplace
horizontalement du repère 1 vers le repère 2. La HMT de consigne est
ici de 5 m eau.
Neuf-Rénovation
Ce mode de réglage est à privilégier dans le cas d’installations à débit
variable pour lesquelles les pertes de charge des canalisations sont
faibles par rapport aux pertes de charge des émetteurs (cf. 9.3).
14
PROFESSIONNELS
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 1-3 : Circulateur à vitesse variable avec maintien d'une pression différentielle constante
Mode de fonctionnement avec pression différentielle
proportionnelle au débit
Dans ce mode, le changement de vitesse de rotation permet d’abaisN
ser la pression différentielle du point 1 vers le point 2, conformément
à la HMT de consigne paramétrée, de 5 m eau en (Figure 1-4). Celle-ci
n’est pas constante mais proportionnelle au débit. La loi de consigne
est généralement une droite caractérisée par une pression difféN
rentielle à débit nul égale à la moitié de la pression différentielle de
consigne à vitesse maximale, soit 2,5 m eau dans l’exemple.
Par rapport au mode à pression différentielle constante, le débit et la
pression différentielle sont abaissés de façon plus conséquente. La
vitesse étant plus faible, les consommations électriques sont encore
réduites.
s Figure 1-4 : Circulateur à vitesse variable avec maintien d'une pression différentielle proportionnelle
au débit
Neuf-Rénovation
Ce mode de réglage est à privilégier lorsque les pertes de charge des
canalisations sont élevées par rapport aux pertes de charge des émetN
teurs (cf. 9.3).
15
PROFESSIONNELS
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Les circulateurs à vitesse variable peuvent aussi être paramétrés en
mode de fonctionnement à vitesse constante. Selon les modèles, la
vitesse est alors choisie parmi les caractéristiques proposées ou bien
est réglable en nombre de tours par minute.
Un mode de fonctionnement avec variation de vitesse selon la temN
pérature est aussi proposé. Les applications sur les installations de
génie climatique sont peu courantes.
Les circulateurs à vitesse variable disposent d’autres fonctions. Citons
par exemple :
• la commande externe de la vitesse par un signal standard 0-10
Volts par exemple ;
• le raccordement à un système de GTB (Gestion technique de
bâtiment) par bus de communication ;
• la mise en réduit par diminution de la vitesse lorsque la tempéN
rature mesurée (par une sonde intégrée au circulateur) atteint
un certain seuil bas (ralentis de nuit par exemple) ;
• l’indication du débit…
Bien que l’ajustement du point de fonctionnement puisse être réalisé
par une modification de la consigne de pression différentielle, une
vanne d’équilibrage en série avec le circulateur (préférentiellement
sur le retour du circuit) est conseillée pour ses fonctions de réglage et
de mesure de débit.
L’installation d’un régulateur de pression différentielle en parallèle sur
le départ du circuit n’est pas nécessaire puisque le circulateur joue le
rôle de maintien de la pression différentielle.
!
Lors de la mise en service, ne pas omettre de paramétrer le
mode de fonctionnement du circulateur à vitesse variable
et de régler la consigne de pression différentielle. Les économies sur les consommations électriques en dépendent.
1.6. • Phénomène de cavitation (NPSH)
Neuf-Rénovation
La cavitation est un phénomène dû à la vaporisation partielle d’un
liquide. Il apparaît dans une zone où la pression est minimale. Dans le
cas des circulateurs, ces zones se situent au bord d’attaque des aubes
de la roue.
16
En cours de fonctionnement, si la pression dans le circulateur chute en
dessous de la pression de vaporisation du liquide transporté (laquelle
varie selon la température), ce dernier passe de l’état liquide à l’état
vapeur. L’augmentation de pression en sortie de circulateur provoque
ensuite la condensation de la vapeur formée. Ces changements d’état
répétés entrainent de fortes variations de pression dans le circulateur :
c’est le phénomène de cavitation.
Le respect d’une valeur de NPSH supérieure à la valeur spécifiée
par le fabricant garantit que la pression la plus faible sera toujours
suffisante pour éviter la vaporisation du liquide et le phénomène de
cavitation.
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
Le NPSH dépend de la conception du circulateur. Il est spécifié par le
fabricant qui fournit son évolution en fonction du débit (le NPSH augN
mente avec le débit selon une relation quadratique). Il est exprimé en
hauteur d’eau.
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Le NPSH (Net Positive Suction Head) est la valeur de pression miniN
male à respecter pour éviter le phénomène de cavitation dans le cirN
culateur. Il correspond à la différence entre la pression totale à l’asN
piration (en valeur absolue) et la pression de vaporisation du liquide
dans les conditions de fonctionnement du circuit.
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Notons que le risque de cavitation est plus élevé en chaud qu’en froid
du fait de la relation liant la température à la pression de vaporisation.
Ainsi, en eau glacée, le risque de cavitation est faible, la pression de
vapeur saturante des liquides caloporteurs utilisés à des températures
négatives étant faible. Pour évaluer le risque de cavitation, il faut touN
jours considérer les conditions les plus défavorables de fonctionneN
ment du circuit.
La cavitation peut être limitée en réduisant les pertes de charge à l’asN
piration, en choisissant un circulateur dont le NPSH requis est plus
faible ou en installant le circulateur sur le retour, là où la température
est en général la plus faible.
Note
Neuf-Rénovation
Pour éviter la cavitation et les dégradations associées, il convient de maintenir
une pression suffisante à l’aspiration du circulateur.
17
Les vannes de régulation
PROFESSIONNELS
2
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Les vannes de régulation ont pour rôle de moduler un débit. Elles
sont équipées d’un servomoteur commandé par un signal progressif
d’ouverture. Elles peuvent prendre une position donnée entre leur ferN
meture et leur ouverture complète.
2.1. • Les vannes à deux et trois voies
2.1.1. • Vannes à deux voies
Les vannes de régulation à deux voies sont couramment des modèles
à soupape (encore appelés à siège). Selon le signal du régulateur, la
tige se translate et provoque l’ouverture de la section de passage.
Leur principe est proche de celui d’une vanne à trois voies à soupape
(Figure 2-4).
Les fabricants indiquent généralement le sens de circulation par une
flèche sur le corps de la vanne. Pour un modèle à soupape, il doit
conduire à lever le clapet.
Neuf-Rénovation
s Figure 2-1 : Symbole d’une vanne de régulation à deux voies
18
2.1.2. • Vannes à trois voies
Une vanne à trois voies comporte une voie directe, une voie bipasse
et une voie commune. La voie commune est repérée par un triangle
blanc sur le symbole (Figure 2-2). Elle est parcourue par un débit
constant et placée en série avec le circulateur.
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
PROGRAMME
La position d’ouverture de la vanne est donnée en référence à l’ouN
verture de la voie directe, qui assure la régulation. C’est pour cette
voie qu’est définie sa caractéristique (égal pourcentage ou linéaire)
(cf. 2.3.1). La voie bipasse est complémentaire de la voie directe.
Une vanne à trois voies est dite « ouverte » lorsque la voie directe
est grande ouverte et la voie bipasse fermée. Elle est dite « fermée »
lorsque la voie directe est fermée et la voie bipasse grande ouverte.
Par exemple, une vanne ouverte à 40 % correspond à une ouverture
de 40 % de la voie directe et de 60 % de la voie bipasse.
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 2-2 : Symbole d’une vanne de régulation à trois voies
Lors du montage de la vanne à trois voies, les sens d’écoulement
doivent être respectés afin d’assurer un fonctionnement conforme
aux spécifications du fabricant. Différentes notations apparaissant sur
le corps des vannes sont utilisées pour désigner les voies (Figure 2-3).
s Figure 2-3 : Exemples de repérages usuels des voies sur le corps d’une vanne à trois voies
!
Les voies d’une vanne à trois voies ne sont pas interchangeables. Il ne faut pas intervertir les voies directe et bipasse.
Dans tous les cas, il convient de se référer aux prescriptions
de montage du fabricant.
Plusieurs technologies de vannes à trois voies sont utilisées (Figure
2-4) : vannes à soupape, vannes à secteur, vannes à boisseau…
Les vannes à secteur disposent d’un secteur qui est mis en rotation
sur 90°, obturant ainsi les ouvertures des voies directe et bipasse. Ce
type de vanne, moins coûteux que les vannes à soupape, présente
une moins bonne étanchéité à la fermeture et est plus sensible au bloN
cage lorsque l’eau est chargée de particules.
Neuf-Rénovation
Comme pour les vannes à deux voies, les vannes à trois voies à souN
pape font en général l’objet d’un écoulement convergent qui tend à
lever le clapet et éviter les risques de claquement pour des positions
proches de la fermeture.
19
PROFESSIONNELS
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 2-4 : Vanne à trois voies à soupape (à gauche) et à secteur (à droite)
2.2. • Les montages des vannes
de régulation
Les vannes de régulation ont pour rôle de moduler la puissance d’un
émetteur ou d’un ensemble d’émetteurs (Figure 2-5) :
• soit par variation de débit au primaire de l’émetteur (l’émetteur
est alors alimenté à température constante) ;
• soit par variation de température en entrée primaire de l’émetN
teur (l’émetteur est alors alimenté à débit constant).
s Figure 2-5 : Principes de régulation de puissance d’un émetteur par variation de débit (à gauche) et
variation de température (à droite)
Les montages présentés dans les chapitres qui suivent sont ceux couN
ramment rencontrés sur les installations de génie climatique.
Neuf-Rénovation
2.2.1. • Régulation de puissance par variation
de débit
20
La régulation de puissance d’un émetteur par variation de débit peut
être obtenue avec une vanne à deux voies ou avec une vanne à trois
voies.
Montages avec une vanne à deux voies
La vanne à deux voies est placée en série avec l’émetteur (Figure 2-6).
L’ouverture progressive de la vanne assure une variation du débit
d’alimentation de l’émetteur.
s Figure 2-6 : Variation de débit par une vanne à deux voies
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
Les applications : régulation de ventilo-convecteurs, de batteries de
centrales de traitement d’air, régulation de planchers chauffants, robiN
nets thermostatiques…
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Le débit soutiré au réseau de distribution est dans ce cas variable.
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Montages avec une vanne à trois voies
Dans ce montage, la vanne à trois voies soutire un débit constant au
réseau de distribution. Selon sa position d’ouverture, elle fait varier
le débit alimentant l’émetteur et une partie du débit est retourné au
réseau.
Ces montages sont désignés en « décharge ». Ils peuvent être assurés
avec une vanne à trois voies montée :
• en entrée de l’émetteur (Figure 2-7). On parle de montage en
« décharge » ;
• en sortie de l’émetteur (Figure 2-8). On parle de montage en
« décharge inversée ».
Ces deux montages sont équivalents d’un point de vue du fonctionN
nement (commande de la vanne par la régulation) et de l’objectif de
régulation de puissance. Leur différence réside dans l’alimentation
interne de la vanne : dans un cas les débits sont divergents (entrée
par la voie commune et sorties par les deux autres voies) (Figure 2-7),
dans l’autre ils sont convergents dans la vanne (entrées par les voies
direct et bipasse, sortie par la voie commune) (Figure 2-8).
Les éventuelles indications de raccordement du fabricant doivent
être suivies et peuvent conduire à un montage en « décharge » ou
« décharge inversée ».
Les applications : régulation de ventilo-convecteurs, de batteries de
centrales de traitement d’air…
Neuf-Rénovation
L’habitude d’alimentation des vannes en « convergent » conduit à avoir
fréquemment sur le terrain des vannes montées en sortie d’émetteur,
par exemple sur les batteries des centrales de traitement d’air.
21
s Figure 2-7 : Variation de débit par une vanne à trois voies montée en « décharge »
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROFESSIONNELS
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 2-8 : Variation de débit par une vanne à trois voies montée en « décharge inversée »
!
Le choix d’une vanne à deux voies pour réguler le débit
d’un émetteur est conseillé. Cette solution induit un débit
variable dans le réseau de distribution, ce qui permet de
rendre effective la variation de vitesse du circulateur. Ce
n’est pas le cas d’une vanne à trois voies pour laquelle le
point de fonctionnement du circulateur à vitesse variable
est constant.
2.2.2. • Régulation de puissance par variation
de température au moyen d’un mélange
La vanne à trois voies soutire un débit constant au réseau de distriN
bution. La variation de la température est obtenue par un mélange
entre le débit d’eau en provenance de la production et le débit d’eau
de retour de l’émetteur. L’émetteur est alimenté à débit constant, par
un circulateur en série.
Ces montages sont désignés en « mélange ». Ils peuvent être assurés
avec une vanne à trois voies montée :
• en entrée de l’émetteur (Figure 2-9). On parle de montage en
« mélange » ;
Neuf-Rénovation
• en sortie de l’émetteur (Figure 2-10). On parle de montage en
« mélange inversé ».
22
Ces deux montages sont équivalents d’un point de vue du fonctionN
nement (commande de la vanne par la régulation) et de l’objectif de
régulation de puissance. Leur différence réside dans l’alimentation
interne de la vanne : dans un cas les débits sont convergents dans la
vanne (entrées par les voies direct et bipasse, sortie par la voie comN
mune) (Figure 2-9), dans l’autre ils sont divergents (entrée par la voie
commune et sorties par les deux autres voies) (Figure 2-10).
Les applications : régulation centrale de la température d’eau au
départ d’une installation de radiateurs, de planchers chauffants, de
ventilo-convecteurs… en fonction de la température extérieure.
Ce montage est rarement utilisé en régulation terminale car il induit la
mise en place d’un circulateur par émetteur.
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
L’habitude d’alimentation des vannes en « convergent » conduit à
avoir fréquemment sur le terrain des vannes montées au départ de
l’installation de distribution.
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Les éventuelles indications de raccordement du fabricant doivent
être suivies et peuvent conduire à un montage en « mélange » ou
« mélange inversé ».
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 2-9 : Variation de température par une vanne à trois voies montée en « mélange »
s Figure 2-10 : Variation de température par une vanne à trois voies montée en « mélange inversé »
2.3. • Choix et dimensionnement d’une
vanne de régulation
La variation de puissance d’un émetteur n’est pas proportionnelle à la
variation du débit ou du rapport de débit l’alimentant. Elle est forteN
ment incurvée, pour une efficacité courante proche de 0,3 (cf. 12.6.3).
L’évolution linéaire de la puissance en fonction du pourcentage d’ouN
verture de la vanne doit reposer sur le choix d’une vanne présentant
une caractéristique d’évolution du débit en fonction de l’ouverture
inverse de la courbe d’émission des émetteurs, comme le montre la
(Figure 2-11).
Neuf-Rénovation
Afin d’obtenir un réglage correct de la puissance, la caractéristique de
l’émetteur doit être compensée par une caractéristique de forme comN
plémentaire assurée par la vanne de régulation.
23
PROFESSIONNELS
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 2-11 : Pour que l’évolution de puissance soit linéaire, la caractéristique des émetteurs doit être
compensée par une caractéristique inverse de la vanne de régulation
2.3.1. • KV et caractéristique de vanne
Le KV d’une vanne correspond, par définition, au débit en m3/h la parN
courant lorsqu’elle est soumise à une pression différentielle de 1 bar.
Il permet de caractériser une vanne indépendamment du circuit dans
lequel elle sera installée.
La caractéristique d’une vanne désigne la courbe d’évolution du KV en
fonction de son réglage, de 0 à 100 % d’ouverture (Figure 2-12).
Les modèles proposés par les fabricants sont de type « linéaire » ou
« égal pourcentage ».
Salon les indications données ci-avant, seule une vanne présentant
une caractéristique « égal pourcentage » permet de compenser la non
linéarité des émetteurs et d’assurer une régulation satisfaisante.
Le KVS correspond au KV de la vanne à 100 % d’ouverture. Cette valeur
est utilisée lors du dimensionnement de la vanne et figure dans les
documents des fabricants.
Le KV0, ou débit de fuite, est le KV de la vanne lorsqu’elle est fermée.
Il résulte de contraintes de fabrication. Il est exprimé en pourcentage
de KVS (rapport KV0/KVS). La valeur de KV0 doit être la plus faible.
Le KVR est la valeur de KV au dessus de laquelle la caractéristique corN
respond à la définition « égal pourcentage ».
Neuf-Rénovation
En (Figure 2-12), la formule d’évolution exponentielle fait apparaître
un coefficient N, spécifique au modèle de vanne. Il est quelquefois
précisé dans la notice, il est de l’ordre de 3. Dans la formule, z est
l’ouverture de la vanne comprise entre 0 et 1 (0 à 100 %).
24
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROFESSIONNELS
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 2-12 : Caractéristique « égal pourcentage » d’une vanne de régulation
!
Une vanne présentant une caractéristique « égal pourcentage » est requise pour compenser la non-linéarité des
émetteurs.
La relation entre le débit et la perte de charge d’une vanne caractériN
sée par son KV s’exprime par la formule suivante :
q = Kv × ∆p
Avec :
-KV, le débit en m3/h parcourant la vanne soumise à une presN
sion différentielle de 1 bar ;
- q, le débit en m3/h ;
- Δp, la perte de charge de la vanne en bar.
Si le fluide n’a pas une masse volumique de 1000 kg/m3, la formule
est la suivante (avec ρ en kg/m3) :
q = Kv × ∆p ×
1000
ρ
Note
Neuf-Rénovation
Dans les formules, les pertes de charge sont exprimées en bar.
25
PROFESSIONNELS
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
2.3.2. • L’autorité d’une vanne de régulation
Le choix d’un modèle adapté, présentant une caractéristique « égal
pourcentage », ne suffit pas.
Lorsque la vanne est en place sur le réseau, elle doit avoir une perte
de charge suffisante afin que sa caractéristique ne soit pas déformée.
En effet, l’évolution du débit en fonction du KV doit être proche d’une
droite. Cet impératif est obtenu par une vanne présentant une perte
de charge suffisante par rapport au réseau dont elle règle le débit. La
vanne doit s’imposer, être « autoritaire ».
L’autorité d’une vanne de régulation, définie à son ouverture maxiN
male, s’exprime par (Figure 2-13) :
a=
∆p v100
∆p v100 + ∆ p r100
Avec :
- a, l’autorité de la vanne (comprise entre 0 et 1) ;
- Δpv100, la perte de charge dans la vanne ouverte à 100 % ;
- Δpr100, la perte de charge des éléments du réseau parcourus
par le débit variable, pour la vanne ouverte à 100 %.
s Figure 2-13 : Grandeurs utilisées pour exprimer l’autorité d’une vanne à trois voies
Neuf-Rénovation
L’autorité d’une vanne influence la progressivité de la variation de
débit et donc de puissance. Comme le montrent les tracés (Figure
2-14) pour différentes valeurs d’autorité, la courbe d’émission
s’éloigne d’autant plus d’une droite que l’autorité de la vanne est
faible. La (Figure 2-14) est tracée pour une vanne « égal pourcentage ».
26
PROFESSIONNELS
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 2-14 : Incidence de l’autorité de la vanne de régulation sur l’évolution de la puissance émise
(pour une vanne « égal pourcentage »)
On constate ainsi que :
• pour une autorité supérieure à 0,5, la progressivité du réglage
n’est pas notablement améliorée. De plus, l’augmentation de
l’autorité de la vanne engendre une augmentation de sa perte
de charge et donc des coûts de circulation plus importants ;
• une autorité égale à 0,33 doit a minima être assurée pour avoir
une régulation de puissance satisfaisante. En dessous, la concaN
vité de la courbe est trop prononcée pour garantir une régulaN
tion de l’émission de puissance satisfaisante.
L’autorité d’une vanne doit être comprise entre 0,33 et 0,5 pour garantir une régulation satisfaisante. Le choix d’une autorité supérieure à
0,5 augmentera inutilement le coût de la vanne et la consommation
du circulateur. Une autorité inférieure à 0,33 dégradera trop fortement
la progressivité de la régulation du débit.
Le dimensionnement d’une vanne de régulation consiste à recherN
cher une autorité de 0,5 c’est-à-dire une vanne dont la perte de charge
est équivalente à la perte de charge du réseau parcouru par le débit
variable :
Δpv100 = Δpr100
Neuf-Rénovation
2.3.3. • Le dimensionnement d’une vanne
de régulation
27
PROFESSIONNELS
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Le débit et la perte de charge de la vanne étant connus, il s’agit :
• soit de calculer le KVS à partir de la formule ci-dessous ;
• soit d’utiliser l’abaque fourni par le fabricant (Figure 2-16).
Kvs =
q
∆pv100
Le choix doit se porter sur une vanne de KVS ou de diamètre le plus
proche, mais plus faible afin d’assurer une autorité supérieure à 0,5.
Il convient dans tous les cas de vérifier que l’autorité est supérieure
à 0,33.
!
Le diamètre d’une vanne de régulation doit être choisi selon
le critère d’autorité, en connaissance du débit et de la perte
de charge.
Exemple de dimensionnement pour une vanne à deux
voies
On souhaite dimensionner une vanne à deux voies alimentant une
batterie froide à eau glacée (Figure 2-15).
s Figure 2-15 : Exemple de dimensionnement d’une vanne à deux voies
Le débit nominal, vanne ouverte, est de 2,5 m3/h. La perte de charge
du réseau à débit variable, contrôlé par la vanne, repéré en gris sur
le schéma de la (Figure 2-15) est de 1,6 m eau (pour ce débit). Il s’agit
des pertes de charge de la batterie et des canalisations et accessoires
(dont la vanne d’équilibrage).
En fixant l’autorité à 0,50, on a :
Neuf-Rénovation
Δpr100 = Δpv100=1,6 m eau, soit 0,16 bar
28
Soit :
=
Kvs
q
=
∆pv100
2, 5
= 6, 25 m3/h sous 1 bar
0,16
∆pv100
q
=
Kvs
2
2, 5
=
6, 3
2
= 0,157 bar
Au final, l’autorité obtenue est de :
∆p v100
0,157
=
= 0, 49
∆p v100 + ∆ p r100 0,157 + 0,16
PROFESSIONNELS
PROGRAMME
a=
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
Selon la (Figure 2-16), on choisit une vanne de diamètre DN20 dont le
Kvs est de 6,3 m3/h. La perte de charge de la vanne au débit nominal
est de :
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 2-16 : Exemple de choix du diamètre d’une vanne de régulation à partir d'un abaque
Note
Exemple de dimensionnement pour une vanne à trois
voies et un montage avec bouteille de découplage
Sur une installation de chauffage, en présence d’une bouteille de
découplage (Figure 2-17), le réseau parcouru par le débit variable est
constitué des canalisations de raccordement à la bouteille identifiées
en gris sur le schéma. En absence de bouteille, ce seraient les pertes
de charge de la chaudière et de son réseau qu’il faudrait considérer.
Neuf-Rénovation
L’abaque de la (Figure 2-16) est un exemple. Les abaques sont spécifiques au
modèle de vanne.
29
PROFESSIONNELS
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Dans cette configuration avec bouteille, les pertes de charge du circuit
étant très faibles, l’autorité de la vanne est toujours très élevée, quel
que soit le Kvs choisi. Le diamètre de la vanne peut, dans ce cas, être
égal à celui des canalisations.
s Figure 2-17 : Exemple de dimensionnement d’une vanne à trois voies placée sur une installation avec
bouteille de découplage
2.3.4. • Conditions supplémentaires à respecter
dans le cas d’une vanne à trois voies
Pour une vanne de régulation à trois voies, en complément du respect
de l’autorité, il convient de maintenir un débit constant dans la voie
commune.
Il faut pour cela que la perte de charge de la vanne ajoutée à celle
du circuit à débit variable soit faible devant la pression différentielle
motrice, c’est-à-dire la hauteur manométrique (HMT) (cf. 1.4) du circuN
lateur placé sur la voie commune :
Δpv100 + Δpr100 < HMT/2
Par ailleurs, il faut minimiser la résistance hydraulique dans la voie
bipasse. Le respect de cette condition permet de privilégier la circulaN
tion dans la voie bipasse lorsque la vanne travaille à charge partielle,
là où les difficultés de régulation sont les plus prononcées.
Les surdébits engendrés dans le circuit à débit constant sont généraN
lement acceptables si les autres règles de dimensionnement ont été
respectées.
Une vanne d’équilibrage sur la voie bipasse de la vanne à trois voies
n’est pas utile, voire contre-indiquée (augmentation du débit de fuite
de la vanne).
Neuf-Rénovation
2.4. • Les robinets thermostatiques
30
Un robinet thermostatique peut être assimilé à une vanne à deux
voies avec une régulation de température ambiante intégrée (Figure
2-18). Il est placé sur les radiateurs et agit comme organe de réguN
lation terminale. Il fait varier le débit d’eau irriguant le radiateur en
fonction de la température du local afin de maintenir la consigne
d’ambiance réglée sur le volant. Lorsque des apports internes élèvent
la température ambiante, le fluide du bulbe thermostatique se dilate
et actionne la fermeture du clapet dans le corps du robinet.
s Figure 2-18 : Représentation d’un robinet thermostatique et de son principe de fonctionnement
La (Figure 2-19) montre l’évolution du déplacement du clapet en foncN
tion de la température.
PROFESSIONNELS
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
La plage de travail d’un robinet thermostatique, de l’ouverture totale
du clapet à sa fermeture, est généralement comprise entre 6 et 8 K.
Une position particulière du déplacement du clapet est appelée
« levée nominale » (selon la norme NF EN 255). Elle correspond à
un écart de température de l’ordre de 2 K. Elle permet de restreindre
la plage d’action pour améliorer la performance de la régulation. La
puissance nominale est atteinte pour cette levée nominale. Cet écart
est assimilable à une bande proportionnelle.
Le dimensionnement d’un robinet thermostatique est similaire à celui
d’une vanne de régulation à deux voies. C’est la valeur de Kv à la levée
nominale qui est utilisée, et non à l’ouverture totale. Les valeurs de Kv
nominal permettent de déterminer le modèle en fonction du débit et
de la perte de charge afin d’assurer une autorité suffisante. Elles sont
données par le fabricant.
Neuf-Rénovation
s Figure 2-19 : Plage de régulation d’un robinet thermostatique
31
Les régulateurs de pression
différentielle et de débit
PROFESSIONNELS
3
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
3.1. • Les régulateurs de pression
différentielle
Les régulateurs de pression différentielle ont pour rôle de stabiliser la
pression différentielle à la valeur de consigne paramétrée.
Ils sont composés d’un corps de vanne mis en mouvement :
• soit par la différence de pressions qui s’applique de part et
d’autre d’une membrane. Les prises de pression sont visibles
en (Figure 3-1) ;
• soit par les pressions qui s’appliquent en direct sur le corps de
la vanne.
La consigne de pression différentielle est paramétrée par le tarage
d’un ressort ou un dispositif autre.
Le fonctionnement progressif en fonction de la pression différenN
tielle peut être assimilé à celui d’un régulateur proportionnel, avec
l’inconvénient de présenter un effet de dérive dans le maintien de la
consigne.
Les régulateurs de pression différentielle s’installent selon deux monN
tages possibles :
• en parallèle (cf. 3.1.1) ;
Neuf-Rénovation
• en série (cf. 3.1.2).
32
s Figure 3-1 : Principe d’un régulateur de pression différentielle
PROFESSIONNELS
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
3.1.1. • Régulateurs de pression différentielle
en parallèle
Lorsque le régulateur de pression différentielle est placé en parallèle,
comme à la (Figure 3-2), il est normalement fermé et il s’ouvre pour
dériver un débit lorsque la pression différentielle mesurée augmente
au-delà de la valeur de consigne paramétrée.
s Figure 3-2 : Régulateur de pression différentielle monté en parallèle
Une application consiste à les placer sur le départ d’un réseau de disN
tribution alimenté par un circulateur à vitesse constante. Ils sont alors
aussi désignés « soupape de décharge » ou « soupape différentielle ».
Dans ce cas, la consigne de pression différentielle à régler correspond
à la hauteur manométrique du point de fonctionnement nominal
du circulateur. Une valeur supérieure peut aussi être réglée, tout en
conservant un débit minimal dans le circulateur.
Ils peuvent aussi être placés sur une colonne de distribution ou sur
une branche horizontale alimentant des émetteurs équipés de vannes
de régulation à deux voies. Ils permettent d’éviter des excès de presN
sion différentielle sur les vannes à l’origine de dérives fonctionnelles
engendrant des surdébits (cf. 9).
Neuf-Rénovation
Lors de la fermeture des vannes de régulation à deux voies des émetN
teurs (robinets thermostatiques par exemple), le point de fonctionneN
ment du circulateur se déplace vers le haut sous l’effet de l’augmenN
tation des pertes de charge (Figure 1-1). L’ouverture du régulateur de
pression différentiel permet de maintenir le point de fonctionnement.
33
PROFESSIONNELS
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Les régulateurs de pression différentielle en parallèle présentent pour
inconvénients d’engendrer, lors de leur ouverture, un recyclage d’eau
vers le retour de la production. Ce phénomène n’est pas indiqué pour
garantir les performances des chaudières à condensation (réchauffage
des retours) ou des groupes frigorifiques.
Ils sont choisis en fonction du débit à dériver et de leur perte de charge
qui doit compenser la perte de charge du réseau contrôlé.
Note
La vanne d’équilibrage doit être placée avant le régulateur de pression différenN
tielle, côté production.
3.1.2. • Régulateurs de pression différentielle
en série
Lorsque le régulateur de pression différentielle est placé en série,
comme à la (Figure 3-3), il est normalement ouvert et se ferme lorsque
la pression différentielle mesurée augmente au-delà de la valeur de
consigne paramétrée.
s Figure 3-3 : Régulateur de pression différentielle monté en série
En se fermant, la perte de charge du régulateur augmente et limite
ainsi la pression différentielle appliquée sur la vanne de régulation et
l’émetteur. Les excès de pression différentielle sur les vannes à l’oriN
gine de dérives fonctionnelles sont évitées avec leurs conséquences
(cf. 9).
Dans ce cas, la consigne de pression différentielle à régler correspond
à la pression différentielle nominale d’alimentation du tronçon.
Neuf-Rénovation
Les régulateurs de pression différentielle en série peuvent aussi être
placés sur une colonne de distribution ou sur une branche horizontale.
34
Ils présentent pour inconvénients d’accroître les pertes de charge, en
particulier sur le circuit de l’émetteur le plus défavorisé, et donc d’augN
menter la hauteur manométrique du circulateur et par conséquent ses
consommations électriques.
Pour assurer leur fonctionnement, certains régulateurs de pression
différentielle nécessitent une pression différentielle disponible imporN
tante pour vaincre leurs pertes de charge (pression différentielle miniN
male indiquée par le fabricant).
Les régulateurs de débits ont pour rôle de stabiliser le débit à la valeur
de consigne paramétrée.
Leur principe est similaire à celui des régulateurs de pression difféN
rentielle en série.
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
3.2. • Les régulateurs de débit
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Les régulateurs de pression différentielle en série sont choisis en
fonction du débit nominal du tronçon où ils sont placés. Ils doivent
permettre de créer une perte de charge qui équivaut à la différentielle
maximale qui peut s’appliquer aux bornes du tronçon.
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
La mesure de pression différentielle est effectuée de part et d’autre
d’un organe déprimogène (Figure 3-4) ou d’un dispositif similaire. Ce
sont les pertes de charge qui sont mesurées et donc le débit.
Le régulateur de débit se ferme lorsque le débit mesuré augmente audelà de la valeur de consigne paramétrée.
s Figure 3-4 : Régulateur de débit
Ces organes permettent de limiter le débit dans un tronçon, par
exemple au niveau des émetteurs équipés de vannes de régulation à
deux voies ou de robinets thermostatiques afin d’éviter des surdébits
dus à des fonctionnements à charge partielle des vannes de régulaN
tion du réseau à débit variable (cf. 9).
La consigne de débit à régler correspond au débit nominal du tronçon.
Comme les régulateurs de pression différentielle en série, les réguN
lateurs de débit présentent pour inconvénients d’ajouter des pertes
de charge supplémentaires sur le circuit, en particulier sur le circuit
de l’émetteur le plus défavorisé, et donc d’augmenter la hauteur
manométrique du circulateur et par conséquent ses consommations
électriques.
Note
Les fabricants proposent des robinets thermostatiques intégrant un régulateur
de débit.
Neuf-Rénovation
Les régulateurs de débit peuvent aussi être placés sur une colonne de
distribution ou sur une branche horizontale.
35
Les canalisations
PROFESSIONNELS
4
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
4.1. • Critères de choix des canalisations
La nature (type de matériau) et le diamètre de la canalisation doivent
être choisis en fonction de leur domaine d’application, selon les caracN
téristiques présentées ci-après.
4.1.1. • Propriétés physico-chimiques
Les propriétés physico-chimiques du fluide sont les premiers éléN
ments à considérer. Elles permettent d’orienter le choix du matériau
constitutif des conduites, compatible avec le fluide véhiculé. Différents
NF DTU précisent les domaines d’applications des canalisations de
diverses natures utilisées en génie climatique.
4.1.2. • Pressions et températures de service
L’installation fonctionne dans certaines conditions maximales de presN
sion et de température, dites de service, respectivement notées PMS
et TMS.
Neuf-Rénovation
Celles-ci doivent rester dans les limites que peuvent supporter l’enN
semble des matériaux en toute sécurité ; c’est-à-dire à une pression
inférieure à la pression maximale admissible (notée PMA) et dans une
plage de températures comprise entre les températures minimale et
maximale admissibles (notées TmA et TMA).
36
4.1.3. • Compatibilité des matériaux et respect
du domaine d’application
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
Un tube désigné PN10 peut être adapté à une température
de 90°C et ne plus l’être à 130°C. La pression maximale
admissible peut en effet diminuer en-dessous d’une certaine température. La pression nominale PN utilisée dans la
désignation des produits étant donnée pour une température de 20°C, il convient de s’assurer que le matériel choisi
répond effectivement aux contraintes d’utilisation.
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
!
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Certains matériaux ne peuvent être associés ou doivent faire l’objet
de précautions. Dans le cas, par exemple, d’une distribution d’eau
chaude sanitaire, la mise en place d’une canalisation en acier galvaN
nisé en aval d’une canalisation en cuivre est interdite. Par ailleurs,
pour la distribution d’eau sanitaire, les matériaux organiques et les
accessoires constitués d’au moins un composant organique doivent
disposer d’un Attestation de Conformité Sanitaire (ACS).
Note
Les canalisations sont l’objet de normes selon leur matériau :
– matériau de synthèse : NF EN ISO 15874-2, NF EN ISO 15875-2 et NF EN ISO
15876-2 ;
– cuivre : NF EN 1057 ;
– acier : NF EN 10255 et NF EN 10216-1.
4.2. • Dimensionnement des canalisations
Le dimensionnement des canalisations consiste à déterminer leur diaN
mètre en fonction du débit à véhiculer en respectant les contraintes :
• acoustiques, un diamètre trop faible induisant une vitesse trop
élevée ayant pour conséquences des bruits de circulation ;
• économiques, en termes de coût d’investissement (canaliN
sations et circulateurs) et de consommation électrique des
circulateurs.
• un faible diamètre de canalisation réduit son coût ;
• mais augmente les pertes de charge et donc le coût du circulaN
teur et ses consommations électriques.
Concrètement, le compromis consiste à mener le calcul en considérant une perte de charge linéique (cf. 12.7.1) de 10 mm eau/m, sans
excéder la valeur de 15 mm eau/m.
Neuf-Rénovation
En effet, le coût global actualisé (somme des coûts d’investissement
et des coûts d’exploitation) doit être minimisé :
37
PROFESSIONNELS
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Le choix du diamètre étant fait, il convient de veiller à ne pas dépasser
les vitesses limites énoncées dans le Cahier des Clauses Techniques
Générales (CCTG) 1 pour éviter les nuisances sonores.
Le tableau de la (Figure 4-1) fournit ces valeurs limites en fonction du
matériau, du diamètre et de la localisation (en sous-sol ou en étage).
A noter que de faibles pertes de charge linéiques permettent de limiter
les dérives fonctionnelles des vannes terminales des circuits à débit
variable (cf. 9). Par ailleurs, les diamètres plus élevés augmentent la
contenance des canalisations ce qui limite, dans certains cas, la capaN
cité du volume tampon pour les installations où il s’avère nécessaire.
Les vitesses dans les canalisations doivent toutefois rester suffisantes
pour éviter les phénomènes de dépôts de boues et de thermosiphon
et assurer un dégazage et un rinçage suffisants.
Calibre usuel
Vitesses limites (m/s)
Diamètre extérieur Canalisation en sousCanalisation en étage
(mm)
sol
Tube acier
12
17,2
0,45
0,45
15
21,3
0,55
0,55
20
26,9
0,70
0,70
25
33,7
0,80
0,80
32
42,4
0,90
0,90
40
48,3
0,95
0,95
50
60,3
1,10
1,00
65
70,0
1,30
1,10
65
76,1
1,30
1,10
80
88,9
1,40
1,20
90
101,6
1,50
1,20
100
108,0
1,50
1,20
100
114,3
1,50
1,20
125
133,0
1,50
1,20
125
139,7
1,50
1,20
150
159,0
1,50
1,20
10/12
12
-
0,45
12/14
14
-
0,50
14/16
16
-
0,55
16/18
18
-
0,60
18/20
20
-
0,65
20/22
22
-
0,70
Neuf-Rénovation
Tube cuivre
38
s Figure 4-1 : Vitesses limites à ne pas dépasser pour éviter les nuisances sonores (CCTG)
■ 1 Le CCTG – Marchés publics de travaux d’installation de génie climatique (n° 2015) est abrogé depuis le
1er juillet 2012.
L’exemple consiste à dimensionner une canalisation en acier parcouN
rue par un débit de 2 m3/h.
En considérant une perte de charge de 10 mm eau/m, le choix se porte
sur une canalisation en DN 32 (42,4 x 2,9 mm) (Figure 4-2).
On vérifie que la vitesse lue sur le diagramme de 0,55 m/s est bien
inférieure à la valeur limite de 0,90 m/s pour une localisation en
sous-sol.
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
Les diagrammes de pertes de charge linéiques sont présentés au chaN
pitre 12.7.1 (cf. 12.7.1).
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Exemple de dimensionnement par un diagramme de
pertes de charge linéiques
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 4-2 : Exemple de détermination par diagramme du diamètre d’une canalisation à partir d’une
perte de charge linéique de 10 mm eau/m
Données de pré-dimensionnement
En guise de pré-dimensionnement, les tableaux suivants fournissent
les valeurs maximales de débit à véhiculer dans un diamètre de canaN
lisation donné calculées pour la valeur maximale de 15 mm eau/m.
Ils sont donnés pour des canalisations en matériau de synthèse
(Figure 4-3), en cuivre (Figure 4-4) et en acier (Figure 4-5).
Neuf-Rénovation
Les calculs sont menés pour de l’eau non glycolée à 80°C.
39
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROFESSIONNELS
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Canalisations en matériau de synthèse
Valeurs maximales
Pertes
de
Débit
Vitesse
charge
(l/h)
(m/s)
(mm
eau/m)
DN
(mm)
DN
(pouce)
Appellation
Diam.
ext.
(mm)
Diam.
int.
(mm)
Ep.
(mm)
-
-
16x1,5
16
13
1,5
170
15
0,35
-
-
20x1,9
20
16,2
1,9
300
15
0,42
-
-
25x2,3
25
20,4
2,3
555
15
0,48
-
-
32x2,9
32
26,2
2,9
1080
15
0,58
-
-
40x3,7
40
32,6
3,7
1950
15
0,67
-
-
50x4,6
50
40,8
4,6
3550
15
0,78
-
-
63x5,8
63
51,4
5,8
6600
15
0,91
-
-
75x6,8
75
61,4
6,8
10750
15
1,04
s Figure 4-3 : Pré-dimensionnement des canalisations en matériau de synthèse pour une perte de charge
maximale de 15 mm eau/m (eau à 80°C)
Canalisations en cuivre
Valeurs maximales
Pertes
de
Débit
Vitesse
charge
(l/h)
(m/s)
(mm
eau/m)
DN
(mm)
DN
(pouce)
Appellation
Diam.
ext.
(mm)
Diam.
int.
(mm)
Ep.
(mm)
14
-
16x1
16
14
1
200
15
0,37
16
-
18x1
18
16
1
285
15
0,42
18
-
20x1
20
18
1
395
15
0,44
20
-
22x1
22
20
1
520
15
0,48
26
-
28x1
28
26
1
1050
15
0,57
30
-
32x1
32
30
1
1550
15
0,64
34
-
36x1
36
34
1
2200
15
0,69
36
-
38x1
38
36
1
2550
15
0,71
38
-
40x1
40
38
1
2950
15
0,75
40
-
42x1
42
40
1
3400
15
0,78
s Figure 4-4 : Pré-dimensionnement des canalisations en cuivre pour une perte de charge maximale de
15 mm eau/m (eau à 80°C)
Neuf-Rénovation
Canalisations en acier
40
Valeurs maximales
Pertes
de
Débit
Vitesse
charge
(l/h)
(m/s)
(mm
eau/m)
DN
(mm)
DN
(pouce)
Appellation
Diam
ext.
(mm)
Diam.
int.
(mm)
Ep.
(mm)
15
½
15x21
21,3
16,6
2,33
295
15
0,39
20
¾
20x27
26,9
22,2
2,35
650
15
0,48
25
1
26x34
33,7
27,9
2,9
1180
15
0,58
32
1¼
33x42
42,4
36,6
2,9
2450
15
0,68
DN
(pouce)
Appellation
Diam
ext.
(mm)
Diam.
int.
(mm)
Ep.
(mm)
40
1½
40x49
48,3
42,5
2,9
3680
15
0,75
50
2
50x60
60,3
53,8
3,25
6800
15
0,88
65
2½
70x76
76,1
70,3
2,9
13500
15
1,02
s Figure 4-5 : Pré-dimensionnement des canalisations en acier pour une perte de charge maximale de
15 mm eau/m (eau à 80°C)
PROFESSIONNELS
DES
DN
(mm)
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
Valeurs maximales
Pertes
de
Débit
Vitesse
charge
(l/h)
(m/s)
(mm
eau/m)
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Canalisations en acier
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
4.3. • Calorifuge des canalisations
4.3.1. • Calcul des pertes thermiques
par les canalisations
Les canalisations sont sujettes à des échanges thermiques du fait de
la différence de température entre le liquide transporté et l’ambiance.
Les pertes thermiques par le liquide s’expriment à partir de la formule
suivante (d’après la norme NF EN ISO 12241) :
Φ = Ul x L x Δθ
Avec :
- Φ, les pertes thermiques par la canalisation en W ;
-Ul, le coefficient de transmission thermique linéique des
canalisations en W/m.K ;
- L, la longueur de canalisation en m ;
- Δθ, l’écart entre la température moyenne de l’eau et la temN
pérature ambiante en K.
Remarque : lorsque la température du liquide est inférieure à la temN
pérature extérieure, l’écart est négatif.
La formule suivante peu être utilisée pour calculer le coefficient de transN
mission thermique d’une canalisation isolée (norme NF EN ISO 12241) :
Π
1
2λcanalisation
ln
de
d + 2× e
1
1
ln e
+
+
di
2λisol
de
he × (d e + 2 × e)
Neuf-Rénovation
Ul =
41
PROFESSIONNELS
Si les échanges thermiques de la canalisation sont négligés, la forN
mule devient :
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Ul =
Π
d + 2× e
1
1
× ln e
+
2λisol
de
he × (d e + 2 × e)
Avec :
-Ul, le coefficient de transmission thermique linéique W/m.K ;
- λcanalisation, la conductivité thermique de la canalisation;
- λisol, la conductivité thermique utile de l’isolant à la tempéN
rature moyenne liquide/ambiance en W/m.K (prendre la
conductivité thermique déclarée par le fabricant multipliée
par le facteur de conversion globale de la conductivité therN
mique « f » défini par la norme NF EN ISO 23993) ;
-de, le diamètre extérieur de la canalisation en m ;
-di, le diamètre intérieur de la canalisation en m ;
- e, l’épaisseur d’isolant en m ;
-he, le coefficient d’échange superficiel pris égal à 10 W/m².K
pour un calcul approché.
4.3.2. • Produits calorifuges
Sachant qu’en chauffage une canalisation non calorifugée émet de 8 à
20 fois plus de chaleur qu’une canalisation calorifugée, il est détermiN
nant d’isoler les réseaux. Plusieurs types de produits existent, regrouN
pés en quelques familles principales :
• les laines minérales (MW 2 – NF EN 14303), en coquilles ou en
rouleaux ;
• les mousses élastomères flexibles (FEF – NF EN 14304), en manN
chons ou en rouleaux ;
• le verre cellulaire (CG – NF EN 14305) ;
• les polyuréthanes rigides et mousses de polyisocyanurate (PUR/
PIR – NF EN 14308), en coquilles ;
• les mousses de polystyrène extrudé (XPS – NF EN 14307), en
coquilles ;
• les mousses de polyéthylène (PEF – NF EN 14313) ;
Neuf-Rénovation
• les mousses phénoliques (PF – NF EN 14314).
42
Selon leur localisation, les conduites peuvent être soumises à diverses
agressions extérieures, à des chocs mécaniques…
■ 2 Les abréviations MW, FEF, PUR/PIR, XPS et PF sont les abréviations internationales des familles d’isolants
présentées.
A l’extérieur, les revêtements adaptés sont la tôle et les enduits dédiés
à cette application.
Pour les réseaux de chauffage et de refroidissement, l’isolation réduit
les échanges par les canalisations. Cependant, pour les réseaux de
refroidissement, l’isolant évite également tout risque de condensation
sur les conduits. L’installation doit être protégée contre la migration
de la vapeur d’eau. Cette fonction peut être réalisée par le biais d’un
pare-vapeur ou d’un isolant spécifique disposant de cette propriété.
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
En chaufferie où les chocs sont plus à craindre, un revêtement en tôle,
en matériau de synthèse (PVC) ou un enduit permettent de protéger
l’isolant.
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
De ce fait, le choix d’un type et/ou revêtement d’isolation doit être
effectué en prenant en compte ces paramètres. Par exemple, les manN
chons élastomères flexibles ou les coquilles de laine minérale revêtue
avec une feuille d’aluminium conviennent pour des canalisations en
plénum ou en gaine technique.
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Ce dernier est dimensionné de sorte que la température superficielle
reste supérieure au point de rosée de l’air ambiant dans les conditions
de température et d’hygrométrie les plus défavorables.
4.3.3. • Réglementations et normes
Document technique unifié
Le choix des matériaux et la mise en œuvre sont traités par le NF DTU
45.2 « Isolation thermique des circuits, appareils et accessoires de –80
à +650°C ».
Classes d’isolation
Les classes d’isolation européennes sont définies dans la norme NF
EN 12828. Il existe 6 classes d’isolation, de la classe 1, la moins isoN
lante, à la classe 6, la plus isolante. Une classe d’isolation est déterN
minée par une valeur maximale de la transmission linéique. Les six
classes d’isolation définissent le coefficient de transmission thermique
maximal à respecter selon le diamètre extérieur de la canalisation.
Neuf-Rénovation
Les formules de calcul qui suivent sont issues de la norme NF EN
12828 (Figure 4-6). Elles permettent de déduire les épaisseurs d’isoN
lant à mettre en œuvre en fonction de la classe d’isolation retenue et
du diamètre extérieur de la canalisation.
43
PROFESSIONNELS
Classe d’isolation
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Coefficient de transmission thermique linéique maximal
Ul en W/m.K
Tuyauteries de diamètre
Tuyauteries de diamètre
extérieur de≥0,4 m ou surextérieur de≤0,4 m
faces planes*
1
3,3 x de+0,22
1,17
2
2,6 x de+0,20
0,88
3
2,0 x de+0,18
0,66
4
1,5 x de+0,16
0,49
5
1,1 x de+0,14
0,35
6
0,8 x de+0,12
0,33
*comprend les réservoirs et autres composants avec des surfaces planes et les canalisations de grandes
sections non circulaires
s Figure 4-6 : Détermination des épaisseurs d’isolant selon la classe d’isolation (NF EN 12828)
La Réglementation thermique
En construction neuve, la RT 2012 (arrêtés du 26 octobre 2010 et du
28 décembre 2012), contrairement à la RT 2005, n’impose aucune
isolation minimale des conduits, tant en chauffage qu’en production
d’ECS et refroidissement. Les échanges thermiques doivent toutefois
être limités afin que le transport des fluides ne dégrade pas les perN
formances visées et empêche la condensation sur les réseaux d’eau
glacée.
Afin d’orienter les bureaux d’études, le tableau de la (Figure 4-7)
donne les classes minimales préconisées.
Quelle que soit la classe de performance retenue, les prescripteurs
doivent veiller à ce que l’écartement entre les réseaux et le bâti perN
mettent d’installer l’isolant.
Type de réseau
Chauffage et eau chaude
sanitaire
Eau glacée
Type de local
Classes d’isolation
minimales préconisées
dans les bâtiments neufs
Hors volume chauffé
3
En volume chauffé
2
Hors volume chauffé
4
En volume chauffé
4
s Figure 4-7 : Classes d’isolation minimales préconisées
Neuf-Rénovation
En rénovation, la RT « Existant » (arrêtés du 3 mai 2007 et du 13 juin
2008) fournit des classes d’isolation minimale. Les valeurs de la
(Figure 4-7) sont toutefois conseillées.
44
Quelques remarques :
• les pertes thermiques d’une boucle d’eau chaude sanitaire
sont généralement élevées au regard des besoins. Aussi, estil conseillé de mettre en œuvre une épaisseur d’isolant imporN
tante afin de limiter au maximum ces dernières ;
• les prescripteurs qui visent les bâtiments à haute performance
peuvent proposer des classes supérieures à celles préconisées
(Figure 4-7).
Passage
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
• les classes d’isolation préconisées et réglementaires s’apN
pliquent aux canalisations. Cependant, sauf spécification
contraire, le niveau d’isolation de tout composant (vannes,
réservoirs…) doit être au moins égal à celui de la tuyauterie
avoisinante ;
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
• à titre informatif, le tableau de la (Figure 4-8) présente les
gains énergétiques qu’entraîne le passage à une classe d’isoN
lation supérieure pour un diamètre extérieur de tuyauterie de
100 mm ;
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Gains énergétiques (%)
d’une classe 2 à 3
17,4
d’une classe 2 à 4
32,6
d’une classe 3 à 4
18,4
Neuf-Rénovation
s Figure 4-8 : Exemple de gains énergétiques apportés par un changement de classe d’isolation
(canalisation de 100 mm de diamètre extérieur)
45
Les dispositifs de découplage
PROFESSIONNELS
5
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Un dispositif de découplage permet d’éviter les phénomènes d’interN
férences hydrauliques entre les circuits production et distribution. Il
assure l’indépendance des débits.
Il est nécessaire dans des cas suivants :
• Lorsque la distribution est à débit variable (présence de vannes
à deux voies de régulation terminale par exemple) et qu’un
débit constant est requis dans la production (groupes frigoriN
fiques, pompes à chaleur ou certains modèles de chaudières) ;
•En présence d’une incompatibilité de débit entre la production
et la distribution due par exemple à des chutes de température
nominale différentes.
L’exemple de la (Figure 5-1) montre qu’un découplage s’impose même
dans le cas de deux groupes frigorifiques équipés d’un circulateur
individuel raccordés en direct à une distribution à débit constant.
Neuf-Rénovation
En effet, le groupe 1 qui est parcouru par le débit q1 lorsqu’il foncN
tionne seul voit son débit chuter à q/2 lorsque le groupe 2 est mis en
fonctionnement. Le débit n’est donc pas maintenu constant dans ce
groupe.
46
Le graphe représente la caractéristique de pertes de charge de la distriN
bution, celle du circulateur d’un groupe (sans les pertes de charge du
groupe et de son circuit de raccordement) et celle des deux groupes
en parallèle et de leurs circulateurs. Pour simplifier, il a été considéré
deux groupes identiques présentant donc des pertes de charge et des
circulateurs identiques.
Le groupe 1 est irrigué par son débit nominal q1 lorsqu’il est seul en
fonctionnement. La mise en marche du groupe 2 et du circulateur
2 induit un débit q dans la production qui se répartit en un débit de
moitié dans chacun des groupes.
PROFESSIONNELS
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 5-1 : Mise en évidence du phénomène d’interférence hydraulique dans deux groupes
frigorifiques équipés d’un circulateur individuel
5.1. • Les règles communes
Le dispositif de découplage peut être :
• un bipasse (cf. 5.2) ;
• une bouteille de découplage (cf. 5.3) ;
• un collecteur-distributeur en court–circuit (cf. 5.4).
Le cas des volumes tampons à quatre piquages est décrit en chaN
pitre 6 (cf. 6).
Le découplage doit être caractérisé par une faible perte de charge afin
de limiter toute variation de débit.
Quel que soit le découplage choisi, il implique la mise en place d’un
(ou de plusieurs) circulateur(s) sur la production et d’un (ou de pluN
sieurs) circulateur(s) sur la distribution.
Pour assurer un découplage entre la production et la distribution, le
débit au primaire doit toujours être supérieur au débit (ou à la somme
des débits) au secondaire afin d’assurer une température de distribuN
tion identique à la température en sortie de production. Si l’inverse se
produit, il y a recyclage d’eau de retour de la distribution et mélange
avec l’eau produite par la production. La température en entrée de
distribution n’est plus assurée. On parle de phénomène de « retour
inverse ».
Cette règle s’applique également à charge partielle, par exemple
lorsqu’un seul générateur est en fonctionnement.
La mise en place d’un dispositif de découplage permet d’assurer une
bonne autorité des vannes de régulation en place sur les circuits de
distribution (cf. 2.3.3).
Neuf-Rénovation
Un surdébit au primaire de l’ordre de 10 à 20% est recommandé.
47
PROFESSIONNELS
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Note
Un dispositif de découplage n’est pas indiqué dans le cas d’une chaudière à
condensation car il engendre un recyclage d’eau chaude et une élévation de la
température en entrée de chaudière qui n’est pas favorable à sa performance.
5.2. • Bipasse lisse
Le bipasse lisse constitue le moyen de découplage le plus simple. Il
s’applique en particulier lorsqu’un seul circuit utilisateur est raccordé.
Le bipasse est placé en position verticale, avec les raccordements
chauds en haut et froids en bas.
Son diamètre est identique à celui des canalisations raccordées et sa
longueur est supérieure à 6 diamètres pour éviter tous phénomènes
de turbulences.
La mise en place d’un organe de réglage sur le bipasse n’est pas utile
et même contre-indiquée car il crée une perte de charge qui induit une
variation du débit et amoindrit le phénomène de découplage.
Comme le montre la (Figure 5-2), le bipasse est parcouru par la difféN
rence entre le débit au primaire et le débit au secondaire. Le débit est
donc descendant dans le bipasse, le débit primaire étant supérieur au
débit secondaire pour assurer un découplage.
Dans le cas d’une installation travaillant alternativement en chaud et
en froid, un bipasse en U est utilisé (cf. 5.4).
Note
Neuf-Rénovation
Sur une installation de plancher chauffant, par exemple, le bipasse peut être utiN
lisé pour assurer un mélange. Dans ce cas, le débit au primaire doit être inférieur
au débit secondaire afin de recycler de l’eau à température plus basse de sortie
de plancher qui est mélangée en partie haute du bipasse avec de l’eau à la tempéN
rature de la production. Ce schéma est décrit en chapitre 11.3 (cf. 11.3).
48
s Figure 5-2 : Bipasse de découplage en place sur une installation
• le raccordement simplifié de plusieurs circuits secondaires ;
• le dégazage et la décantation.
Comme pour un bipasse, la bouteille de découplage est disposée verN
ticalement avec les raccords les plus chauds en haut et les plus froids
en bas.
Le dimensionnement d’une bouteille de découplage s’effectue traN
ditionnellement selon la règle dite des « 3D » qui consiste à respecN
ter (Figure 5-3) :
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
Outre les fonctions assurées par un bipasse, la bouteille de découN
plage permet :
PROGRAMME
5.3. • Bouteille de découplage
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROFESSIONNELS
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
• un diamètre de bouteille supérieur ou égal à 3 fois le plus gros
diamètre raccordé ;
• une hauteur de bouteille déterminée par un écartement de
3 diamètres entre les canalisations ;
• un décalage de 3 diamètres entre la canalisation d’arrivée d’eau
en provenance de la production et la canalisation de départ
secondaire ;
• une distance de 3 diamètres entre la canalisation haute et le
sommet de la bouteille ;
• une distance de 3 diamètres entre la canalisation basse et le bas
de la bouteille ;
• une distance de 6 diamètres séparant les raccords chauds
(départs secondaires) des raccords froids (retours secondaires).
La (Figure 5-4) met en évidence le phénomène de stratification dans
la bouteille qui permet d’obtenir une température au départ du cirN
cuit usage quasiment identique à la température de la production. La
simulation est menée pour un surdébit au primaire de 10 %.
Note
Neuf-Rénovation
Les phénomènes de stratification importants dans la bouteille de découplage
sont dus principalement au rapport hauteur sur diamètre élevé qui est de 6 sur
une bouteille de découplage. Le décalage des canalisations a un impact assez
limité sur ce phénomène.
49
PROFESSIONNELS
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
D
3D
CHAUD
3D
3D
Circuit de
production
(Primaire)
3D
Circuits de
distribution
(Secondaire)
6D
3D
3D
3D
Neuf-Rénovation
s Figure 5-3 : Bouteille de découplage dimensionnée selon la règle des « 3D »
50
s Figure 5-4 : Simulation de la répartition des températures dans une bouteille de découplage (surdébit
de 10 % au primaire)
Le dimensionnement induit des vitesses faibles (inférieures à 0,1 m/s)
au sein de la bouteille qui favorisent le dégazage et la décantation
(Figure 5-5). La bouteille est donc propice à l’installation d’un purgeur
PROFESSIONNELS
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
en partie supérieure pour évacuer les bulles de gaz et d’un dispositif
de récupération des dépôts en partie basse (Figure 5-6).
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 5-5 : Simulation de la répartition des vitesses (en m/s) dans une bouteille de découplage
(surdébit de 10 % au primaire)
Sur les installations de production de froid, les écarts de tempéraN
ture entre le départ et le retour étant faibles, de 5 K pour un régime
7-12°C, les différences de masse volumique sont elle-même faibles
et des risques de circulations parasites d’eau dans la bouteille sont à
craindre. Il semble qu’elles soient à l’origine d’une « élévation » pénaN
lisante de la température de départ d’eau glacée par des mélanges
d’eau de retour.
Les avantages de dégazage en partie haute et de décantation en parN
tie basse de la bouteille en chauffage sont moindres en froid. Compte
Neuf-Rénovation
s Figure 5-6 : Phénomènes de dégazage et de décantation au sein d'une bouteille de découplage
51
PROFESSIONNELS
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
tenu des niveaux de température, le dégagement de gaz est quasi
inexistant. L’effet de décantation est toujours présent puisque les
vitesses sont faibles dans la bouteille mais l’embouage est limité sur
les réseaux d’eau glacée.
Par ailleurs, la bouteille de découplage présente pour principaux
inconvénients son encombrement important en local technique, son
coût de réalisation et sa nécessité de calorifuge.
Les bipasses et les collecteurs-distributeurs en court-circuit sont
mieux adaptés aux installations d’eau glacée.
5.4. • Collecteur-distributeur en court-circuit
Le collecteur-distributeur en court-circuit est choisi lorsque le nombre
de canalisations à raccorder conduit à une hauteur de bouteille trop
importante ou lorsque la disposition des raccrodements ne s’adapte
pas aisément à la disposition d’une bouteille verticale. Le distributeur
sert au raccordement des départs et le collecteur à celui des retours.
Ce dispositif s’apparente à une bouteille de découplage, mais n’assure
par les fonctions de dégazage et décantation. Le débit au primaire doit
toujours être supérieur à la somme des débits secondaires.
L’ensemble distributeur-collecteur est installé horizontalement.
Comme l’illustre la (Figure 5-7), il est recommandé un diamètre de
collecteur et de distributeur de deux fois le plus gros diamètre des
canalisations raccordées.
Circuits de distribution
(Secondaire)
CHAUD
2 D au
minimum
Distributeur
Circuit
de
production
(Primaire)
Bipasse
Collecteur
Neuf-Rénovation
s Figure 5-7 : Collecteur-distributeur en court-circuit
52
En chaud, le distributeur est placé en haut et inversement en froid.
Lorsque ces montages ne sont pas possibles ou lorsque l’installation
est alimentée alternativement en chaud et en froid, une disposition
avec un bipasse en U peut être adoptée (Figure 5-8). Une telle confiN
guration permet de s’affranchir de l’obligation de disposer les départs
chauds en haut et froids en bas.
Il est conseillé une longueur des bras du U d’au minimum six diaN
mètres et un diamètre identique au plus gros diamètre de canalisation
raccordée.
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
PROFESSIONNELS
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
s Figure 5-8 : Bipasse en U
Neuf-Rénovation
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
53
Les volumes tampons
PROFESSIONNELS
6
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Les volumes tampons ont pour fonction principale le stockage de
l’énergie. Ils sont souvent associés à des installations de pompes à
chaleur, de production de froid ou de chauffage au bois pour garantir
leur bon fonctionnement.
Dans le cas de pompes à chaleur ou de groupes frigorifiques, les
constructeurs spécifient le volume d’eau minimal auquel doit être
raccordée la machine. Il permet d’assurer une inertie suffisante et de
maintenir un temps de fonctionnement minimal du compresseur, éviN
tant les phénomènes de courts-cycles. Un volume tampon se justifie
lorsque le volume du réseau est insuffisant.
Pour des installations bois, on parle de ballon d’hydroaccumulation. Il
sert à conserver un rendement de l’appareil satisfaisant et à éviter les
inconforts par surchauffes.
Il existe deux configurations de volumes tampons (Figure 6-1) :
• les volumes tampons à deux piquages placés en série ;
Neuf-Rénovation
• les volumes tampons à quatre piquages placés en parallèle.
54
s Figure 6-1 : Volumes tampons à deux et quatre piquages
Note
La conception et le dimensionnement des volumes tampons sont traités dans un
rapport du programme « Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 ».
Penser à isoler du sol les supports de pose des volumes tampons : patins, supN
ports en matériaux conducteurs…
Par ailleurs, il convient d’isoler les raccordements connectés et d’utiliser des bouN
chons isolés dans le cas où ils ne sont pas utilisés.
6.1. • Les volumes tampons à deux piquages
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
Il est important que toute la surface du volume tampon soit calorifugée. En effet,
les pertes thermiques peuvent être multipliées par trois si le fond du volume
tampon n’est pas isolé (par rapport au même volume entièrement calorifugé).
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Note
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Des indications d’implantation des volumes tampons à deux piquages
sont précisées pour les applications de pompes à chaleur, groupes friN
gorifiques et installations bois.
Pompes à chaleur
L’implantation du volume tampon à deux piquages en sortie de pompe
à chaleur (Figure 6-2) est recommandée afin de limiter les incidences
du dégivrage par inversion de cycle du compresseur qui font chuter la
température en sortie de pompe à chaleur et donc au départ du circuit
distribution.
Cet emplacement s’impose également si le volume tampon intègre un
appoint électrique. Dans ce cas particulier, une implantation en entrée
de pompe à chaleur ne permet pas d’assurer la priorité de foncN
tionnement de la pompe à chaleur et l’élévation de température en
entrée de machine risque d’engendrer des cycles courts et donc des
dysfonctionnements.
s Figure 6-2 : Schéma de principe d’implantation du volume tampon à deux piquages en sortie de
pompe à chaleur
Si le dégivrage est assuré par un autre moyen que l’inversion de cycle,
tel que l’injection de gaz chauds, le volume tampon peut être implanté
en entrée de la pompe à chaleur (Figure 6-3), à condition qu’il n’intègre
pas d’appoint électrique (cas des pompes à chaleur géothermiques).
Neuf-Rénovation
Il est préférable de réaliser l’entrée dans le volume tampon en partie
basse et la sortie en partie haute pour favoriser une montée en tempéN
rature plus rapide de l’installation. La stratification permet un départ
vers l’installation plus chaud. De plus, les vitesses en partie haute du
volume tampon sont propices à l’installation d’un purgeur d’air.
55
PROFESSIONNELS
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
A cet endroit, les pertes thermiques du volume tampon sont réduites
et la température en entrée de pompe à chaleur est plus stable, ce qui
est favorable à la régulation lorsqu’elle porte sur cette grandeur. Par
ailleurs, la température en entrée du circuit distribution est identique
à la température de sortie de pompe à chaleur en l’absence de volume
tampon en sortie de pompe à chaleur.
Dans ce cas, l’entrée dans le volume tampon devra de préférence être
en partie haute et la sortie en partie basse afin de favoriser la stratifiN
cation dans le volume tampon et donc d’améliorer les performances
de l’unité par un retour plus froid lors de la montée en température de
l’installation.
s Figure 6-3 : Schéma de principe d’implantation du volume tampon à deux piquages en sortie de
pompe à chaleur
Groupes frigorifiques
Le volume tampon à deux piquages peut être placé en série sur le
retour chaud du circuit de production. En effet, la régulation du
groupe frigorifique porte généralement sur la mesure de la tempéraN
ture de retour. Aussi, un raccordement vers le groupe frigorifique en
partie basse du ballon permet d’éviter des courts-cycles du groupe
frigorifique du fait d’une mesure de température plus faible. Un racN
cordement de la capacité tampon sur l’aller se justifie dans le cas où
l’on privilégie la production de froid en cas de coupure électrique. Le
ballon peut alors pallier les besoins pendant un laps de temps assez
court – selon les besoins de l’installation et sa capacité.
Installations bois
Neuf-Rénovation
Couplé aux systèmes où une forte stratification est recherchée, le
volume tampon à deux piquages monté en hydroaccumulation bois
est à préférer (Figure 6-4).
56
En effet, le montage du volume tampon à deux piquages dans cette
configuration permet de découpler la partie production et la partie
distribution tout en évitant les phénomènes parasites. Ce stockage est
nécessaire dans le cas d’un générateur au bois car l’énergie dégagée
par la combustion doit pouvoir être dissipée (puis réutilisée), même
en absence de besoin. De plus, lorsque les circulateurs des circuits
sont en fonctionnement, les vitesses au sein du volume tampon sont
réduites et la stratification est augmentée. Enfin, la température de
l’eau en entrée de distribution est égale à la température de l’eau en
sortie de production lorsque le débit dans la production est supérieur
au débit dans la distribution.
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
PROGRAMME
Par rapport au volume tampon à quatre piquages, ce montage perN
met une meilleure stratification car la circulation de fluide au sein du
volume tampon ne se fait que dans un seul sens (une entrée et une
sortie) et est plus faible lorsque les circuits production et distribution
fonctionnent simultanément (le débit dans le volume tampon est alors
égal à la différence des débits de production et de distribution).
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 6-4 : Schéma de principe d’un volume tampon à deux piquages monté en hydroaccumulation
bois
6.2. • Les volumes tampons à quatre
piquages
Les phénomènes qui se produisent dans les volumes tampons à
quatre piquages induisent systématiquement une température en
entrée du circuit distribution inférieure à la température de sortie de
production introduite dans le volume tampon, comme le montre la
(Figure 6-5).
s Figure 6-5 : Simulations de la répartition des températures (à gauche) et des vecteurs vitesses (à
droite) dans un volume tampon à quatre piquages (surdébit de 10 % au primaire)
Neuf-Rénovation
L’écart de température observé entre la sortie production (60°C) et
l’entrée du circuit distribution (58,4°C) est de l’ordre de 1,5 K.
57
PROFESSIONNELS
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Les évolutions de température et de vecteurs vitesses 3 mettent en
évidence une zone centrale dans laquelle un phénomène de « bi-cirN
culation » se produit. Le jet entrant côté production impacte la paroi
opposée et se dirige vers le jet entrant côté distribution situé en bas
du volume tampon : l’eau « chaude » en provenance de la production
réchauffe directement l’eau « froide » en provenance de la distribution
dès son entrée dans le volume tampon. Le jet entrant côté distribution
impacte, quant à lui, la paroi opposée et se dirige vers le jet entrant
côté production situé en haut du volume tampon : l’eau « froide »
issue de la distribution refroidit directement l’eau « chaude » de la
production dès son entrée dans le volume tampon.
Dans le cas des pompes à chaleur, il est conseillé d’associer le volume
tampon à quatre piquages à une régulation spécifique permettant de
commander les circulateurs primaire et secondaire selon la tempéraN
ture du volume tampon afin de maintenir une performance optimale
de la pompe à chaleur.
Note
Les volumes tampons à quatre piquages présentent l’avantage d’assurer le
découplage entre la production et le réseau de distribution (cf. 5).
!
Lorsque l’abaissement de température au départ de la distribution n’est pas acceptable, il est conseillé de remplacer
le volume tampon à quatre piquages par un volume tampon à deux piquages, associé à un bipasse si un découplage
est nécessaire.
Quelques règles à respecter :
Neuf-Rénovation
• maintenir un débit au primaire supérieur au débit au secondaire,
comme dans une bouteille de découplage (cf. 5.3). Le surdébit au
primaire ne doit toutefois pas être trop prononcé car il engendre
un phénomène de brassage indésirable du volume tampon et
des consommations électriques supérieures du circulateur. Une
plage de surdébit de 10 à 30 % semble être un bon compromis.
58
• adopter un rapport hauteur sur diamètre supérieur ou égal à
3 afin de favoriser la stratification au sein du volume tampon
et d’éviter les effets de brassage entre les différentes strates de
températures. Il permet de limiter l’abaissement de température
en sortie de volume tampon (en entrée du circuit distribution).
Comme le montre la (Figure 6-6), avec un rapport hauteur sur
diamètre de 3, la température en entrée de circuit distribution
est de 59,1°C alors qu’elle est de 58,4°C avec un rapport de 2,
pour une température de production de 60°C.
■ 3 Les graphes sont extraits du rapport « Conception et dimensionnement des volumes tampons » du
programme « Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 ».
PROFESSIONNELS
Neuf-Rénovation
s Figure 6-6 : Simulation de la répartition des températures dans un volume tampon à quatre piquages
(surdébit de 10 % au primaire) pour différentes valeurs du rapport hauteur sur diamètre (à contenance
identique) : 2 à gauche, 3 au centre et 4 à droite
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
59
Les dispositifs d’expansion
PROFESSIONNELS
7
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Cette partie traite des vases d’expansion fermés (cf. 7.1) et décrit
les groupes de maintien de pression (cf. 7.4). Les vases d’expansion
ouverts ne sont pas traités.
7.1. • Les vases d’expansion fermés
7.1.1. • Description
Le vase d’expansion fermé a pour rôle d’absorber la dilatation de
l’eau du circuit lors des montées en température et ainsi de contrôler
sa pression.
Comme le montre la (Figure 7-1), il est associé à une ou plusieurs souN
papes de sécurité qui protègent l’installation en cas de surpressions
accidentelles et servent à l’évacuation de vapeur.
A l’intérieur du vase, la séparation entre l’eau du circuit et le gaz
(généralement l’azote) est assurée soit par une membrane soit par
une vessie. Dans le cas d’une vessie, l’eau n’est pas en contact avec le
métal, évitant ainsi tout risque de corrosion du réservoir.
Neuf-Rénovation
Le vase d’expansion est, de préférence :
60
• installé sur la canalisation de retour au générateur afin que la
membrane ou la vessie soit soumise aux tempéraures les plus
faibles ;
• raccordé en amont du circulateur, le cas échéant. Cet emplaN
cement permet de maintenir l’ensemble du réseau en surpresN
sion pour éviter les infiltrations d’air, notamment au niveau des
purgeurs.
Les déplacements d’eau dans le vase, au gré des variations de la presN
sion, peuvent entraîner des dépôts de boues dans le vase. La disposiN
tion du conduit de raccordement ne doit pas favoriser ces dépôts.
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
Le vase d’expansion et sa canalisation de raccordement au circuit ne
doivent pas être calorifugés.
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Il est recommandé de laisser un espace suffisant pour le contrôle
de la pression de gonflage (en dessous du vase pour les modèles à
membrane) et éventuellement pour permettre le remplacement de la
vessie.
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 7-1 : Exemple de vase d’expansion fermé en place sur une installation de chauffage
Pour contrôler la pression de gonflage du vase, Il est utile de l’équiN
per d’une vanne d’isolement et d’un robinet de vidange (Figure 7-2)
qui permettent de le mettre à la pression atmosphérique. Le vase
peut ainsi être contrôlé sans dépose. Le manomètre représenté sur la
figure sert à contrôler la pression de remplissage de l’installation.
Il est d'usage, afin d'éviter toute intervention d'une personne non
qualifiée, d'ôter la poignée de manœuvre de la vanne en dehors des
mesures.
L’installation d’une vanne d’isolement sur la canalisation
de raccordement du vase est autorisée par les normes NF
EN 12828 et NF DTU 65.11.
s Figure 7-2 : Equipement d’un vase d’expansion fermé
Neuf-Rénovation
!
61
PROFESSIONNELS
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
7.1.2. • Différentes phases de fonctionnement
Les différents états d’un vase d’expansion fermé (décrits pour un vase
à membrane) sont les suivants (Figure 7-3) :
• avant le remplissage en eau de l’installation, la pression de gonflage dans le vase est telle que la membrane est plaquée contre
la paroi haute. La pression de gonflage doit être supérieure à
la pression statique de l’installation de façon à ce que, à froid,
l’eau n’entre pas dans le vase et que le volume soit maximal
pour absorber la dilatation de l’eau.
• lors du remplissage, la pression de remplissage de l’installation
doit être supérieure à la pression de gonflage du vase. Dans ces
conditions une petite réserve d’eau est constituée. La pression
de remplissage est réglée à froid à l’aide d’un manomètre. Elle
est d’environ 0,2 bar de plus que la pression de gonflage.
• pendant la montée en température, la dilatation de l’eau comN
prime le gaz dans le vase. La membrane est mise ne mouveN
ment. Le volume occupé par le gaz diminue au fur et à mesure
que la température de l’eau augmente. A la température maxiN
male de fonctionnement de l’installation, l’eau occupe tout le
volume utile. La pression finale est atteinte.
La pression finale doit être inférieure à la pression de tarage des souN
papes de sécurité afin qu’elles ne s’ouvrent pas en fonctionnement
normal de l’installation. En règle générale, on considère une pression
finale de 90 % de la pression de tarage des soupapes.
s Figure 7-3 : Les différents états de fonctionnement d’un vase d’expansion fermé
7.1.3. • Eléments de dimensionnement
Neuf-Rénovation
Le dimensionnement d’un vase d’expansion consiste à déterminer :
62
• sa pression de gonflage
• sa capacité
Les fabricants proposent des vases d’expansion pour différentes
capacités (par exemple : 25, 50, 80, 100, 150, 200 litres) et à différentes
pressions de gonflage (de 0,5 en 0,5 bar soit, par exemple, 0,5 – 1 –
1,5 – 2 bar).
• Si la pression de gonflage du vase est insuffisante : au moment
du remplissage de l’installation, à froid, le volume d’eau est
déjà important dans le vase. Le volume utile du vase qui va pouN
voir recueillir la dilation de l’eau est réduit. Par conséquent, lors
des montées en température, la dilatation de l’eau ne peut être
absorbée. La pression augmente dans l’installation et dépasse
la pression de tarage des soupapes.
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
En effet :
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Un sous-dimensionnement du vase d’expansion provoque des ouverN
tures fréquentes des soupapes de sécurité lors des montées en tempéN
rature qui conduisent à introduire de l’eau dans le circuit (ces appoints
sont une des premières causes de corrosion et donc d’embouage).
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
• Si la capacité du vase est insuffisante : le volume utile du vase
est alors plus faible que nécessaire pour absorber la totalité
du volume d’expansion. Lors de la montée en température,
le volume utile du vase se remplit avant que la température
maximale soit atteinte. La pression augmente et les soupapes
s’ouvrent.
Note
Un vase surdimensionné n’est jamais préjudiciable au fonctionnement de l’insN
tallation. Cependant, une capacité ou une pression de gonflage inutilement éleN
vées engendrent un coût d’achat supérieur et un encombrement plus important.
7.2. • Dimensionnement d’un vase
d’expansion en chauffage
Le dimensionnement des vases d’expansion des installations de
chauffage est traité dans les normes NF EN 12828 et NF DTU 65.11.
La détermination de la pression de gonflage et de la capacité du vase
nécessite de connaître :
• la contenance en eau de l’installation ;
• la température d’eau moyenne maximale ;
• la hauteur statique de l’installation ;
• la pression de tarage des soupapes de sécurité.
Comme indiqué plus haut (cf. 7.1.2), la pression de gonflage du vase
doit être supérieure à la pression statique de l’installation pour que, à
froid, l’eau n’entre pas dans le vase.
La pression statique équivaut à la hauteur statique de l’installation
depuis le vase d’expansion jusqu’au point le plus élevé du circuit de
chauffage. Sachant que 1 m de colonne d’eau est proche de 0,1 bar.
Neuf-Rénovation
Pression de gonflage
63
PROFESSIONNELS
On considère généralement une pression de gonflage correspondant
à la pression statique de l’installation arrondie au 0,5 bar supérieur.
Dans l’exemple de la (Figure 7-4), la hauteur du bâtiment est de 12 m
soit 1,2 bar. Une pression de gonflage est de 1,5 bar est choisie.
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 7-4 : Détermination de la pression de gonflage du vase d’expansion selon la hauteur de
l’installation
Note
Si le vase d’expansion est en partie haute (chaufferie en terrasse par exemple),
la pression de gonflage est de 0,5 bar, sauf si une pression de fonctionnement
minimale des générateurs est spécifiée par le fabricant.
Volume d’expansion
Le volume d’expansion correspond au volume de dilatation du liquide
circulant dans l’installation. Il est fonction de la température moyenne
maximale de l’installation.
Le tableau de la (Figure 7-5) fournit le coefficient de dilatation en
considérant que l’installation est remplie avec de l’eau à 10°C, sans
antigel.
Neuf-Rénovation
Par exemple, pour une contenance d’installation de 2000 litres et un
régime 80/60°C, le volume d’expansion est de : 2000 x 0,0224 soit
45 litres.
64
Température de l’eau (°C)
Coefficient de dilatation (%) pour
un remplissage à 10°C
80
2,87
75
2,55
70
2,24
65
1,96
60
1,68
55
1,42
50
1,18
45
0,96
PROFESSIONNELS
Coefficient de dilatation (%) pour
un remplissage à 10°C
La contenance en eau de l’installation est constituée des volumes
contenus dans les canalisations et les composants du circuit
hydraulique.
Elle peut être :
PROGRAMME
s Figure 7-5 : Coefficients de dilatation de l’eau selon la température
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
Température de l’eau (°C)
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
• calculée à partir des longueurs et diamètres de canalisations et
des volumes des composants (générateurs, émetteurs, ballons,
échangeurs…) fournis dans les notices techniques ;
• estimée en fonction de la puissance de l’installation et du type
d’émetteurs. En première approche, il peut être considéré un
volume de 14 litres par kW pour une installation de radiateurs et
de 12 litres par kW pour des planchers chauffants.
Les tableaux des (Figure 7-6), (Figure 7-7) et (Figure 7-8) fournissent
les volumes par mètre de canalisation selon le matériau.
Des valeurs de contenance en eau des différents de types de radiaN
teurs sont données en (Figure 7-9).
La contenance en eau de l’installation peut être mesurée au moment
du remplissage si un compteur est installé sur l’alimentation en eau.
Note
La mise en place d’un compteur sur l’alimentation en eau est conseillée afin
de connaître la contenance en eau de l’installation. Il permet aussi de contrôN
ler les appoints d’eau à l’origine de phénomènes de corrosion, d’entartrage et
d’embouage.
Contenance
(l/m)
-
-
16x1,5
16
13
0,13
-
-
20x1,9
20
16,2
0,21
-
-
25x2,3
25
20,4
0,33
-
-
32x2,9
32
26,2
0,54
-
-
40x3,7
40
32,6
0,83
-
-
50x4,6
50
40,8
1,31
-
-
63x5,8
63
51,4
2,07
-
-
75x6,8
75
61,4
2,96
s Figure 7-6 : Contenance en eau des canalisations en matériau de synthèse pour les diamètres
standards
Neuf-Rénovation
DN (mm)
Canalisations en matériau de synthèse
Diam ext.
Diam. int.
DN (pouce)
Appellation
(mm)
(mm)
65
PROFESSIONNELS
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
DN (mm)
DN (pouce)
14
16
18
20
26
30
34
36
38
40
-
Canalisations en cuivre
Diam ext.
Appellation
(mm)
16x1
18x1
20x1
22x1
28x1
32x1
36x1
38x1
40x1
42x1
16
18
20
22
28
32
36
38
40
42
Diam. int.
(mm)
Contenance
(l/m)
14
16
18
20
26
30
34
36
38
40
0,15
0,20
0,25
0,31
0,53
0,71
0,91
1,02
1,13
1,26
s Figure 7-7 : Contenance en eau des canalisations en cuivre pour les diamètres standards
DN (mm)
DN (pouce)
15
20
25
32
40
50
65
½
¾
1
1¼
1½
2
2½
Canalisations en acier
Diam ext.
Appellation
(mm)
15x21
20x27
26x34
33x42
40x49
50x60
70x76
21,3
26,9
33,1
42,7
48,3
60,3
76,1
Diam. int.
(mm)
Contenance
(l/m)
16,6
22,2
27,9
36,9
42,5
53,8
70,3
0,22
0,39
0,61
1,07
1,42
2,27
3,88
s Figure 7-8 : Contenance en eau des canalisations en acier pour les diamètres standards
Neuf-Rénovation
Types d’émetteur
66
variante
Radiateur type lamella simple
Radiateur panneau
double
simple
triple
1 colonne
2 colonnes
Radiateur tubulaire
4 colonnes
6 colonnes
simple
Radiateur tube plats
double
ep. environ 150 mm
Radiateur plinthe
ep. environ 300 mm
Radiateur sèche
serviette
Radiateur standard
Radiateur sèche
serviette
4 colonnes
Radiateur colonne
5 colonnes
matériau
Acier
Contenance en eau
(l/kW)
6,6
5,1
4,3
3,6
7,1
11,6
13,9
14,5
7,1
7,0
3,6
3,0
3,0
3,3
Aluminium
Fonte
s Figure 7-9 : Contenance en eau des différents types de radiateurs
9,8
8,9
8,8
La capacité du vase d’expansion (en litres) est donnée par la forN
mule suivante dans laquelle les pressions sont exprimées en valeurs
absolues :
Vvase = Vexpansion ×
p finale × premplissage
pgonflage × ( p finale − premplissage )
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
La capacité du vase doit être telle qu’elle puisse recueillir le volume
d’expansion de l’installation. Or, le volume d’eau absorbé par le vase,
encore appelé volume utile, ne peut pas occuper la totalité de la capaN
cité du vase. Le volume utile est fonction des limites de pression entre
lesquelles travaille le vase.
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Capacité du vase
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Avec :
-Vexpansion, le volume d’expansion en litres ;
-pgonflage, la pression de gonflage du vase en bar ;
-premplissage, la pression de remplissage de l’installation en bar ;
-pfinale, la pression finale du vase en bar.
La pression de remplissage est généralement supérieure d’environ
0,2 bar à la pression de gonflage du vase et la pression finale de 90 %
de la pression de tarage des soupapes (cf. 7.1.2).
Si la pression de remplissage est identique à la pression de gonflage
du vase, aucune réserve d’eau n’est prévue. On peut, dans ce cas, utiN
liser la formule simplifiée suivante pour calculer la capacité du vase :
Vvase = Vexpansion ×
!
Pfinale
Pfinale − Premplissage
Dans ces formules, les pressions sont exprimées en valeurs
absolues. Par exemple : une pression relative de 1,5 bar correspond à une pression absolue de 1,5 + 1 bar de pression
atmosphérique soit 2,5 bar.
Note
Par exemple, pour un volume d’expansion de 45 litres, une pression de
gonflage de 1,5 bar, une pression de tarage des soupapes de 3 bar (c’està-dire une pression finale de 0,9 x 3 bar soit 2,7 bar) et une pression de
remplissage de 1,5 + 0,2 bar soit 1,7 bar, la capacité du vase est de :
Vvase = Vexp ansion ×
p finale × premplissage
pgonflage × ( p finale − premplissage )
= 45 ×
3, 7 × 2, 7
= 180 l
2, 5 × ( 3, 7 − 2, 7 )
Neuf-Rénovation
Les catalogues des fabricants proposent des tableaux de détermination rapide
des vases d’expansion à partir de la hauteur de l’installation et de sa contenance
en eau.
67
PROFESSIONNELS
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Soit une capacité de vase d’environ 180 litres. On sélectionne un vase
de 200 litres.
!
Dans le catalogue du fabricant, toujours choisir un vase de
capacité supérieure à la capacité calculée.
Note
La méthode de dimensionnement d’un vase d’expansion sur une installation
d’eau glacée est similaire à celle utilisée pour le chauffage. Elle nécessite de
connaître le pourcentage de glycol car le coefficient de dilation de l’eau glycolée
est supérieur à celui de l’eau pure (Figure 7-11).
7.3. • Dimensionnement d’un vase
d’expansion en solaire
En complément de sa fonction habituelle (absorption de la dilatation
et maintien en pression), le vase d’expansion placé sur le circuit des
capteurs solaires doit permettre de stocker le volume contenu dans
les capteurs lors de la phase d’évaporation en cas de surchauffe.
Le vase doit être placé sur la canalisation d’entrée des capteurs
solaires, là où la température est la moins élevée.
Note
Pour les installations autovidangeables, un vase d’expansion n’est pas indispenN
sable. Néanmoins, le dispositif de vidange doit être conçu pour assurer ce rôle.
!
Le vase d’expansion doit être adapté aux spécificités du
solaire en termes de température (plage de fonctionnement
généralement comprise entre –10 et 120°C) et de pression.
Sa membrane doit accepter le fonctionnement avec le
liquide caloporteur utilisé.
La détermination de la pression de gonflage et de la capacité du vase
nécessite de connaître :
Neuf-Rénovation
• le volume de liquide du circuit solaire (capteurs solaires, canaliN
sations, échangeurs...)
68
• la température maximale de fonctionnement de l’installation ;
• la hauteur statique de l’installation.
Pression de gonflage
La pression de gonflage du vase doit être supérieure à la pression staN
tique de l’installation à laquelle on ajoute la pression de vaporisation
H
+ 0, 3 + pvaporisation + ∆p
10
Avec :
- H, la hauteur statique de l’installation en m eau ;
- Δp, la pression différentielle du circulateur le cas échéant en
m eau ;
-pvaporisation, la pression de vaporisation à la température maxiN
male de fonctionnement en bar (en pression relative).
PROFESSIONNELS
PROGRAMME
pgonflage
=
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
La pression de gonflage (en bar) est donnée par la relation suivante :
DES
et la pression différentielle (hauteur manométrique) du circulateur le
cas échéant ainsi qu’une marge de 0,3 bar.
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
La pression différentielle du circulateur est comptabilisée si le vase
d’expansion est raccordé au refoulement du circulateur. Il n’est pas
ajouté si le vase est sur l’aspiration.
La pression de vaporisation à la température maximale de fonctionneN
ment (en pression relative) est donnée à la (Figure 7-10).
Pression de vaporisation (bar)
Température (°C)
Teneur en glycol
(%)
100
110
120
130
30
0
0,3
0,8
1,4
40
0
0,2
0,6
1,2
s Figure 7-10 : Pression de vaporisation de l’eau glycolée selon la température
Volume d’expansion
Le volume d’expansion correspond au volume de dilatation du liquide
circulant dans le circuit solaire (capteurs, canalisations, échangeurs...).
Il est fonction de la température maximale de l’installation.
Le tableau de la (Figure 7-11) fournit le coefficient de dilatation de
l’eau pour différents pourcentages de glycol et différentes tempéraN
tures. Par exemple, pour de l’eau à 30 % de glycol et une tempéraN
ture maximale de 120°C, le coefficient de dilatation est de 69 litres par
mètre cube d’eau du circuit solaire.
Coefficient de dilatation (l/m3)
Températures (°C)
-20 -10
0
10
0
0
1
2
4
8
12
17
23
29
36
43
52
60
69
10
1
3
5
7
11
15
20
26
32
39
46
55
63
73
20
2
5
8
11
14
18
23
29
35
42
49
58
67
76
1
4
7
10
13
16
21
26
31
38
44
52
60
69
78
30
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
40
4
7
10
13
15
17
21
25
30
36
42
49
56
64
73
82
50
6
9
12
15
18
20
24
28
33
39
45
52
59
67
76
85
s Figure 7-11 : Coefficient de dilatation de l’eau glycolée selon la température
Neuf-Rénovation
Teneur en
glycol (%)
69
PROFESSIONNELS
Capacité du vase
La capacité du vase d’expansion (en litres) est donnée par la forN
mule suivante dans laquelle les pressions sont exprimées en valeurs
absolues :
=
Vvase
(V
expansion
+ Vréserve + Vcapteurs +10% ) ×
p finale
p finale − pgonflage
Avec :
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
-Vexpansion, le volume d’expansion en litres ;
-Vréserve, le volume de réserve en litres ;
-Vcapteurs + 10%, le volume des capteurs en litres ;
-pgonflage, la pression de gonflage du vase en bar ;
-pfinale, la pression finale du vase en bar.
La pression finale est en général de 90 % de la pression de tarage des
soupapes (cf. 7.1.2).
Le volume de réserve permet de maintenir la pression au point haut
de l’installation. Une réserve d’eau dans le vase de 0,5 % de la conteN
nance du réseau est prévue. A minima, une réserve de 3 litres est
conseillée. Le fluide est déjà dilaté au moment du remplissage du
vase à température ambiante, d’où la possibilité d’un manque de
fluide en hiver par exemple. Ainsi, le volume de réserve correspond
au volume du circuit solaire multiplié par 0,005.
Le volume des capteurs est pris en compte dans le calcul du vase
afin d’absorber la surchauffe lors d’un éventuel arrêt de l’installation
(coupure électrique, problème de circulateur…). Lors du refroidisN
sement des capteurs, la totalité du fluide contenu dans ces derniers
avant la surchauffe doit leur être restituée. En effet, si le vase est de
contenance trop faible, la montée en pression provoque l’ouverture
des soupapes de sécurité et un complément de fluide est à prévoir. Il
est conseillé une majoration de 10 % de la contenance des capteurs.
Ainsi, le volume à considérer correspond au volume des capteurs
solaires multiplié par 1,1.
Neuf-Rénovation
!
70
Dans la formule, les pressions sont exprimées en valeurs
absolues. Par exemple : une pression relative de 1,5 bar correspond à une pression absolue de 1,5 + 1 bar de pression
atmosphérique soit 2,5 bar.
7.4. • Les groupes de maintien de pression
Les groupes de maintien de pression remplacent les vases d’expanN
sion fermés sur des installations étendues (avec des volumes en eau
importants) et/ou présentant des hauteurs statiques importantes, pour
lesquelles l’encombrement des vases fermés devient une difficulté.
Ils sont décrits dans le NF DTU 65.11.
Groupe de maintien de pression par le gaz
Pour ces dispositifs, l’expansion et la mise sous pression sont assuN
rées par un vase raccordé à une source de gaz à pression constante.
Lorsqu’elle est nécessaire, l’évacuation des gaz est assurée par un disN
positif de décharge. Le gaz utilisé est un gaz neutre (azote) ou de l’air.
Dans ce dernier cas, l’air est injecté dans une membrane afin d’éviter
son contact avec l’eau et son oxygénation.
PROFESSIONNELS
DES
• les groupes de maintien de pression sur l’eau.
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
• les groupes de maintien de pression par le gaz ;
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
On distingue deux familles de groupes de maintien de pression :
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Groupe de maintien de pression sur l’eau
Ce système agit côté eau, avec un circulateur régulant la charge et la
décharge d’eau dans le vase. On distingue les systèmes fermés des
systèmes à bâches ouvertes pour lesquels l’eau est en contact direct
avec l’atmosphère. Dans ce dernier cas, la bâche à l’air libre est source
d’oxygénation.
Neuf-Rénovation
s Figure 7-12 : Groupes de maintien de pression : par le gaz (à gauche), sur l’eau à système fermé (au
centre) et sur l’eau à bâche ouverte (à droite)
71
L’équilibrage hydraulique
PROFESSIONNELS
8
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
8.1. • Objectif et principe de l’équilibrage
L’équilibrage hydraulique d’une installation a pour objectif d’alimenter
chaque émetteur à son débit nominal. Le circulateur est dimensionné
pour le débit total nominal et pour vaincre les pertes de charge du cirN
cuit le plus défavorisé, c’est-à-dire aux pertes de charge les plus éleN
vées. Les autres circuits présentant des pertes de charge plus faibles
sont donc soumis à une pression différentielle trop importante, généN
rant des surdébits.
Neuf-Rénovation
L’équilibrage hydraulique consiste à mettre en place des organes de
réglage pour équilibrer les pertes de charge des circuits (Figure 8-1) et
ainsi répartir les débits.
72
s Figure 8-1 : Principe de l’équilibrage hydraulique
Afin d’assurer le débit nominal calculé dans chaque émetteur, des
organes d’équilibrage doivent être placés à chaque niveau de la disN
tribution (Figure 8-2) : distribution principale (1er niveau), colonne (2ème
niveau), branche horizontale (3ème niveau) et émetteur (4ème niveau).
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
En chauffage, par exemple, l’absence d’équilibrage conduit à un déséquilibre
hydraulique à l’origine d’un déséquilibre thermique dans les locaux caractérisé
par une disparité des températures ambiantes. Afin d’assurer une température
suffisante, la courbe de chauffe du régulateur en fonction de l’extérieur est décaN
lée vers le haut pour alimenter les émetteurs à des températures d’eau plus éleN
vées et/ou le débit de circulation est augmentée, d’où des surconsommations.
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Note
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 8-2 : Définition des niveaux d’équilibrage
Par exemple, une installation de chauffage doit comporter des organes
d’équilibrage (Figure 8-3) :
• sur la distribution principale afin de pouvoir éventuellement
ajuster le point de fonctionnement du circulateur : prévoir une
vanne à mesure de débit afin de vérifier que le débit circulant
dans l’installation est proche du débit calculé ;
• en pied de colonne : afin de permettre une bonne répartition du
débit entre colonnes ;
Neuf-Rénovation
• au niveau des émetteurs (té ou coude de réglage sur les radiaN
teurs) pour permettre une bonne répartition des débits dans la
colonne.
73
PROFESSIONNELS
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 8-3 : Organes d’équilibrage présents sur une installation de chauffage par radiateurs
8.2. • Les organes d’équilibrage
8.2.1. • Les vannes d’équilibrage
Les vannes d’équilibrage sont principalement disposées sur le circuit
principal, en pieds de colonnes et sur les branches du réseau (voire
sur certains émetteurs) (Figure 8-2). Leur réglage par un volant est
gradué en nombre de tours.
Elles sont le plus souvent équipées de prises de pression permettant
le contrôle du débit par le raccordement sur un appareil adapté.
Les vannes d’équilibrage peuvent assurer les fonctions d’isolement
hydraulique et de mémorisation du réglage.
Elles doivent être installées en respectant le sens de circulation indiN
qué par le fabricant sur le corps. L’écoulement est généralement tel
que la pression d’entrée s’oppose à la fermeture pour limiter le bruit
et l’usure.
Neuf-Rénovation
S’agissant d’ajouter une perte de charge, leur emplacement sur le
circuit n’a pas d’incidence. Elles sont toutefois généralement implanN
tées sur le retour des circuits pour limiter les pertes thermiques. Des
coquilles calorifuges préformées sont proposées par les fabricants.
74
Afin d’assurer la précision de la mesure de débit, des longueurs
droites sont à prévoir de part et d’autre de la vanne d’équilibrage. La
(Figure 8-4) indique par exemple une longueur droite amont de cinq
fois le diamètre et aval de deux fois le diamètre. Les indications du
fabricant doivent être suivies.
Il convient de veiller à l’accessibilité des vannes d’équilibrage pour
permettre et faciliter les opérations de réglage et de contrôle. Par ailN
leurs, plusieurs vannes d’équilibrage peuvent être regroupées géoN
graphiquement dans un objectif d’optimisation de l’intervention.
PROGRAMME
s Figure 8-4 : Exemples de longueurs droites en amont et en aval d’une vanne d’équilibrage à mesure
de débit
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROFESSIONNELS
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
8.2.2. • Les organes d’équilibrage des émetteurs
Les tés et coudes de réglage
Les tés et coudes de réglage se composent d’un corps et d’une vis-poinN
teau. Ils se placent en série avec l’émetteur, radiateur par exemple. Le
réglage consiste à fermer l’organe puis à l’ouvrir du nombre de tours
prescrit, ce qui modifie la section de passage. Il est effectué à l’aide
d’un tournevis ou d’une clé à six pans au ¼ de tour près.
Certains organes offrent une possibilité de blocage du réglage au
moyen d’une vis située à l’intérieur de la vis de réglage.
s Figure 8-5 : Réglage du coude de réglage (1) puis blocage (2)
Note
Les robinets avec réglage incorporé
Le réglage peut être réalisé au niveau du robinet thermostatique (ou
du robinet manuel). Ils sont alors désignés robinets double réglage ou
à réglage incorporé.
Neuf-Rénovation
Les organes de réglage peuvent être équipés de prises de pression afin de perN
mettre la mesure du débit (les fabricants proposent les appareils de mesure adapN
tés à leur matériel).
75
PROFESSIONNELS
Sur un robinet thermostatique, le réglage est par exemple effectué
par rotation d’une bague graduée en nombre de tours située sur le
corps du robinet, grâce à une clé spécifique (Figure 8-6).
Le réglage sur le robinet a pour avantage de ne pas être facilement
accessible à l’occupant. Le té ou le coude de réglage, s’il existe, ne
sert que de moyen de fermeture en cas de dépose de l’émetteur.
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 8-6 : Exemple de réglage par rotation d’une bague graduée sur un robinet thermostatique
8.3. • La procédure d’équilibrage
8.3.1. • Les étapes
L’équilibrage hydraulique d’un réseau de distribution de chauffage ou
de climatisation repose impérativement sur des calculs pour sélecN
tionner et calculer les réglages des organes d’équilibrage à mettre en
place.
Les principales étapes d’une opération d’équilibrage sont les
suivantes :
• calculer les débits de chaque circuit, colonne montante, branche
et émetteur ;
• calculer les pertes de charge à assurer par chaque organe
d’équilibrage (cf. 8.3.2) ;
• sélectionner l’organe d’équilibrage et calculer son nombre de
tours de réglage (cf. 8.3.3) ;
• régler sur site les organes aux nombres de tours calculés ;
• vérifier les débits si des organes à mesure de débit sont
présents.
Neuf-Rénovation
8.3.2. • Les calculs
76
Ce chapitre décrit dans le détail les calculs de pertes de charge des
organes d’équilibrage sur une installation équipée de vanne à deux
voies de régulation.
L‘exemple considéré est décrit en (Figure 8-7). Il est composé d’une
colonne composé de 4 circuits correspondant à des émetteurs.
Note
Plus justement, le calcul débute par le circuit le plus défavorisé. C’est celui qui
présente les pertes de charge les plus importantes. Il s’agit généralement du derN
nier circuit de la colonne, le plus éloigné du circulateur.
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
La procédure de calcul consiste à dimensionner le dernier circuit puis
à calculer successivement tous les circuits en amont (les plus proches
du circulateur). La pression différentielle qui est appliquée sur un cirN
cuit dépend en effet de la pression différentielle du circuit aval.
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Le calcul consiste aussi à assurer une autorité suffisante à la vanne de
régulation (cf. 2.3). Or, son dimensionnement doit tenir compte de la
perte de charge de la vanne d’équilibrage, laquelle est choisie en foncN
tion des pertes de charge de cette dernière.
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 8-7 : Exemple de distribution à débit variable
Calcul du dernier circuit
Le calcul commence par le dernier circuit de la colonne, référencé 4.
La mise en place d’un organe d’équilibrage sur ce circuit le plus défaN
vorisé est facultative. Il doit présenter la perte de charge la plus faible
possible pour limiter la HMT du circulateur et être en position maxiN
male d’ouverture. Donc sa perte de charge est connue.
Neuf-Rénovation
Pour respecter une autorité de 0,5, la vanne de régulation doit présenN
ter une perte de charge ΔpV(4) identique à la perte de charge ΔpR(4) du
circuit incluant la perte de charge de l’organe d’équilibrage.
77
PROFESSIONNELS
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 8.8 : Calcul du dernier circuit
Calcul des circuits courants
On utilise l’indice i pour désigner les pertes de charge des circuits 1,
2 et 3. Ces calculs sont généralisables à un nombre quelconque de
circuits.
Afin d’équilibrer les circuits entre eux, le circuit i doit avoir une presN
sion différentielle Δpi équivalente à la pression différentielle du cirN
cuit 4 à laquelle sont ajoutées les pertes de charge des canalisations
depuis le circuit 4.
La vanne de régulation est choisie de façon à ce qu’elle reprenne un
maximum de pression différentielle, c’est-à-dire (Δpi – ΔpR(i)), avec
ΔpR(i), les pertes de charge du circuit émetteur. La vanne étant sélecN
tionnée, sa perte de charge réelle est notée ΔpV(i).
L’organe d’équilibrage est calculé pour que la perte de charge Δpéq(i)
créée permette d’équilibrer la pression différentielle Δpi, soit Δpéq(i) =
Δpi – (ΔpR(i) + ΔpV(i)).
s Figure 8-9 : Calcul des circuits courants
On procède ainsi pour tous les circuits courants, en se rapprochant du
circulateur.
Cette procédure permet d’assurer une autorité suffisante de la vanne
de régulation à deux voies, supérieure à 0,5.
Neuf-Rénovation
Note
78
Si des vannes de régulation à trois voies sont installées sur les circuits, le calcul
est plus simple. La perte de charge de la vanne de régulation doit être proche de
la perte de charge du circuit, sans considérer les pertes de charge de l’organe
d’équilibrage.
L’abaque permet, à partir du débit et de la perte de charge à ajouter,
de déterminer le nombre de tours de réglage.
Il convient de sélectionner un organe d’équilibrage dont le réglage ne
soit pas trop proche de la fermeture pour limiter les phénomènes de
bruit, d’usure et les risques de colmatage.
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
La perte de charge de l’organe d’équilibrage étant déterminée
(cf. 8.3.2), il est sélectionné à partir d’abaques tels que celui de la
(Figure 8-10).
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
8.3.3. • Choix de l’organe d’équilibrage
et détermination du nombre de tours
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Si l’organe d’équilibrage est équipé d’une mesure de débit, le fabriN
cant conseille généralement une perte de charge minimale de l’ordre
de 300 mm eau afin d’obtenir une mesure de différence de pression et
donc de débit qui soit suffisamment précises.
s Figure 8-10 : Exemple d’abaque de détermination du nombre de tours de réglage d’un organe
d’équilibrage
Neuf-Rénovation
Le diamètre de l’organe d’équilibrage choisi est généralement idenN
tique à celui de la canalisation.
79
Les distributions à débit
variable
PROFESSIONNELS
9
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
9.1. • Problématique
Les distributions à débit variable sont sujettes à des variations de
pression différentielle suivant les différentes phases de fonctionneN
ment de l’installation, à charge partielle et à pleine charge.
Ces variations de pression différentielle sont conduisent à :
• des risques de bruits au niveau des émetteurs ;
• des perturbations du fonctionnement des vannes de régulation
terminale.
L’exemple de la (Figure 9-1) met en évidence ces phénomènes pour
quatre circuits identiques alimentés par un circulateur à vitesse
variable paramétré en hauteur manométrique constante.
Neuf-Rénovation
A pleine charge, toutes les vannes à deux voies sont ouvertes et
chaque circuit est alimenté à son débit nominal. La pression différenN
tielle s’appliquant aux circuits décroît selon leur éloignement du fait
des pertes de charge de la distribution (trait continu rouge).
80
A charge partielle, le débit diminue ce qui entraîne une diminution des
pertes de charge des canalisations et une augmentation de la presN
sion différentielle aux bornes des circuits en demande. A l’extrême,
seul le circuit 4 est en demande. Dans ce cas, le débit étant divisé
par 4, les pertes de charge dans les canalisations le sont par 16. Elles
deviennent négligeables : l’intégralité de la hauteur manométrique du
circulateur est appliquée aux bornes du dernier circuit.
Les conséquences sont :
• une pression différentielle élevée appliquée aux bornes de
la vanne de régulation qui perturbent son fonctionnement à
charge partielle ;
Le phénomène serait encore aggravé dans le cas d’un circulateur à
vitesse fixe, la pression différentielle fournie par le circulateur augN
mentant à mesure que le débit diminue.
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
• une éventuelle fermeture de l’organe de régulation pour comN
penser le surdébit. Cette fermeture alors même que le circuit est
en pleine demande engendre une diminution de la course utile
de la vanne de régulation.
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
• un surdébit aux bornes du dernier circuit avec pour conséN
quence une diminution de la chute de température dans l’émetN
teur, ce qui peut s’avérer critique dans le cas d’un retour vers
des groupes frigorifiques par exemple ou peu performant pour
des chaudières à condensation ;
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 9-1 : Mise en évidence des dérives fonctionnelles sur un circuit à débit variable
Note
Le schéma de la (Figure 9-1) est une représentation simplifiée. En effet, toutes les
résistances hydrauliques fixes (vannes d’équilibrage, canalisations...) ont normaN
lement une perte de charge qui diminue à charge partielle.
L’exemple précédent a mis en évidence que les variations de pression
différentielle sont d’autant plus importantes que les pertes de charge
de la distribution sont élevées au vu des pertes de charge globales. A
partir de ce constat, on peut définir l’indicateur suivant :
Neuf-Rénovation
9.2. • Indicateur de dérives fonctionnelles
81
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROFESSIONNELS
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
b=
∆p distribution
H
Avec :
- Δpdistribution : les pertes de charge par la distribution aux condiN
tions nominales de fonctionnement de l’installation ;
- H : la hauteur manométrique du circulateur aux conditions
nominales de fonctionnement de l’installation.
Des simulations ont montré, en première approche, que le risque de
dérive de la pression différentielle est acceptable pour un rapport b
inférieur ou égal à 0,33, c’est-à-dire pour des pertes de charge dans
la distribution qui représentent au plus le tiers des pertes de charge
totales.
Des valeurs de b supérieures à 1/3 sont admissibles, jusqu’à un rapport
de 2/3, à condition de disposer d’un circulateur à vitesse variable, avec
un réglage de hauteur manométrique proportionnelle au débit (cf. 9.3).
Les solutions pour limiter les dérives fonctionnelles lorsque le ratio
b est défavorable sont développées en chapitre 9.3 (cf. 9.3). Elles
consistent à :
• Réduire les pertes de charge de la distribution ;
•Diviser les circuits de distribution.
En dernier lieu, des valeurs de b élevées requièrent la mise en place
de dispositifs de régulation de pression différentielle ou de débit.
Ces solutions ne doivent pas remplacer, mais compléter les actions
de modifications du réseau ; plus particulièrement pour des valeurs
supérieures à 0,75 qui compromettent sévèrement la stabilité hydrauN
lique du réseau et le bon fonctionnement des régulations.
9.3. • Les solutions
Paramétrer le circulateur à vitesse variable en hauteur
manométrique proportionnelle au débit
Neuf-Rénovation
Avec ce réglage, la hauteur manométrique du circulateur diminue de
sa valeur nominale à la moitié de cette valeur (selon le réglage stanN
dard) (cf. 1.5).
82
La hausse de pression différentielle est donc limitée. A contrario, la
pression différentielle dans le réseau évolue à la baisse et peut faire
apparaître des sous-débits dans les premiers circuits à charge partielle.
Opter pour le réglage à hauteur manométrique proportionnelle au
débit assure une limite acceptable de la dérive du débit. Il faut cepenN
dant vérifier que ce dernier reste suffisamment élevé pour alimenter
les émetteurs à charge partielle. Pour ce faire, on peut considérer le
Cette adaptation de la hauteur manométrique permet de maîtriser les
dérives de débits dans des limites acceptables. Elle est surtout intéN
ressante si les besoins des émetteurs varient de façon homogène.
Dans le cas contraire, certains émetteurs ou circuits peuvent être
sous-alimentés.
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
A noter qu’une diminution de 30 % du débit nominal n’entraîne
qu’une baisse de moins de 10 % de la puissance émise pour une effiN
cacité de l’émetteur de 0,30.
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
cas extrême ou seul le premier circuit est en demande et se reporter à
la loi d’émission liant le débit à la puissance émise (cf. 12.6.3).
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 9-2 : Les excès de pression différentielle sont limités lorsque le circulateur à vitesse variable est
paramétré en pression différentielle proportionnelle au débit
Diminuer les pertes de charge de la distribution
Le deuxième facteur influant sur la perte de charge est le choix des
diamètres des conduites. Il est ainsi préconisé d’avoir des pertes de
charge linéiques proches de 10 mm eau/m (cf. 4.2).
A noter que des pertes de charge linéiques plus faibles, de l’ordre
de 5 mm eau/m, peuvent être envisagées. Dans ce cas, il faut évaN
luer le surcoût d’installation et tenir compte d’éventuels problèmes
d’encombrement.
Neuf-Rénovation
Le débit nominal constitue le premier facteur de maîtrise des pertes
de charge. Il faut commencer par fixer des débits nominaux au juste
nécessaire, sans appliquer de facteur de surpuissance. Cependant,
la réduction des débits doit respecter certaines limites. En effet, des
vitesses de circulation trop faibles ont pour conséquence un risque
d’embouage des réseaux plus élevé et des pertes thermiques plus
importantes.
83
PROFESSIONNELS
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
En limitant les pertes de charge dans la distribution, le fonctionneN
ment des vannes de régulation est amélioré tout en diminuant la
consommation des circulateurs.
Diviser les circuits
Dans le cas de réseaux étendus, une division en plusieurs circuits perN
met de maîtriser les pertes de charge.
La division par 2 de la puissance thermique à transporter sur chaque
circuit permet :
• de réduire de moitié les pertes de charge à vaincre par chaque
circulateur ;
• une meilleure stabilité des organes de régulation du fait d’une
pression différentielle appliquée plus faible ;
• l’adaptation de la durée de fonctionnement de chaque circulaN
teur aux besoins propres des circuits qu’il alimente ;
• de réduire de moitié le débit à fournir pour chaque circulateur.
D’autre part, la division des circuits a pour avantage de faciliter la
mise au point, la maintenance et de permettre une meilleure gestion
des modifications futures sur le réseau.
Neuf-Rénovation
La division des circuits sera d’autant plus efficace qu’elle aura fait
l’objet d’une réflexion globale visant à réduire les coûts et améliorer
les réglages.
84
s Figure 9-3 : Principe de division d’une distribution étendue
Ces produits implantés en série présentent pour inconvénients d’acN
croître les pertes de charge, en particulier sur le circuit de l’émetteur
le plus défavorisé, et donc d’augmenter la hauteur manométrique du
circulateur et par conséquent ses consommations électriques.
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
Les différentes solutions sont présentées en chapitre 3 (cf. 3).
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Pour les réseaux présentant un rapport b élevé, une limitation dynaN
mique des débits devient nécessaire. Les moyens technologiques
sont nombreux : régulateurs de débit, régulateurs de pression difféN
rentielle, nouvelle génération de vannes de régulation intégrant ces
fonctions…
PROGRAMME
Mettre en place des régulateurs de pression différentielle
ou de débit
Neuf-Rénovation
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
85
Concevoir des circuits
optimisés
PROFESSIONNELS
10
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
10.1. • Réduire les pertes thermiques
Les pertes thermiques d’un circuit hydraulique peuvent être réduites
en respectant les règles simples de conception :
• calorifuger les canalisations et les composants hydrauliques ;
• réduire les longueurs des canalisations ;
• limiter le nombre de vannes installées.
Par ailleurs, dans le cas d’une installation comportant plusieurs généN
rateurs, il est impératif d’interrompre la circulation dans les généraN
teurs lorsqu’ils sont à l’arrêt.
10.1.1. • Calorifuger les canalisations
et les composants
Le calorifugeage des canalisations en chaufferie permet de diviser par
10 environ les pertes thermiques.
Neuf-Rénovation
Sur les installations de froid, il évite le réchauffement de l’eau glacée
et la condensation sur les canalisations.
86
Les équipements tels que les vannes et les circulateurs devraient aussi
être calorifugés. Certains fabricants proposent ainsi des coquilles
isolantes pour les circulateurs et des calorifuges préformés pour les
vannes d’équilibrage. Il existe par ailleurs des rehausseurs pour les
poignées de manœuvre des vannes à boisseau sphérique afin de perN
mettre leur calorifuge.
La réduction des longueurs est aussi bénéfique car elle permet de
réduire les pertes de charge. L’autorité des vannes de régulation est
améliorée et les consommations électriques des circulateurs plus
faibles.
Toutefois, des longueurs de conduites suffisantes sont requises en
quelques points du circuit hydraulique :
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
Lors de la conception du circuit hydraulique, il est nécessaire de limiN
ter autant que possible les longueurs des canalisations afin de réduire
les pertes thermiques.
PROGRAMME
10.1.2. • Optimiser les longueurs
de canalisations
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROFESSIONNELS
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
• en amont et en aval des vannes d’équilibrage à mesure de débit
afin d’assurer une mesure satisfaisante (cf. 8.2.1) ;
• en certains emplacements bien choisis afin de permettre la pose
ultérieure de compteurs d’eau ou d’appareils de mesure de
débit.
Note
Les boucles de Tichelmann qui consistent à doubler les canalisations pour équiN
librer les pertes de charge doivent être réservées aux seules installations où elles
s’avèrent effectivement utiles, par exemple face à des générateurs de mêmes
caractéristiques (puissance, pertes de charge). Dans ce cas, elles évitent l’installaN
tion de vannes d’équilibrage en série avec les générateurs.
10.1.3. • Optimiser le nombre de vannes
Les vannes présentes sur le circuit hydraulique sont :
• les vannes d’équilibrage ;
• les vannes d’isolement motorisées (en série avec les généraN
teurs pour interrompre leur irrigation dans le cas d’une gestion
automatisée en séquence selon les besoins) ;
• les vannes d’isolement manuelles.
De plus, afin de limiter les pertes thermiques, il est conseillé de disN
poser les vannes d’équilibrage et les vannes d’isolement sur le retour,
où la température est la moins élevée en chauffage et où la tempéraN
ture est la plus élevée en production de froid.
La (Figure 10-1) montre les vannes d’équilibrage superflues sur un
circuit de production de chauffage : sur la voie bipasse de la vanne
à trois voies (cf. 2.3.4) et sur le circuit commun des générateurs (le
débit est déjà réglé par une vanne d’équilibrage en série avec chaque
chaudière).
Neuf-Rénovation
Les vannes sont sources de pertes thermiques importantes. Leur
nombre doit être limité. Elles doivent être placées aux seuls endroits
où elles sont réellement nécessaires, sans redondance.
87
PROFESSIONNELS
Les vannes d’isolement motorisées sont placées afin de faciliter les
opérations de rinçage de l’installation et les interventions de mainteN
nance et de remplacement de matériel. Leur nombre peur être optiN
misé en considérant que la fonction d’isolement peut être assurée
par les vannes d’équilibrage et les vannes d’isolement motorisées qui
intègrent une commande manuelle.
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 10-1 : Emplacements conseillés des vannes d’équilibrage pour un circuit de chaufferie
Note
Il est recommandé de choisir des vannes taraudées plutôt que des vannes à
brides pour leurs plus faibles pertes thermiques.
10.2. • Réduire les débits
Des débits plus élevés que nécessaire sont fréquemment constatés
sur les installations.
Ils engendrent des consommations électriques des circulateurs plus
élevées et des écarts de température plus faibles (à puissance égale).
Ces derniers induisent des températures de retour plus élevées à la
chaudière à condensation et au groupe frigorifique, ce qui n’est pas
favorable à leur performance.
Les surdébits sont liés à des surpuissances à la conception ou au
mauvais réglage des circulateurs.
Neuf-Rénovation
On notera qu’un débit plus élevé que le débit nominal est inutile : mulN
tiplier par deux le débit augmente d’à peine 10 % la puissance émise
(cf. 12.6.3).
88
Une enquête menée par le COSTIC avait montré que le débit dans des
installations de chauffage se trouvait couramment 2,5 fois plus élevé
que le débit suffisant. Or, diviser le débit par 2,5 conduit à fournir à
l’eau une puissance mécanique plus de 6 fois plus faible.
Le coefficient de surpuissance doit donc rester raisonnable (jusqu’à 10 %)
et est à réserver à des installations au fonctionnement intermittent.
La limitation de la puissance installée permet en effet de réduire
les coûts des matériels (générateurs, émetteurs, circulateurs…) et
en conséquences les débits et les consommations électriques des
circulateurs.
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
Les déperditions, dans le cas du chauffage, et les charges, dans le cas
de la climatisation, correspondent à des situations extrêmes, dont
l’occurrence n’est que de quelques heures par an.
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
10.2.1. • Réduire les puissances
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Cas des installations de froid
Le calcul des charges du bâtiment est effectué de façon à détermiN
ner la puissance du groupe frigorifique. Or, sa performance est liée
au taux de charge. Lorsqu’il est faible, le groupe fonctionne en courtcycles ce qui nuit à la durée de vie du compresseur et au confort.
Il convient donc de dimensionner la puissance du groupe au plus juste
plutôt que de la surdimensionner, comme cela est fait couramment.
En conséquence, les charges doivent être calculées précisément, sans
les surestimer, sachant que les apports instantanés dus à l'ensoleilleN
ment, aux occupants, à l'éclairage, aux équipements,… sont amortis
et déphasés par l’inertie du local.
Les méthodes simplifiées basées sur un calcul horaire sont à réserver
aux installations de taille réduite. Le recours aux logiciels de simulaN
tion dynamique s’impose sur de plus grands ensembles.
Le groupe frigorifique doit être dimensionné par rapport au maximum
simultané des charges du bâtiment et non à la somme des charges
maximales. En effet, selon l’orientation ou l’occupation, les charges
maximales des différentes zones n’apparaissent pas au même
moment. Ainsi, les locaux situés à l'est subissent un maximum de
charges vers 9 ou 10 heures du matin au moment où les locaux orienN
tés à l'ouest ont des charges peu élevées (leur maximum est atteint
vers 16 ou 17 heures).
10.2.2. • Optimiser la chute de température
• des surfaces d’échange et donc des coûts d’émetteurs qui augN
mentent en diminuant le débit ;
• des coûts d’investissement en matériel (canalisations, vannes,
circulateurs…) qui diminuent avec le débit ;
• des consommations électriques des circulateurs qui diminuent
en diminuant le débit.
Neuf-Rénovation
Le choix du débit est économique. Il doit être déterminé pour miniN
miser le coût global de l’installation en connaissance de cause des
tendances :
89
PROFESSIONNELS
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
De fait, c’est le choix de la chute de température de dimensionnement
des émetteurs (écart de température entre l’entrée et la sortie) qui
constitue le critère. On parle de chute ou de régime nominal.
Cas des installations de chauffage
En chauffage, la chute de température dans les émetteurs doit être
telle qu’elle corresponde à une efficacité de 0,30 qui constitue l’optimum économique.
Le calcul de l’efficacité est rappelé en annexes (cf. 12.6.2).
La (Figure 10-2) fournit les principaux régimes de température respecN
tant cet optimum.
On rappelle par ailleurs qu’une température nominale de départ
basse augmente le rendement de la chaudière et limite les pertes
thermiques des canalisations mais demande des émetteurs de plus
grande surface.
Chutes de température en chauffage
Régime
80-60°C
60-45°C
45-35°C
Efficacité
0,33
0,37
0,40
s Figure 10-2 : Chutes optimales de température en chauffage
Cas des installations de froid
En France, l’écart entre la température de départ et de retour de l’insN
tallation est traditionnellement de 5 K, avec par exemple un régime
d’eau glacée de 7-12°C. Les valeurs d’efficacité sont d’environ 0,25.
Or, ces valeurs ne correspondent pas forcément à un optimum
économique.
Neuf-Rénovation
Des travaux menés au COSTIC ont mis en évidence que l’écart optiN
mal calculé en considérant le coût global de l’installation, c’est-à-dire
les coûts d’investissement (émetteurs, canalisations, circulateurs) et
d’exploitation (consommations électriques des circulateurs), était
supérieur à 5 K. Ainsi, un écart de 7 K réduit la consommation des cirN
culateurs de 40 %.
90
Au-delà des intérêts avancés plus haut, l’augmentation de l’écart de
température et donc la diminution du débit permet de réduire les
quantités de condensats et par conséquent de mieux valoriser l’énerN
gie frigorifique et d’améliorer la qualité de la régulation par une
concavité moindre de l’émission de puissance en fonction du débit et
donc une meilleure progressivité du réglage (cf. 12.6.3).
L’augmentation de l’écart conduit à une hausse du coût des batteries
eau/air par l’augmentation de la surface d’échange. Mais ce surcoût
est généralement compensé par les économies réalisées sur les équiN
pements du réseau.
Au stade du dimensionnement, l’écart optimal doit être recherché
pour une limitation des coûts d’investissement et d’exploitation des
installations.
Chutes de température en eau glacée
Régime
6-11°C
7-12°C
6-16°C
7-17°C
Efficacité
0,25
0,26
0,53
0,56
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
Le tableau de la (figure 10-3) présente des chutes habituelles en France
et des valeurs d’efficacité pour des écarts de température plus élevés.
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
On constate qu’aux Etats-Unis les écarts de température sont beauN
coup plus importants qu'en France. La température de retour est de
13 à 18°C pour un départ à 7°C.
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 10-3 : Chutes nominales de température en eau glacée (pour une température d’air à 26°C)
Si l’installation est destinée à contrôler précisément l’hygrométrie, il faut vérifier que la déshumidification reste suffisante avec des chutes de température plus importantes.
Neuf-Rénovation
!
91
Les schémas élémentaires
PROFESSIONNELS
11
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Cette partie constitue une bibliothèque de « schémas élémentaires »
principaux.
Ces schémas élémentaires sont constitués d’une association de comN
posants, ils répondent à une fonction particulière. Ils sont caractérisés
par des contraintes spécifiques.
Les circuits de chauffage, d’eau chaude sanitaire, de climatisation sont
construits par assemblage de ces « briques ».
Chaque schéma élémentaire est présenté sur la base d’un schéma de
principe. Il fait l’objet d’une description de sa conception, en réponse
aux contraintes spécifiques, et de son fonctionnement lié à la régulaN
tion associée. Des exemples d’application sont proposés.
Note
Neuf-Rénovation
Les schémas de ce chapitre sont des schémas de principe. Ils ne comportent pas
tous les équipements nécessaires.
92
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
PROGRAMME
11.1. • Produire par plusieurs générateurs
en parallèle disposant d’un circulateur
individuel en série
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 11-1 : Générateurs en parallèle avec un circulateur par générateur
Les générateurs sont raccordés en parallèle. Chaque générateur est
irrigué par un circulateur en série. Une vanne d'équilibrage est instalN
lée sur le circuit de chaque générateur. Elle permet d’ajuster le point
de fonctionnement du circulateur et d’assurer le débit requis.
La mise en séquence des générateurs selon les besoins nécessite
d’interrompre le débit dans le (ou les) générateur(s) qui ne sont pas
en fonctionnement. Une vanne d’isolement tout ou rien motorisée est
ainsi installée en série avec chaque générateur.
Ce circuit peut être raccordé en direct à la distribution ou bien par l’inN
termédiaire d’un découplage (cf. 5) : bouteille, bipasse…
Dans ce cas d’un découplage, le débit au primaire doit être en perN
manence supérieur au débit secondaire, quel que soit le nombre de
générateurs en fonctionnement.
Certains générateurs (groupes frigorifiques, pompes à chaleur) peuvent
requérir l’installation d’un volume tampon sur le circuit (cf. 6).
Les applications :
• production de chaleur par plusieurs générateurs (chaudières,
pompes à chaleur…)
Ce schéma élémentaire n’est pas requis pour des générateurs sans
contrainte de débit, pour lesquels aucun débit minimum d’irrigation
n’est imposé.
Dans le cas de générateurs qui nécessitent le maintien d’une tempéraN
ture minimale de retour, comme pour les chaudières au bois, la vanne
à deux voies d’isolement motorisée est remplacée par une vanne à
trois voies de régulation (Figure 11-2). Elle est commandée par un
régulateur qui contrôle la température en entrée de chaudière. Elle
Neuf-Rénovation
•production de froid par plusieurs générateurs (groupes
frigorifiques…)
93
PROFESSIONNELS
assure le mélange d’eau de retour de la distribution et d’eau chaude
préparée par la chaudière.
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 11-2 : Vanne à trois de régulation en place sur une chaudière afin d’assurer une température
d’eau minimale en entrée
11.2. • Produire par plusieurs générateurs
en parallèle disposant d’un circulateur
commun
s Figure 11-3 : Générateurs en parallèle avec un circulateur commun
Les générateurs sont raccordés en parallèle. Ils disposent d’un circulaN
teur commun.
Une vanne d'équilibrage est installée sur le circuit de chaque généraN
teur. Elle permet d’assurer le débit requis.
Neuf-Rénovation
Note
94
La mise en place d’une boucle de Tichelmann consiste à doubler les canalisations
de départ ou de retour afin d’équilibrer les pertes de charge des canalisations,
dans un objectif d’équilibrer les débits dans chaque générateur. Cette solution est
limitée aux chaudières qui présentent des pertes de charge identiques.
La mise en séquence des générateurs selon les besoins nécessite
d’interrompre le débit dans le (ou les) générateur(s) qui ne sont pas
• de choisir le circulateur pour que son point de fonctionnement
reste en permanence dans une zone acceptable ;
• de vérifier que le débit dans les générateurs reste dans les
limites acceptables.
Ce circuit peut être raccordé en direct à la distribution ou bien par l’inN
termédiaire d’un découplage (cf. 5) : bouteille, bipasse…
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
S’agissant généralement d’un ciculateur à vitesse constante, selon le
nombre de générateurs irrigués, le point de fonctionnement du circuN
lateur se déplace. Ainsi, le débit dans un générateur varie suivant qu’il
est seul irrigué ou non. Ce constat implique :
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
en fonctionnement. Une vanne d’isolement tout ou rien motorisée est
ainsi installée en série avec chaque générateur.
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Dans ce cas d’un découplage, le débit au primaire doit être en perN
manence supérieur au débit secondaire, quel que soit le nombre de
générateurs en fonctionnement.
Les applications concernent la production de chaleur par plusieurs
générateurs (chaudières, pompes à chaleur…). Ce schéma n’est pas
requis pour des générateurs sans contrainte de débit, pour lesquels
un débit minimum d’irrigation n’est pas imposé.
Ce schéma n’est pas conseillé pour des générateurs tels que les
groupes frigorifiques qui nécessitent un débit constant.
11.3. • Réguler la température au départ
d’une installation de chauffage
s Figure 11-4 : Régulation centralisée de la température de départ d’une installation
Dans une installation de chauffage ou de climatisation, ce schéma
consiste à faire varier la température d’eau au départ de la distribution.
• installations de chauffage par radiateurs, planchers chauffants ;
Neuf-Rénovation
La vanne à trois voies de régulation est montée en mélange. Elle
soutire un débit variable à la production. Par exemple, elle assure le
mélange d’eau chaude en provenance de la production et d’eau à plus
basse température de retour des émetteurs.
• installations de ventilo-convecteurs…
95
La vanne à trois voies est commandée par un régulateur en fonction
de l’extérieur afin d’adapter la puissance aux besoins.
Les applications :
PROFESSIONNELS
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Le schéma de la (Figure 11-5) réalise un abaissement de la tempéraN
ture d’alimentation de la distribution en réalisant un mélange en parN
tie supérieure du bipasse.
Il est utilisé dans le cas d’émetteurs à basse température (planchers
chauffants par exemple) lorsque la production est à température
plus élevée, nécessaire pour la distribution d’émetteurs à plus haute
température.
Ce schéma permet d’assurer un fonctionnement de la vanne de réguN
lation sur toute sa plage d’ouverture. Le débit doit être ascendant
dans le bipasse. En conséquence, le débit au primaire du bipasse doit
être inférieur au débit au secondaire. Un réglage doit être opéré.
s Figure 11-5 : Abaissement de température au moyen d’un bipasse pour alimenter un circuit de
chauffage à basse température
11.4. • Réguler la puissance d’un émetteur
par variation de débit
s Figure 11-6 : Régulation de puissance d’un émetteur par variation de débit, à température
d’alimentation constante : solution avec vanne à deux voies de régulation
Ce montage permet d’assurer la régulation terminale au niveau des
émetteurs. L’émetteur est alimenté à température constante. Le débit
le parcourant est variable, permettant ainsi la variation de puissance
selon les besoins.
Neuf-Rénovation
L’usage d’une vanne de régulation à deux voies rend effective la variaN
tion de vitesse du circulateur du circuit d’alimentation et donc les
réductions de consommations électriques.
96
Les applications :
• régulation terminale de ventilo-convecteurs, de batteries de
centrales de traitement d’air…
• régulation terminale d’émetteurs de chauffage : planchers
chauffants, radiateurs (robinets thermostatiques)…
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
PROGRAMME
Dans le schéma de la (Figure 11-7), la vanne à deux voies de régulation
est remplacée par une vanne à trois voies. Le débit soutiré au réseau
de distribution est constant (ne permettant pas la variation de vitesse
du circulateur). Par ailleurs, l’inconvénient réside dans le recyclage
d’eau vers la production, ce qui est défavorable par exemple dans le
cas de chaudières à condensation (réchauffage des températures de
retour).
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 11-7 : Régulation de puissance d’un émetteur par variation de débit, à température
d’alimentation constante : solution avec vanne à trois voies de régulation
11.5. • Produire l’eau chaude sanitaire
avec un ballon échangeur
s Figure 11-8 : Production d’ECS avec ballon échangeur
L'eau chaude sanitaire est produite par l'intermédiaire d'un balN
lon comportant un échangeur immergé ou plus rarement à
double-enveloppe.
La puissance des échangeurs est relativement importante en regard
de leur volume si bien que les temps de reconstitution du stockage
sont relativement rapides, généralement inférieurs à une heure. Cela
permet de réaliser une recharge du ballon prioritairement par rapport
au chauffage, sans impacter le confort thermique.
Neuf-Rénovation
Lorsque la température dans le stockage descend en dessous de la
valeur de consigne fixée, le circulateur de charge du ballon est enclenN
ché et le chauffage est interrompu.
97
PROFESSIONNELS
11.6. • Produire l’eau chaude sanitaire
en instantané
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure 11-9 : Production d’ECS instantanée
L’eau chaude sanitaire est généralement produite par l'intermédiaire
d'un échangeur à plaques du fait de sa compacité et de sa rapidité
de montée en température. Ce système permet de limiter les pertes
thermiques et le volume des ballons, mais nécessite une puissance de
production très importante.
La vanne à trois voies montée en mélange permet de faire varier la
température à l’entrée de l’échangeur pour moduler sa puissance. Sur
les dernières générations d’échangeur, le débit primaire est égaleN
ment modulé grâce à l’usage d’un circulateur à vitesse variable. Cela
permet d’avoir de plus faibles températures de retour.
11.7. • Produire l’eau chaude sanitaire
par un échangeur associé à un stockage
s Figure 11-10 : Production d’ECS par échangeur associé à un stockage
Neuf-Rénovation
L’association d’un échangeur à plaques et d'un ou plusieurs ballons
tampon permet d’assurer une production d’ECS de type semi-insN
tantané ou semi-accumulé. En semi-accumulé, le stockage est plus
important qu’en semi-instantané.
98
Ce système nécessite une puissance plus faible que les systèmes insN
tantanés. En effet, les fortes demandes d’ECS sont assurées à la fois
par l’échangeur et par le ballon.
Durant les pointes, l’eau froide passe à travers l’échangeur et le ballon
qui ainsi se décharge.
En dehors des fortes demandes, le circulateur de charge permet de
reconstituer le stockage. L’eau du ballon et l’eau froide passent à
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
La vanne à trois voies montée en mélange permet de faire varier la
température à l’entrée de l’échangeur pour moduler sa puissance. Sur
les dernières générations d’échangeur, le débit primaire est égaleN
ment modulé grâce à l’usage d’un circulateur à vitesse variable.
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Il est impératif que le débit du circulateur de charge des ballons tamN
pons soit supérieur au débit de bouclage pour permettre la recharge
des ballons.
PROGRAMME
travers l’échangeur pour être réchauffées. Le circulateur de charge
peut être éventuellement arrêté après la charge du ballon.
Neuf-Rénovation
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
99
12
Annexes
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROFESSIONNELS
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
12.1. • Conversion des unités
Dans ce guide, les pressions sont exprimées en mètre d’eau (noté m
eau) et les débits en mètre cube par heure (m3/h).
La (Figure A1) présente les tableaux de conversion des unités de presN
sion et de débit.
Exemples de conversion :
•1 bar équivaut à 105 Pa ou à 10,2 m eau ;
1 m3/h équivaut à 103 l/h ou 0,278 l/s.
•
Unités de PRESSION
bar
m eau
mm eau
Pascal
Pa
=
10
10
1,02 x 10
0,102
kPa
103
=
10-2
0,102
1,02 x 102
bar
bar
105
102
=
10,2
1,02 x 104
m eau
9,81 x 103
9,81
0,0981
=
103
mm eau
9,81
9,81 x 10-3
9,81 x 10-5
10-3
=
millimètre
d’eau
Unités de DEBIT
mètre cube
par heure
litre par
heure
Neuf-Rénovation
kPa
kilopascal
mètre d’eau
100
Pa
mètre cube
par seconde
litre par
seconde
-3
-5
-4
m3/h
l/h
m3/s
l/s
m3/h
=
103
2,78 x 10-4
0,278
l/h
10-3
=
2,78 x 10-7
2,78 x 10-4
m3/s
3600
3,6 x 106
=
103
l/s
3,6
3600
10-3
=
s Figure A1 : Tableaux de conversion des unités de pression et de débit
SYMBOLE
VA
SYMBOLE
SIGNIFICATION
Vanne directionnelle
tout ou rien motorisée
M
Vanne à trois voies de régulation
progressive
Té de réglage de radiateur
Vanne tout ou rien motorisée
M
Vanne à deux voies de régulation
progressive
Vase d'expansion
Soupape de pression différentielle
Vanne d'équilibrage
Vanne d'isolement
Robinet thermostatique
Groupe de raccordement
pour vase d'expansion
Ballon échangeur ECS
Appoint électrique
Plancher chauffant
Ensemble de protection
comprenant disconnecteur,
vanne d'arrêt, filtre
Radiateur
Bouteille de découplage
Chaudière
Régulateur
en fonction de l'extérieur
Régulateur pour boucle fermée
Sonde de température
(sortie analogique)
Pot de décantation
Thermostat de sécurité
(sortie tout ou rien)
T
SYMBOLE
T
SIGNIFICATION
Circulateur
Filtre à tamis
Volume tampon à deux piquages
Volume tampon à quatre piquages
Purgeur automatique
Soupape de sécurité
Echangeur eau-eau
Clapet anti-retour
PAC
DES
Sonde de température extérieure
Pompe à chaleur
Groupe de sécurité comprenant
robinet d'arrêt, clapet anti-retour,
soupape de sécurité et dispositif
de vidange
s Figure A2 : Symboles des composants
12.3. • Lois fondamentales
Ce chapitre rappelle les deux lois fondamentales de l’hydraulique : la
proportionnalité des débits et la loi des mélanges.
Proportionnalité des débits
La répartition des débits dans des circuits en parallèle suit une règle
de proportionnalité. Toute modification de débit en amont d’une dériN
vation a un effet identique sur tous les débits en aval : la répartition
du débit entre les différentes branches reste inchangée.
Par exemple (Figure A3), pour un débit principal q d’un circuit de 1 m3/h,
la répartition de débit au point de dérivation est de 60 % du débit q dans
la branche 1 (soit 0,6 m3/h) et 40 % dans la branche 2 (soit 0,4 m3/h).
Neuf-Rénovation
T
SIGNIFICATION
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
Le tableau de la (Figure A2) présente les symboles des composants
hydrauliques et de régulation des schémas.
PROGRAMME
12.2. • Symboles utilisés
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROFESSIONNELS
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
101
PROFESSIONNELS
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Après réglage du débit principal à une valeur de 1,5 m3/h, la proporN
tion de débit dans chaque circuit est conservée. Soit respectivement
1,5 x 0,6 = 0,9 m3/h dans la branche 1 et 1,5 x 0,4 = 0,6 m3/h dans la
branche 2.
s Figure A3 : Illustration de la loi de proportionnalité des débits
Loi des mélanges
La jonction de deux branches définit un point de mélange (Figure A4).
En ce point, la somme des débits « entrants » est égale à la somme
des débits « sortants » et la puissance en entrée est égale à la puisN
sance en sortie :
q1 + q2 = q3
q1 x T1 + q2 x T2 = q3 x T3
s Figure A4 : Illustration de la loi des mélanges
12.4. • Caractéristiques des circulateurs
Un circulateur est déterminé par sa courbe caractéristique d’évolution
de la pression différentielle en fonction du débit.
Les caractéristiques d’évolution du rendement et de la puissance élecN
trique absorbée sont également à considérer (Figure A5).
Le point de fonctionnement optimal d’un circulateur est généralement
choisi en partie centrale de la caractéristique, là où le rendement est
maximal.
On note que :
Neuf-Rénovation
• le débit est proportionnel à la vitesse ;
102
• la pression différentielle est proportionnelle au carré de la vitesse ;
• la puissance électrique est proportionnelle au cube de la vitesse.
q × ∆p
pabs
Avec :
- η, le rendement du circulateur en % ;
- q, le débit au point de fonctionnement considéré en m3/s ;
- ∆p, la pression différentielle au point de fonctionnement
considéré en bar ;
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
η=
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Le rendement d’un circulateur se calcule facilement pour un point de
fonctionnement donné (caractérisé par un débit q et une pression difN
férentielle Δp) en connaissant la puissance électrique absorbée :
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure A5 : Courbes caractéristiques d’un circulateur : pression différentielle, puissance électrique
absorbée et rendement
Neuf-Rénovation
-Pabs, la puissance absorbée au point de fonctionnement
considéré en W (indiquée dans les catalogues des fabricants).
103
PROFESSIONNELS
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
12.5. • Méthode des Z
Par analogie avec l’électricité, il existe une relation entre les pertes de
charge d’une résistance hydraulique et son débit.
Cette approche permet de faciliter les réflexions sur les circuits
hydrauliques complexes.
Le coefficient Z est une donnée caractéristique d’un composant ou
d’une canalisation. Sa valeur est fixe quels que soient le débit et la
pression en présence.
La relation est quadratique entre les pertes de charge d’un réseau et le
débit le parcourant :
∆p = Z × q 2
Avec :
- Δp, les pertes de charge du réseau hydraulique considéré en
m eau ;
- Z, la résistance hydraulique du réseau considéré en m eau/
(m3/h) ;
- q, le débit circulant dans la partie du réseau hydraulique
considérée en m3/h.
Note
La formule fondamentale ci-dessus n’est valable qu’en régime turbulent. Dans
le cas d’un régime d’écoulement laminaire, les pertes de charge varient linéaireN
ment avec le débit.
Association de composants en série
Lorsque des composants sont associés en série :
• ils sont traversés par le même débit ;
• les pertes de charge totales (de l’ensemble) sont égales à
la somme des pertes de charge de chaque composant pris
séparément.
On peut démontrer qu’une association de composants en série est
équivalente à un composant unique dont la résistance hydraulique
serait égale à la somme des résistances hydrauliques des différents
composants pris séparément et traversés par le même débit q :
Neuf-Rénovation
Zéq = (Z1 + Z2 + Z3) et Δpéq = Zéq x q²
104
s Figure A6 : Schéma équivalent à l’association de résistances en série
Note
La résistance équivalente à une association de résistances en série est toujours
de valeur supérieure à celle de la plus grande des résistances combinées.
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
On observe graphiquement que la résistance du circuit équivalent est
plus importante que celles des circuits combinés en série.
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
En (Figure A7), les points de la courbe équivalente sont tracés en somN
mant les pertes de charge Δp1 et Δp2, pour un même débit q (construcN
tion suivant une verticale).
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure A7 : Représentation graphique de l’association de résistances en série
Association de composants en parallèle
Lorsque les composants sont associés en parallèle :
• les pertes de charge de chaque composant sont égales ;
• les débits entrant et sortant sont égaux à la somme des difféN
rents débits parcourant chacun des composants.
On peut démontrer qu’une association de composants en parallèle est
équivalente à un composant unique traversé par la somme des débits
parcourant les différentes branches :
1
1
1
1
+
+
Z1
Z2
Z3
2
et q= q1 + q2 + q3
s Figure A8 : Schéma équivalent à l'association de résistances en parallèle
Neuf-Rénovation
Z éq =
105
PROFESSIONNELS
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
En (Figure A8), les points de la courbe équivalente sont tracés en
sommant les débits q1 et q2 pour une même pression différenN
tielle Δp (construction suivant une horizontale).
On observe graphiquement que la résistance du circuit équivalent
est moins importante que celle des circuits combinés en parallèle : sa
courbe représentative s’est « abaissée ».
Note
La résistance équivalente à une association de résistances en parallèle est touN
jours de valeur inférieure à la plus petite des résistances combinées.
s Figure A9 : Représentation graphique de l’association de résistances en parallèle
Exemples d’applications pratiques du coefficient Z
Exemple 1 : les pertes de charge d’un générateur, d’un échangeur ou
d’un composant quelconque sont en général fournies pour une valeur
de débit spécifiée.
La méthode des Z est utilisée pour déterminer les pertes de charge
pour un débit différent du débit spécifié.
On considère les pertes de charge Δp1 correspondant au composant
parcouru par le débit q1 et Δp2 les pertes de charge du composant parN
couru par le débit q2.
Par exemple, les pertes de charge d'une chaudière sont de 1 m eau
sous un débit de 10 m3/h. Elles sont de 1,44 m eau sous un débit de
12 m3/h car :
Neuf-Rénovation
Δp1 = Z x q1² et Δp2 = Z x q2²
106
donc :
=
Z
∆p2 =
∆p1 ∆ p2
=
q12
q2 2
∆p1 2
1
× q2 = 2 ×122 = 1, 44 m eau
2
q1
10
∆p ∆ p '
=
donc q ' =
q 2 q '2
∆p '
22
×q =
× 1200 = 1330 l / h
∆p
18
Le surdébit dans l’unité terminale est de 130 l/h, soit 11 % du débit
nominal.
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
Le surdébit dans l’unité est déterminé par la méthode des Z :
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Exemple 2 : une unité terminale est calculée pour un débit nominal
q de 1200 l/h sous une pression différentielle Δp de 18 kPa. La vanne
d’équilibrage du circuit concerné n’a pas été réglée et l’unité se trouve
soumise à une pression différentielle Δp’ de 22 kPa.
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
12.6. • Caractéristiques des échangeurs
Ce chapitre présente les caractéristiques générales des échangeurs.
Cette dénomination concerne les émetteurs tels que les radiateurs, les
batteries à eau, les échangeurs de chaleur…
On distingue deux familles d’échangeurs :
• les échangeurs à convection forcée. Les deux fluides qui
échangent sont en mouvement forcés (échangeur eau/eau, batN
terie à eau sur conduit aéraulique…) ;
• les échangeurs dits « statiques » où un seul des deux fluides est
en mouvement forcé (radiateurs, planchers chauffants…).
12.6.1. • Puissance émise par un échangeur
La puissance transmise par un échangeur dépend :
• de l’écart de température entre les deux fluides de part et
d’autre de la paroi d’échange ;
• du coefficient d’échange thermique global.
Elle peut être approchée par la relation suivante :
P = k × ∆Tm
Avec :
- k, le coefficient global d’échange ;
- ΔTm, l’écart moyen logarithmique en K ;
L’écart moyen logarithmique ΔTm représente l’écart moyen entre les
fluides de part et d’autre de la paroi d’échange. Son expression généN
rale prend la forme suivante :
∆Tm =
écart max i - écart min i
écart max i
ln
écart min i
Neuf-Rénovation
-P, la puissance émise en W.
107
PROFESSIONNELS
Les écarts maxi et mini représentent les chutes de température aux
extrémités de l’échangeur.
Par exemple, pour un échangeur co-courant (Figure A10) :
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
∆Tm =
(T1e − T2e ) − (T1s
T1e − T2 e
T1s − T2 s
PROGRAMME
ln
−T2 s )
s Figure A10 : Représentation de l'écart moyen logarithmique dans le cas d'un échangeur co-courant
Lorsque la chute de température au primaire de l’échangeur est inféN
rieure ou égale à 20 K, l’écart logarithmique est proche de l’écart
moyen arithmétique qui s’exprime par :
∆Tm =
écart maxi − écart mini (T1e − T2 e ) − (T1s −T2 s )
=
2
2
Le coefficient d’échange global k est considéré constant pour
les échangeurs à convection forcée ainsi que pour les planchers
chauffants.
Pour le cas des échangeurs statiques, comme les radiateurs, metN
tant en jeu des phénomènes convectifs et/ou radiatifs le coefficient k
dépend des niveaux de température. Il ne peut être considéré comme
constant. Pour modéliser par une relation mathématique qui donne
des résultats suffisamment proches de la réalité, le coefficient k est
conservé constant mais un exposant n différent de 1 affecte l’écart
moyen ΔTm :
P = k × ∆Tm n
Neuf-Rénovation
Pour les radiateurs, le coefficient n est spécifique au modèle. Il est
appelé coefficient de pente en température. Il est de l’ordre de 1,3.
108
Il est fourni par le fabricant pour la valeur de puissance normative corN
respondant au régime d’eau 75-65°C et une ambiance à 20°C (selon la
norme NF EN 442).
La valeur du coefficient n permet de déterminer la puissance sous un
autre régime de température d’eau ou une autre température ambiante.
n
× P1 =
50
40
1,32
× 800 = 596 W
12.6.2. • Efficacité d’un échangeur
L’une des caractéristiques conditionnant le comportement d’un échanN
geur est son efficacité ε.
Elle s’exprime par le rapport entre la chute (ou l’élévation) de tempéN
rature subie par le fluide considéré (par exemple le fluide primaire) et
la chute (ou l’élévation) maximale possible dans un échangeur idéal,
c’est-à-dire l’écart des températures d’entrée des deux fluides :
ε =
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
∆Tm2
P2
=
∆Tm1
P1
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Par exemple, pour un radiateur de puissance P1 de 800 W donnée
pour ΔTm1 de 50 K et caractérisée par un coefficient n de 1,32, l’émisN
sion pour ΔTm2 de 40 K est de :
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
chute au primaire
écart de température à l ' entrée
Dans le cas d’un émetteur tel qu’un radiateur, l’efficacité s’exprime
sous la forme suivante :
ε=
Te − Ts
Te − Ta
Avec :
-Te, la température d’entrée d’eau dans l’émetteur en °C ;
-Ts, la température de sortie d’eau dans l’émetteur en °C ;
-Ta, la température de l’air ambiant en °C.
Le terme (Te-Ts) correspond à l’écart de température sur l’eau, appelé
« chute » de température en chauffage. Le terme (Te-Ta) correspond
à l’écart de température à l’entrée du radiateur, entre la température
d’eau et la température ambiante, soit l’écart maximal.
L’efficacité est calculée pour les conditions de températures nominales
de l’installation.
Le tableau de la (Figure A11) fournit les valeurs d’efficacité pour des
régimes de températures courants. Une réflexion est menée en chaN
pitre 10.2.2 sur la valeur de chute optimale (cf. 10.2.2).
Calcul
Efficacité nominale
Radiateur alimenté en régime 80-60°C
(ambiance à 20°C)
ε=
80 − 60
80 − 20
ε = 0, 33
Radiateur basse température alimenté
en régime 60-45°C (ambiance à 20°C)
ε=
60 − 45
60 − 20
ε = 0, 37
Plancher chauffant alimenté en régime
45-35°C (ambiance à 20°C)
ε=
45 − 35
45 − 20
ε = 0, 40
Neuf-Rénovation
Régime de température
109
PROFESSIONNELS
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Régime de température
Calcul
Efficacité nominale
Batterie froide alimentée en régime
6-11°C (air à 26°C)
ε=
11 − 6
26 − 6
ε = 0, 25
Batterie froide alimentée en régime
7-12°C (air à 26°C)
ε=
12 − 7
26 − 7
ε = 0, 26
s Figure A11 : Valeurs d’efficacité pour des régimes de température de dimensionnement courants
12.6.3. • Caractéristique d’émission
d’un échangeur
La puissance émise par un échangeur varie en fonction du débit qui
l’irrigue selon les caractéristiques d’évolution de la (Figure A12). Leur
courbure dépend de l’efficacité de l’échangeur.
Les courbes sont d’allure similaire pour un réglage de puissance par
variation de température au moyen d’un mélange et donc du rapport
de débit de mélange. Toutefois, dans ce cas, les concavités sont moins
prononcées.
Neuf-Rénovation
Notons que l’allure des courbes diffère peu dans le cas d’émetteurs à
loi non-linéaire tels que les radiateurs.
110
s Figure A12 : Evolution de puissance relative en fonction du débit et de l’efficacité
La forme de ces évolutions a plusieurs conséquences :
• la nécessité de choisir une vanne de régulation de caractérisN
tique appropriée et correctement dimensionnée (notion d’autoN
rité, cf. 2.3.2) qui doit compenser la concavité de l’échangeur
La (figure A12) permet de constater, par exemple pour une efficacité ε
de 0,3 :
• qu’un débit deux fois supérieur au débit nominal augmente la
puissance d’à peine 10 % ;
• qu’un sous-débit de 20 % réduit la puissance de moins de 5 %.
Ainsi, le débit peut être réduit sans risquer une influence forte sur la
puissance émise, tout en réduisant les coûts de circulation (consomN
mations électriques des circulateurs). Un surdébit est inutile.
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
• le dimensionnement de l’émetteur pour une efficacité optimale
(cf. 12.6.2) qui n’engendre pas une courbure trop prononcée.
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
afin d’obtenir une évolution de puissance progressive selon
l’ouverture de la vanne ;
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Les tableaux des (Figure A13) et (Figure A14) permettent de définir des
plages de variation acceptables pour le débit, respectivement pour un
réglage par variation de température au moyen d’un mélange et par
variation de débit.
Ils sont utilisés pour une meilleure maîtrise des débits en connaisN
sance de cause de l’incidence sur la puissance :
• pour réduire le débit s’il est supérieur à la valeur nominale
calculée ;
• pour augmenter le débit, sur une installation existante, en cas
de manque de puissance causé par un déficit de débit.
Par exemple, pour une efficacité de 0,3 sur une batterie d’une centrale
alimentée à débit variable (Figure A14), une tolérance sur la puissance
émise de +/– 5 % est obtenue par une variation du débit autour de sa
valeur nominale comprise entre –24 et +40 %.
!
Pour un réglage par variation de débit (Figure A14), les
valeurs présentées ne tiennent pas compte de l’échange
latent dans le cas d’une batterie de refroidissement.
Neuf-Rénovation
On constate qu’une modification de débit se traduit par une variation
de puissance plus conséquente dans le cas d’une régulation par variaN
tion de débit (Figure A14) que dans le cas d’une régulation par variaN
tion de température (Figure A13).
111
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROFESSIONNELS
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Variation de puissance par variation
de température au moyen d’un mélange
Efficacité ε
Tolérances sur le débit nominal q1 selon la tolérance sur la puissance
nominale P
P
-1%
+1%
-2%
+2%
-5%
+5%
0,10
-9%
+11%
-17%
+24%
-34%
+91%
0,20
-5%
+5%
-9%
+11%
-21%
+31%
0,30
-3,5%
+3,5%
-6%
+7%
-15%
+19%
0,40
-2,5%
+2,5%
-5%
+5%
-12%
+14%
0,50
-2%
+2%
-4%
+4%
-10%
+11%
s Figure A13 : Tolérances sur les débits pour le réglage d’une puissance par variation de température au
moyen d’un mélange
Variation de puissance par variation de débit
Efficacité ε
Tolérances sur le débit nominal q selon la tolérance sur la puissance
nominale P
P
-1%
+1%
-2%
+2%
-5%
+5%
0,10
-16%
+24%
-28%
+62%
-50%
(x19)
0,20
-9%
+20%
-16%
+22%
-33%
+82%
0,30
-6%
+6%
-11%
+13%
-24%
+40%
0,40
-4%
+4%
-8%
+9%
-18%
+26%
0,50
-3%
+3%
-6%
+7%
-14%
+19%
Neuf-Rénovation
s Figure A14 : Tolérances sur les débits pour le réglage d’une puissance par variation de débit
112
• aux frottements contre la paroi interne de la canalisation, on
parle de pertes de charge linéiques ;
• aux résistances provoquées par les singularités de parcours
(variation de section, coudes, organes de réglage, autres comN
posants...), on parle de pertes de charge singulières.
12.7.1. • Les pertes de charge linéiques
Les pertes de charge linéiques sont proportionnelles à la longueur de
canalisation droite. Elles sont généralement calculées par la formule
suivante :
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
Les pertes de charge d’un circuit hydraulique sont liées :
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
12.7. • Calcul des pertes de charge
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
∆plinéique = j × l
Avec :
- Δplinéique, les pertes de charge linéiques en mm eau ;
- J, le coefficient de pertes de charge linéiques en mm eau/m ;
- L, la longueur de canalisation en m.
Le coefficient de pertes de charge linéiques « j » est fonction de la
nature de la canalisation et de la vitesse du fluide véhiculé.
Il est généralement déterminé à partir d’abaques spécifiques pour les
canalisations en cuivre, en acier et en matériau de synthèse. La lecN
ture des diagrammes permet de déterminer la valeur de « j » en foncN
tion du débit et du diamètre de la canalisation (Figure A15).
Neuf-Rénovation
Certains diagrammes indiquent également la pression dynamique et
la vitesse.
113
PROFESSIONNELS
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure A15 : Exemple d’utilisation d’un abaque de détermination des pertes de charge linéiques
Les diagrammes sont généralement établis pour de l’eau pure. En
cas d’eau glycolée, une correction doit être appliquée aux pertes de
charge, ainsi qu’au débit, en fonction du pourcentage de monopropyN
lène glycol présent dans l’installation.
Le tableau de la (Figure A16) fournit les coefficients multiplicatifs à
appliquer aux valeurs pour de l’eau pure.
Concentration en antigel
(monopropylène glycol)
30 %
35 %
40 %
45 %
Température de protection (°C)
-16
-20
-25
-30
Coefficient de correction de pertes de
charge
1,15
1,20
1,25
1,30
Coefficient de correction de débit
1,05
1,10
1,10
1,10
s Figure A16 : Coefficients de correction de pertes de charge et de débit pour de l’eau glycolée par
rapport à de l’eau pure (à une température moyenne de 80°C)
Neuf-Rénovation
Si les diagrammes sont édités pour de l’eau à 80°C, il convient d’appliN
quer les coefficients multiplicatifs du tableau de la (Figure A17) pour
des températures moyennes inférieures à ce seuil.
114
1,15
1,40
10
1,10
1,30
40
1,05
1,10
50
1,05
1,05
60-70
1,00
1,00
s Figure A17 : Coefficients de correction de pertes de charge en fonction de la température de l’eau par
rapport à une température moyenne de 80°C
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
4
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Température
moyenne (°C)
Coefficient de correction de pertes de charge
Canalisation
Canalisation
en matériau
en acier
de synthèse
ou en cuivre
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
12.7.2. • Les pertes de charge singulières
Les pertes de charge singulières sont dues à la géométrie interne :
• des singularités courantes (tés, coudes...) ;
• des vannes de régulation et d’équilibrage ;
• des appareils tels que générateurs, échangeurs...
Pertes de charge des singularités courantes
Les singularités courantes sont caractérisées par un coefficient
de pertes de charge singulières noté ξ, sans unité. Leur perte de
charge est déterminée en multipliant ce coefficient par la pression
dynamique :
psin gulières = ξ × pd
La pression dynamique s’exprime par la formule :
pd =
ρ × v²
2× g
Avec :
-pd, la pression dynamique en mm eau ;
- v, la vitesse du fluide en m/s ;
- ρ, la masse volumique du fluide en kg/m3 ;
Les tableaux des (Figure A18) et (Figure A19) donnent respectivement
les valeurs de pression dynamique pour un circuit de chauffage (temN
pérature moyenne de l’eau de 70°C) et un circuit d’eau glacée (tempéN
rature moyenne de l’eau de 9,5°C).
Neuf-Rénovation
- g, l’accélération de la pesanteur (égale à 9,81 m/s2).
115
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROFESSIONNELS
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
Pression dynamique pour de l’eau à 70 °C (régime 80/60°C)
(valeur de ρ de 977,6 kg/m3)
Pression
Pression
Pression
Pression
Vitesse dynamique Vitesse
Vitesse
Vitesse
dynadynadyna(en m/s) (en mm (en m/s) mique (en (en m/s) mique (en (en m/s) mique (en
mm eau)
mm eau)
mm eau)
eau)
0,05
0,12
0,37
6,82
0,69
23,72
1,01
50,83
0,07
0,24
0,39
7,58
0,71
25,12
1,03
52,86
0,09
0,40
0,41
8,38
0,73
26,55
1,05
54,93
0,11
0,60
0,43
9,21
0,75
28,03
1,07
57,05
0,13
0,84
0,45
10,09
0,77
29,54
1,09
59,20
0,15
1,12
0,47
11,01
0,79
31,10
1,11
61,39
0,17
1,44
0,49
11,96
0,81
32,69
1,13
63,62
0,19
1,80
0,51
12,96
0,83
34,33
1,15
65,90
0,21
2,20
0,53
14,00
0,85
36,00
1,17
68,21
0,23
2,64
0,55
15,07
0,87
37,71
1,19
70,56
0,25
3,11
0,57
16,19
0,89
39,47
1,21
72,95
0,27
3,63
0,59
17,34
0,91
41,26
1,23
75,38
0,29
4,19
0,61
18,54
0,93
43,10
1,25
77,85
0,31
4,79
0,63
19,78
0,95
44,97
1,27
80,37
0,33
5,43
0,65
21,05
0,97
46,88
1,29
82,92
0,35
6,10
0,67
22,37
0,99
48,84
1,31
85,51
s Figure A18 : Pressions dynamiques calculées pour un circuit de chauffage pour différentes valeurs de
vitesse
Neuf-Rénovation
116
0,13
0,37
6,98
0,69
24,26
1,01
51,98
0,07
0,25
0,39
7,75
0,71
25,69
1,03
54,06
0,09
0,41
0,41
8,57
0,73
27,16
1,05
56,18
0,11
0,62
0,43
9,42
0,75
28,66
1,07
58,34
0,13
0,86
0,45
10,32
0,77
30,21
1,09
60,54
0,15
1,15
0,47
11,26
0,79
31,80
1,11
62,79
0,17
1,47
0,49
12,24
0,81
33,43
1,13
65,07
0,19
1,84
0,51
13,25
0,83
35,11
1,15
67,39
0,21
2,25
0,53
14,31
0,85
36,82
1,17
69,76
0,23
2,70
0,55
15,41
0,87
38,57
1,19
72,16
0,25
3,18
0,57
16,56
0,89
40,36
1,21
74,61
0,27
3,71
0,59
17,74
0,91
42,20
1,23
77,09
0,29
4,29
0,61
18,96
0,93
44,07
1,25
79,62
0,31
4,90
0,63
20,23
0,95
45,99
1,27
82,19
0,33
5,55
0,65
21,53
0,97
47,95
1,29
84,80
0,35
6,24
0,67
22,88
0,99
49,94
1,31
87,45
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
0,05
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Pression dynamique pour de l’eau à 9,5°C (régime 7/12°C)
(valeur de ρ de 998,8 kg/m3)
Pression
Pression
Pression
Pression
Vitesse dynamique Vitesse
Vitesse
Vitesse
dynadynadyna(en m/s) (en mm (en m/s) mique (en (en m/s) mique (en (en m/s) mique (en
mm eau)
mm eau)
mm eau)
eau)
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure A19 : Pressions dynamiques calculées pour un circuit d’eau glacée pour différentes valeurs de
vitesse
Neuf-Rénovation
Le coefficient de pertes de charge singulières dépend principalement
de la nature de l’obstacle et de ses dimensions géométriques. Les
valeurs de ξ pour les singularités les plus courantes sont données
dans les tableaux des (Figure A20) et (Figure A21). Elles sont à consiN
dérer en l’absence de données spécifiques.
117
PROFESSIONNELS
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Neuf-Rénovation
s Figure A20 : Coefficients de pertes de charge singulières ξ pour des coudes
118
s Figure A21 : Coefficients de pertes de charge singulières ξ au droit de jonctions de canalisations
Pour un débit donné, la perte de charge d’une vanne s’exprime donc
par la formule :
q
∆p =
Kv
2
Si l’eau n’a pas une masse volumique de 1000 kg/m3, la relation
devient :
q
∆p =
Kv
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
Les vannes, de régulation notamment, sont caractérisées par une
valeur de KV. Le KV est le débit en m3/h traversant une vanne soumise
à une pression différentielle de 1 bar (cf. 2.2).
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Pertes de charge des vannes
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
2
× ρ / 1000
Avec :
- Δp, la perte de charge en bar ;
- q, le débit en m3/h ;
- Kv, la caractéristique de la vanne en m3/h sous 1 bar ;
- ρ, la masse volumique du fluide en kg/m3.
!
Dans les formules, les pertes de charge sont exprimées en
bar et le débit en m3/h.
Pertes de charge des appareils
La perte de charge d’un appareil est généralement indiquée par le
fabricant pour une valeur de débit spécifiée.
Les pertes de charge sont calculées pour un autre débit grâce à la forN
mule des Z (cf. 12.5) par la relation suivante :
∆p2 =
∆p1 2
× q2
q12
!
Dans la formule, les valeurs de pertes de charge et de débits
doivent être exprimées respectivement dans les mêmes
unités.
Neuf-Rénovation
Sachant que l’on considère les pertes de charge Δp1 correspondant à
l’appareil parcouru par le débit q1 et Δp2 les pertes de charge de l’apN
pareil parcouru par le débit q2.
119
PROFESSIONNELS
12.8. • Les architectures de distribution
Le monotube dérivé
La distribution en monotube dérivé consiste à irriguer les différents
émetteurs par une fraction du débit de la boucle. La dérivation est
généralement assurée par un robinet à vanne quatre voies spécifique.
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure A22 : Distribution monotube dérivée
Dans cette configuration, la température à l’entrée d’un émetteur
dépend de l’émission de ceux qui le précèdent. Il est donc préférable
d’alimenter en premier les émetteurs les plus puissants.
Par ailleurs, il est conseillé :
• de limiter la puissance émise par boucle et donc le nombre
d’émetteurs (entre 5 et 8 au maximum) ;
• de choisir un rapport de dérivation (débit de l’émetteur/débit de
la boucle) compris entre 0,2 et 0,50.
A noter qu’un réseau monotube ne comporte pas d’organe d’équiliN
brage au niveau des émetteurs.
Il présente l’intérêt de limiter les longueurs de conduites et les pertes
thermiques.
Note
Le monotube série dans lequel la totalité du débit passe par l’émetteur n’existe
plus car il ne permet pas la mise en place d’une régulation terminale (robinet
thermostatique).
Neuf-Rénovation
!
120
La température d’entrée au niveau des émetteurs n’est
pas constante. Il faut tenir compte de cette donnée lors du
dimensionnement des émetteurs.
Le bitube
En distribution bitube, les émetteurs desservis sont alimentés à une
température d’eau identique.
La distribution bitube se compose classiquement d’une canalisation
d’amenée d’eau chaude et d’une canalisation de retour (d’où la dénoN
mination bitube). En collectif, les canalisations pour la distribution se
ramifient en plusieurs colonnes.
s Figure A23 : Distribution bitube
On distingue les distributions bitubes de type parapluie ou chandelle.
La distribution parapluie consiste en une distribution verticale par le
haut. Elle comporte plusieurs colonnes descendantes.
PROFESSIONNELS
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
La répartition des débits dans les émetteurs doit être assurée en équiN
librant les différentes branches du réseau.
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
Pour une distribution de type chandelle, la distribution est verticale
par le bas. Elle comporte plusieurs colonnes montantes.
s Figure A24 : Distribution bitube en parapluie (à gauche) et en chandelle (à droite)
!
L’équilibrage des débits dans les réseaux est indispensable
au fonctionnement de l’installation.
L’hydrocâblé
La distribution hydrocâblée consiste à raccorder chaque émetteur par
une boucle indépendante. Comme en bitube, tous les émetteurs sont
irrigués à une température d’eau identique.
L’intérêt de l’hydrocâblé réside dans l’interruption du débit dans la
boucle en absence de besoin.
L’opération d’équilibrage est facilitée. Elle est centralisée au niveau
des collecteurs de raccordement.
Neuf-Rénovation
Le principe induit des longueurs de canalisations élevées qui peuvent
engendrer des surchauffes dans les pièces où sont situés les collecN
teurs car la densité de canalisations est alors importante.
121
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROFESSIONNELS
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
s Figure A25 : Distribution hydrocâblée
!
Les distributions hydrocablées présentent des longueurs
de canalisations et une densité de tubes importantes qui
peut conduire à des surchauffes.
Les distributions mixtes chaud/froid
Dans les réseaux 4 tubes, les émetteurs sont alimentés par deux cirN
cuits d’eau indépendants. La présence de deux circuits permet de
chauffer certains locaux et d’en rafraichir d’autres. Cette solution est
caractérisée par un coût élevé lié aux longueurs des canalisations.
s Figure A26 : Distribution 4 tubes
Neuf-Rénovation
Le réseau 2 tubes dessert des émetteurs composés d’une batterie
unique, alimentée en chaud ou en froid. Le dispositif « change-over » perN
met de basculer de la production calorifique à la production frigorifique
et vice-versa. En mi-saison, des inconforts ponctuels peuvent être obserN
vés dans le cas de besoins opposés dans les locaux ou de besoins de
chauffage et de rafraichissement dans une même journée par exemple.
122
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
PROFESSIONNELS
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
s Figure A27 : Distribution 2 tubes avec « change-over »
Neuf-Rénovation
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
123
Références
PROFESSIONNELS
13
PROGRAMME
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
13.1. • Références réglementaires
■■ Directive européenne 2005/32/CE du 6 juillet 2005 établissant
un cadre pour la fixation d’exigences en matière d’écoconception
applicables aux produits consommateurs d’énergie
■■ Directive européenne 2009/125/CE du 21 octobre 2009 établissant
un cadre pour la fixation d’exigences en matière d’écoconception
applicables aux produits liés à l’énergie
■■ Règlement européen n°641/2009 de la commission du 22 juillet
2009 portant application de la directive 2005/32/CE du parlement
européen et du Conseil concernant les exigences d’écoconcepN
tion applicables aux circulateurs sans presse-étoupe indépendants
et aux circulateurs sans presse-étoupe intégrés dans des produits
■■ Décret du 26 octobre 2010 relatif aux caractéristiques thermiques
et à la performance énergétique des constructions
■■ Décret du 18 mai 2011 relatif aux attestations de prise en compte
de la réglementation thermique et de réalisation d’une étude de faiN
sabilité relative aux approvisionnements en énergie pour les bâtiN
ments neufs ou les parties nouvelles de bâtiments
Neuf-Rénovation
■■ Décret du 28 décembre 2012 relatif aux caractéristiques thermiques
et à la performance énergétique des constructions de bâtiments
124
■■ Arrêté du 3 mai 2007 relatif aux caractéristiques thermiques
et à la performance énergétique des bâtiments existants
■■ Arrêté du 26 octobre 2010 relatif aux caractéristiques thermiques
et aux exigences de performance énergétique des bâtiments nouN
veaux et des parties nouvelles de bâtiments
13.2. • Références normatives
■■ NF DTU 45.2 : Travaux d’isolation – Isolation thermique des circuits,
appareils et accessoires de –80°C à +650°C
PROFESSIONNELS
DES
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
■■ Cahier des Clauses Techniques Générales (CCTG) – Marchés
publics de travaux d’installation de génie climatique – N°2015 –
Commission centrale des marchés (abrogé depuis le 1er juillet 2012)
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
■■ Arrêté du 28 décembre 2012 relatif aux caractéristiques thermiques
et aux exigences de performance énergétique des bâtiments nouN
veaux et des parties nouvelles de bâtiments autres que ceux
concernés par l’article 2 du décret du 26 octobre 2010
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
■■ NF DTU 60.5 : Travaux de bâtiment – Canalisations en cuivre –
Distribution d’eau froide et chaude sanitaire, évacuation d’eaux
usées, d’eaux pluviales, installations de génie climatique
■■ NF DTU 60.11 : Règles de calcul des installations de plomberie saniN
taire et des installations d’évacuation d’eau pluviales
■■ NF DTU 60.33 : Canalisations en polychlorure de vinyle non plastiN
fié. Évacuation d’eaux usées et d’eaux vannes
■■ DTU 65.10 : Canalisations d’eau chaude ou froide sous pression
et canalisation d’évacuation des eaux usées et des eaux pluviales
à l’intérieur des bâtiments – Règles générales de mise en œuvre
■■ NF DTU 65.11 : Travaux de bâtiment – Dispositifs de sécurité des insN
tallations de chauffage central concernant le bâtiment
■■ NF DTU 65.12 : Installations solaires thermiques avec des capteurs
vitrés
■■ NF DTU 65.14 : Exécution de planchers chauffants à eau chaude
■■ NF EN 215 : Robinets thermostatiques d’équipement du corps
de chauffe – Exigences et méthodes d’essai
■■ NF EN 442 : Radiateurs et convecteurs – Partie 1 : spécifications
et exigences techniques
■■ NF EN 10216-1 : Tubes sans soudure en acier pour service sous
pression – conditions techniques de livraison – partie 1 : tubes
en acier non allié avec caractéristiques spécifiées à température
ambiante
■■ NF EN 10255 : Tubes en acier non allié soudables et filetables –
conditions techniques de livraison
Neuf-Rénovation
■■ NF EN 1057 : Cuivre et alliages de cuivre – tubes ronds sans souN
dure en cuivre pour l’eau et le gaz dans les applications sanitaires
et de chauffage
125
PROFESSIONNELS
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
DES
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
PROGRAMME
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
■■ NF EN 12828 : Conception des systèmes de chauffage à eau
■■ NF EN 12831 : Système de chauffage dans les bâtiments – Méthode
de calcul des déperditions calorifiques de base
■■ NF EN 14303 : Produits isolants thermiques pour l’équipement
du bâtiment et les installations industrielles – Produits manufactuN
rés à base de laines minérales (MW) – Spécification
■■ NF EN 14304 : Produits isolants thermiques pour l’équipement
du bâtiment et les installations industrielles – Produits manufactuN
rés en mousse élastomère flexible (FEF) – Spécification
■■ NF EN 14305 : Produits isolants thermiques pour l’équipement
du bâtiment et les installations industrielles – Produits manufactuN
rés en verre cellulaire (CG) – Spécification
■■ NF EN 14307 : Produits isolants thermiques pour l’équipement
du bâtiment et les installations industrielles – Produits manufactuN
rés en mousse de polystyrène extrudé (XPS) – Spécification
■■ NF EN 14308 : Produits isolants thermiques pour l’équipement
du bâtiment et les installations industrielles – Produits manufactuN
rés en mousse rigide de polyuréthane (PUR) et en mousse polyisoN
cyanurate (PIR) – Spécification
■■ NF EN 14313 : Produits isolants thermiques pour l’équipement
du bâtiment et les installations industrielles – Produits manufactuN
rés en mousse de polyéthylène (PEF) – Spécification
■■ NF EN 14314 : Produits isolants thermiques pour l’équipement
du bâtiment et les installations industrielles – Produits manufactuN
rés en mousse phénolique (PF) – Spécification
■■ NF EN ISO 15874-2 : Systèmes de canalisations en plastique
pour les installations d’eau chaude et froide – Polypropylène (PP) –
Partie 2 : Tubes
■■ NF EN ISO 15875-2 : Systèmes de canalisations en plastique
pour les installations d’eau chaude et froide – polyéthylène réticulé
(PE-X) – Partie 2 : Tubes
Neuf-Rénovation
■■ NF EN ISO 15876-2 : Systèmes de canalisations en plastique
pour les installations d’eau chaude et froide – Polybutène (PB) –
Partie 2 : Tubes
126
■■ NF EN 16297-1 : Pompes – Pompes rotodynamiques – circulateurs
sans presse-étoupe – Partie 1 : Exigences générales et procédures
pour les essais et le calcul de l’indice d’efficacité énergétique (EEI)
■■ NF EN 16297-2 : Pompes – Pompes rotodynamiques – circulateurs
sans presse-étoupe – Partie 2 : calcul de l’indice d’efficacité énergéN
tique (EEI) pour les circulateurs indépendants
■■ NF EN ISO 23993 : Produits isolants thermiques pour l’équipeN
ment du bâtiment et les installations industrielles – Détermination
de la conductivité thermique utile
PROFESSIONNELS
DES
PROGRAMME
■■ NF EN ISO 12241 : Isolation thermique des équipements du bâtiN
ment et des installations industrielles – Méthodes de calcul
D ’ A C C O M P A G N E M E NT
■■ NF EN 16297-3 : Pompes – Pompes rotodynamiques – circulateurs
sans presse-étoupe – Partie 3 : calcul de l’indice d’efficacité énergéN
tique (EEI) pour les circulateurs intégrés dans des produits
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
CIRCUITS HYDRAULIQUES – COMPOSANTS ET RÈGLES DE CONCEPTION
13.3. • Autres documents
■■ Rééquilibrage des circuits de chauffage, COSTIC, SEDIT Editions, 1996
■■ Chaufferie aide mémoire, COSTIC, Climapoche, 2008
■■ Cahier de notes Savoir-Faire : Circulateurs pour les circuits de chaufN
fage, COSTIC, 2010
■■ Cahier de notes Savoir-Faire : Les équipements de prévention
de l’embouage des circuits de chauffage, COSTIC, 2004
■■ REFCLIM 133 : Schémas-types de circuits hydroniques de chauffeN
rie, COSTIC, 2009
■■ MAP HYDRAULIQUE Guide n°7 : Mise au point des installations
hydrauliques, AICVF, COSTIC, PYC Edition, 1994
■■ Manuel de la régulation, René Cyssau, ACR, SEDIT Edition, 2006
■■ Fondamentaux d’hydraulique pratique, J. La Sala, 2011
■■ Froid indirect pratique, J. La Sala, THETILA Editions, 2009
■■ Mémoclim 2006-1 : Le Mémento du Génie Climatique (tome 1),
Roger Cadiergues, SEDIT Edition, 2006
■■ Mémoclim 2006-2 : Le Mémento du Génie Climatique (tome 2),
Roger Cadiergues, SEDIT Edition, 2006
■■ L’équilibrage hydraulique global, Robert Petitjean, Tour&Andersson
AB, 1994
■■ Diagrammes des pertes de charge linéiques – eau : TUB A : Acier,
COSTIC
: TUB P :
■■ Diagrammes des pertes de charge linéiques – eau Plastique, COSTIC
■■ Conception et dimensionnement
Programme RAGE, Éditeur AQC, 2014
des volumes
tampons,
■■ Bouteilles et bipasses hydrauliques, Fascicule et vidéo, COSTIC, 1991
Neuf-Rénovation
■■ Diagrammes des pertes de charge linéiques – eau : TUB C : Cuivre,
COSTIC
127
PARTENAIRES du Programme
« Règles de l’Art Grenelle
Environnement 2012 »
n Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie
(ADEME) ;
n Association des industries de produits de construction
(AIMCC) ;
n Agence qualité construction (AQC) ;
onfédération de l’artisanat et des petites entreprises
n C
du bâtiment (CAPEB) ;
n Confédération des organismes indépendants de
prévention, de contrôle et d’inspection (COPREC
Construction) ;
n Centre scientifique et technique du bâtiment (CSTB) ;
n Électricité de France (EDF) ;
n Fédération des entreprises publiques locales (EPL) ;
n Fédération française du bâtiment (FFB) ;
n Fédération française des sociétés d’assurance (FFSA) ;
n Fédération des promoteurs immobiliers de France (FPI) ;
n Fédération des syndicats des métiers de la prestation
intellectuelle du Conseil, de l'Ingénierie et du Numérique
(Fédération CINOV) ;
n GDF SUEZ ;
n Ministère de l'Écologie, du Développement Durable et de
l'Énergie ;
n Ministère de l'Égalité des Territoires et du Logement ;
n Plan Bâtiment Durable ;
n SYNTEC Ingénierie ;
n Union nationale des syndicats français d’architectes
(UNSFA) ;
n Union nationale des économistes de la construction
(UNTEC) ;
n Union sociale pour l’habitat (USH).
N
BAT I M
D
UR
ENT
PLA
Les productions du Programme « Règles de l’Art Grenelle
Environnement 2012 » sont le fruit d’un travail collectif
des différents acteurs de la filière bâtiment en France.
ABL
E
GGGGG
CIRCUITS HYDRAULIQUES
COMPOSANTS ET RÈGLES
DE CONCEPTION
NN
S S S SS S
N NNR
SSSSSSSS
RR RRRRR R
R
Ce guide a pour objet de rassembler et mettre à jour les indications éparses et
les règles de l’art de l’hydraulique, à la lumière des contraintes actuelles.
Il fournit les indications de conception et de choix des équipements pour
améliorer l’efficacité énergétique des réseaux : réduction des consommations
des circulateurs, qualités des régulations (vannes, autorité, équilibrage…),
optimisation du fonctionnement.
Les solutions simples peuvent être garantes de ces qualités, à condition
qu’elles soient mises en œuvre en considérant les contraintes spécifiques des
installations. D’autre part, la résolution des problèmes liés à l’hydraulique
doit résulter d’une approche globale ; ceci dans le but de tenir compte des
interactions avec les domaines de la thermique et de l’automatique.
Ce guide traite des réseaux d’eau fermés pour des applications de chauffage,
de production d’eau chaude sanitaire ou d’eau glacée, quelle que soit la
destination : résidentiel et tertiaire, individuel et collectif, neuf et rénové.
Il est structuré en quatre parties :
• Les composants hydrauliques ;
• La conception des installations ;
• Les schémas élémentaires ;
• Les annexes présentant les fondamentaux de l’hydraulique et la bibliographie.
Le guide proposé se veut explicatif, voire pédagogique, et largement illustré.
Il s’adresse, de par son contenu, aux bureaux d’études et entreprises chargés de
la conception et du dimensionnement des circuits hydrauliques. Ce document
de référence est également utile pour les besoins de formation, tant initiale
que continue, et pour le personnel d’exploitation des installations de génie
climatique.
P R O G R A M M E
D ’ A C C O M P A G N E M E N T
D E S
P R O F E S S I O N N E L S
« Règles de l’Art Grenelle Environnement 2012 »
Ce programme est une application du Grenelle Environnement. Il vise à revoir l’ensemble des règles de construction, afin de réaliser des économies d’énergie dans le bâtiment et de réduire les émissions de gaz à effet de serre.
www.reglesdelart-grenelle-environnement-2012.fr
Was this manual useful for you? yes no
Thank you for your participation!

* Your assessment is very important for improving the work of artificial intelligence, which forms the content of this project

Download PDF

advertisement