Manuel de l équilibrage

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1 Manuel de l équilibrage Comprendre l équilibrage d installations de chauffage et de climatisation

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3 1 INTRODUCTION Conséquences dues à un non-respect de l équilibrage hydraulique Inégale émission calorifique Retard de la remontée du chauffage après un abaissement nocturne Problèmes de bruit Les écarts de température requis ne sont pas atteints Problèmes techniques de mesure et de réglage Coûts énergétiques inutilement élevés Un problème et sa solution PRINCIPES DE BASE DE L ÉQUILIBRAGE HYDRAULIQUE Installation statiquement équilibrée Equilibrage statique avec des vannes thermostatiques de radiateur Equilibrage statique avec vannes d équilibrage Installation avec équilibrage dynamique Résumé Stratégies concernant l équilibrage Equilibrage au niveau des consommateurs Equilibrage au niveau du tronçon Méthodes d équilibrage La méthode de la température La méthode proportionnelle Méthode avec contrôle d un tronçon de référence Méthode auxiliaire avec vannes d équilibrage et prises de mesure de la pression La méthode de mesure Honeywell PROCEDURE Travaux préparatoires Détermination des débits nécessaires Influence du système d émission de chaleur Préparatifs sur l installation LA METHODE PROPORTIONNELLE Mesure des débits effectifs Equilibrage des tronçons Réduction sur le quotient R= EXEMPLES DE CALCUL Exemple de détermination de robinets thermostatiques Exemple de détermination d une vanne d équilibrage Exemple de dimensionnement d un régulateur de pression différentielle VUE D ENSEMBLE CONCERNANT LES PRODUITS Kombi-3-plus Notices d utilisation... 26

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5 Introduction 1 INTRODUCTION Les exigences actuelles concernant les installations de chauffage et de climatisation sont multiples. Les utilisateurs finaux demandent à leur installation d être économique. De leur coté, les fabricants doivent proposer des produits performants et facile d utilisation et d installation. Les systèmes surdimensionnés tout comme les installations mal ou pas du tout équilibrés sur un plan hydraulique devraient appartenir au passé. Ce sont justement de telles installations qui occasionnent constamment des problèmes dans la pratique. Les radiateurs ne chauffent pas correctement et les robinets thermostatiques engendrent des bruits gênants avec pour résultat final des coûts plus élevés que ceux initialement prévus. Le présent document a pour but de donner un aperçu des exigences actuelles et de servir de fil rouge en ce qui concerne l équilibrage hydraulique. La première partie du manuel traite de la théorie de l équilibrage hydraulique, viennent ensuite des exemples pratiques concernant les méthodes d équilibrage au moyen d enregistrements. Un certain nombre d exemples servent à décrire comment déterminer des robinets thermostatiques et la robinetterie d équilibrage. 1.1 Conséquences dues à un non-respect de l équilibrage hydraulique Une installation moderne distribue au moyen de pompes les calories ou frigories de manière égale vers toutes les pièces en fonction de la demande. Selon la performance du système, une quantité d eau bien définie circule au travers la tuyauterie. Comme dans tous les systèmes avec localement séparation des sources de production et de distribution du chaud et du froid, le système est confronté au problème de la distribution selon la demande. L eau s écoule toujours dans le sens de la moindre résistance. Dans une installation non équilibrée, cela signifie que c est toujours le tronçon le plus proche de la pompe qui est le plus favorisé, et donc qui reçoit le plus grand volume d eau. En effet, la résistance opposée à l eau par ce tronçon est moindre que celle de tout autre portion de circuit puisque l eau a un parcours plus court à effectuer, donc une résistance moindre à vaincre. Ce sont les corps de chauffe de ce tronçon qui reçoivent au début la plus grande quantité d eau. Inversement, c est le tronçon le plus éloigné par rapport à la pompe qui en reçoit le moins. Et les échangeurs situés plus loin dans ce tronçon sont ceux qui reçoivent le moins de calories ou de frigories, la distance à parcourir pour arriver jusqu à eux étant plus grande, donc présentant une plus grande résistance de tuyauterie à vaincre. Dans ces tronçons hydrauliques les plus défavorisés, les échangeurs les plus éloignés sont insuffisamment irrigués. Les conséquences : les échangeurs de chaleur et tronçons les plus proches de la centrale reçoivent trop d eau et les plus éloignés pas assez d eau. Dans la pratique, ce problème est souvent évalué de manière incorrecte. En effet, trop souvent, le diagnostic porte sur une pompe sous-dimensionnés, une température de départ de l eau trop faible ou un défaut au niveau de la régulation. Le résultat d une telle erreur de diagnostic est que l on augmente le débit de la pompe, voire même qu on la remplace par une autre plus puissante, que l on augmente la température de l eau de départ ou que l on fausse le réglage de la régulation. Une installation «retouchée» de cette manière peut certes éventuellement satisfaire la température ambiante souhaitée, mais les trop forts débits d eau ou les trop fortes températures d eau de départ et donc aussi de retour sont les motifs d autres inconvénients qui à leur tour engendrent des réclamations. Pour cette raison, on a décrit ci-après les défauts les plus fréquents résultant d un déséquilibrage hydraulique de l installation. Fig. 1: répartition inégale de l eau dans une installation hydraulique non équilibrée

6 Introduction Emission calorifique inégale L émission calorifique d un radiateur ou d un échangeur de chaleur est largement fonction du débit d eau qui le traverse. Si ce débit est trop élevé, le local est surchauffé alors qu un trop faible débit entraîne une température ambiante insuffisante. A l intérieur d une certaine plage, le chauffage par radiateur est relativement tolérant, ce qui signifie qu une légère réduction du débit de l eau entraîne une faible baisse de la température ambiante. D un autre côté, un doublement du débit n entraîne qu une légère augmentation de la température ambiante. Cet état de fait est souvent pris pour alibi pour ne pas procéder à l équilibrage hydraulique de l installation. Le diagramme cidessous montre la relation entre la température ambiante et le débit pour une température de départ et de retour de l eau de 70/55 C et un corps de chauffe d exposant η = 1,3, le tout pour une température ambiante de 20 C. Température ambiante en C Débit en % Température départ/retour 70/55 Température ambiante ϑ= 20 C Exposant du radiateur η=1,3 Fig. 2: Relation entre la température ambiante et le débit Notons qu un débit de % entraîne un abaissement de la température ambiante à environ 18 C, ce qui représente un manque de confort Retard de la remontée du chauffage après un abaissement nocturne Une conséquence typique de l absence d un équilibrage hydraulique est celle qui se manifeste au printemps et en automne après des nuits froides. Au petit jour, le chauffage repart après un réduit nocturne mais seuls les consommateurs les plus proches de la pompe sont alimentés. Une fois la demande satisfaite et après réduction du débit d eau par fermeture progressive des robinets thermostatiques, l installation dispose de suffisamment d eau pour alimenter les consommateurs les plus éloignés. Il est alors souvent déjà midi, voire l après-midi lorsque ces consommateurs sont correctement alimentés et que les pièces atteignent la bonne température ambiante. Le phénomène peut très bien avoir disparu le lendemain. Il suffit que le bâtiment se soit moins refroidi du fait d une température nocturne plus douce et que la demande calorifique se réduise pendant la phase de remontée du chauffage Problèmes de bruit Le problème évoqué ci-dessus figure 2) montre clairement qu un trop grand débit n est pas nécessairement considéré comme un défaut, l augmentation de la température ambiante n étant pas aussi prononcée que la réduction de la température. Toutefois, un débit inutilement élevé peut souvent entraîner des bruits de circulation dans les tuyauteries. Les robinets thermostatiques qui servent en premier lieu à réguler la température ambiante en modulant le débit ne peuvent pas être soumis à de trop fortes pressions différentielles, les petites sections de passage nécessaires pour obtenir une régulation fine entraînant des turbulences trop prononcées du fluide. Ce sont ces turbulences qui occasionnent les bruits de circulation. Pour éviter cela, les robinets thermostatiques ne devraient pas être soumis à des pressions différentielles supérieures à 200 mbar. Si une vanne est maintenant calculée pour fonctionner à une pression différentielle de par exemple 150 mbar, une augmentation du débit entraîne rapidement le dépassement de cette valeur de seuil Les écarts de température requis ne sont pas atteints La puissance calorifique transportée par le fluide est définie comme suit : P q c p c p = υ S : υ R : t puissance en W du fluide calorifique débit en kg/s chaleur spécifique du fluide 4186 J/kg K pour de l eau à 60 C température de l eau de départ en C température de l eau de retour en C écart de température Cette relation met en évidence qu un doublement du débit q entraîne la division par deux de l écart de température t. Ceci n est pas sans conséquences pour les installations et composants qui dépendent d une basse température de retour. Exemple : Chaudières à condensation P=qxcpx t t=ϑs-ϑr Elles utilisent l énergie générée par la condensation pour augmenter le rendement. Cela signifie que le rendement élevé donné par le constructeur ne peut être atteint que si l on ne dépasse pas une certaine température minimale des retours. Chauffage urbain ou à distance Les exploitants des réseaux de chauffage urbain demandent à ce que l on utilise de manière aussi économique que possible leurs réseaux. Ceci est possible si on peut alimenter de nombreux consommateurs avec un faible débit. Pour cette raison, de tels réseaux sont donc exploités avec une température de départ élevée et une faible température des retours. Pour encourager les consommateurs à adapter leurs systèmes à cet écart élevé entre températures de départ et de retour, les fournisseurs proposent des bonus tels que tarifs préférentiels aux consommateurs qui répondent à ces critères. Ce tarif préférentiel n est plus garanti si la température des retours s élève, suite à l absence d un équilibrage hydraulique.

7 Introduction Problèmes techniques de mesure et de réglage Les vannes de réglage sont conçues de manière à ce que la puissance fournie par la vanne soit régulée sur toute la course du clapet. Un débit trop élevé a les mêmes effets qu un régulateur surdimensionné. La plage de fonctionnement du régulateur est réduite et le saut d ouverture (débit de fuite) inhérent aux tolérances de fabrication de la vanne augmente. Ceci influe sur le comportement du réglage qui dans certains cas peut se refléter par un comportement instable de la régulation. 1.2 Un problème et sa solution La solution à tous ces inconvénients est bien connue. Par un équilibrage hydraulique de l ensemble de l installation, les pertes de charge des différents consommateurs sont harmonisées de manière à ce que chaque échangeur de chaleur reçoive exactement la quantité d eau requise. L équilibrage hydraulique entraîne: Une alimentation égale de tous les échangeurs de chaleur et tronçons Une minimalisation des bruits de circulation Un bon débit d eau véhiculé par les pompes Rendement P en % Des économies d énergie L installateur livre à son client une installation fonctionnant sans problèmes de manière économique et écologique, le tout sans dépenses énergétiques supplémentaires et pertes de confort. Les avantages d un équilibrage hydraulique sont : Economies d énergie P Confort accru et absence de bruits Réduction des émissions de CO 2 Plage de fonctionnement Course de la vanne en % Fig. 3: Courbe caractéristique d une vanne de réglage dans le cas d un excès de débit. La plage de fonctionnement est réduite à environ 55% Une utilisation des ressources plus efficace Coûts énergétiques inutilement élevés Les inconvénients ci-dessus ont un effet défavorable sur le confort et se caractérisent généralement par des réclamations. Un autre problème résultant de l absence d un équilibrage hydraulique peuvent être les coûts énergétiques inutilement élevés du fait de l augmentation de puissance de la pompe, un plus grand débit augmentant aussi la consommation électrique. Dans les bâtiments modernes bien isolés, la part de l énergie consommée par la pompe comparée au rendement du chauffage a augmenté en importance parce que le débit n est pas diminué avec la réduction de la demande calorifique ou frigorifique. Les radiateurs continuent encore à occuper la largeur des fenêtres et peuvent pour cette raison fonctionner avec une température de départ plus faible que dans les bâtiments mal isolés. Les plus basses températures de départ ont aussi un effet positif sur l efficacité du générateur de chaleur et sur les déperditions dues au transport dans les tuyauteries. Cette loi générale s applique bien entendu aussi aux systèmes de climatisation dans les bâtiments faisant appel à l eau glacée. Plus la température moyenne de départ et de retour est proche de celle de la température ambiante et plus les déperditions par distribution sont faibles.

8 Principes de base de l équilibrage hydraulique 2 PRINCIPES DE BASE DE L ÉQUILIBRAGE HYDRAULIQUE L équilibrage hydraulique garantit une alimentation correcte en calories et frigories à chaque échangeur en égalisant les pertes de charges de tous les tronçons pour obtenir les débits nominaux. Dans la pratique, il y a différentes possibilités pour remplir cette tâche. La meilleure procédure pour une installation donnée dépend de nombreux facteurs, y compris la dimension de l installation, la disposition des tronçons de distribution et celle des consommateurs ainsi que des données locales. 2.1 Installation statiquement équilibrée Dans cette installation, on incorpore dans les tronçons, dans la distribution et au niveau de l échangeur de chaleur des résistances additionnelles sous forme de vannes de réduction réglables. Le circuit avec la plus forte résistance n est pas bridé, par contre celui qui a la plus faible résistance est le plus bridé. La perte de charge requise par ces vannes de réglage se calcule en comparant la perte de charge des tronçons individuels. Pour ce calcul, on détermine la pression d alimentation requise par tous les tronçons et la différence entre les différentes pressions d alimentation est ensuite à appliquer aux vannes de réduction concernées. Cette procédure est rapide et simple à réaliser en utilisant un logiciel moderne de calcul. Le résultat obtenu est une valeur de réglage pour les différentes vannes, valeur avec laquelle on génère alors la résistance additionnelle. Une installation ainsi réglée est équilibrée sur un plan statique et optimisée pour un état donné d une installation. C est normalement l état de la demande maximale. Le chapitre 5 contient quelques exemples de ce type d équilibrage Equilibrage statique avec des vannes thermostatiques de radiateur Dans de plus petites installations, par exemple des installations de chauffage dans le secteur résidentiel avec un petit nombre de radiateurs, l équilibrage au moyen de robinets thermostatiques et/ou d isolement au niveau du corps de chauffe est suffisant. Des vannes de régulation additionnelles ne sont généralement pas nécessaires. Les fabricants de vannes et de robinetterie proposent diverses solutions pour faciliter aux bureaux d étude et aux installateurs le préréglage, c est-à-dire l équilibrage hydraulique. Deux options principales sont à considérer: Certains préfèrent les robinets thermostatiques avec préréglage, d autres sont en faveur de robinets thermostatiques avec limitation fixe selon le principe de la limitation du Kv couplés avec un robinet de réglage monté sur le retour. Vannes thermostatiques avec KV fixe Lorsque que l on opte pour une solution avec des robinets thermostatiques à KV fixe, il faudra s assurer du bon dimensionnement de ceux-ci en fonction de l installation. Lorsque l installation est mise en service, certains robinets thermostatiques commencent de suite à se fermer pendant que d autres s ouvrent éventuellement davantage. Il en résulte que les différents robinets thermostatiques présentent des propriétés hydrauliques totalement différentes de celles prises en compte lors du calcul. Des pressions différentielles plus petites ou plus grandes se produisent avec pour résultat une plus grande ou plus petite course de clapet. C est pourquoi Honeywell propose des robinets thermostatiques avec une limitation de leur caractéristique. Cela signifie que lorsque le robinet thermostatique s ouvre davantage, il n y a pas plus d eau qui le traverse qu avec une course de 3 K, la caractéristique de la vanne n allant pas au delà. Perte de charge en mbar Débit du fluide de chauffage en kg/h Plage d utilisation conseillée Ouvert Fig. 4: Caractéristique d une vanne thermostatique de radiateur de type BB, avec équilibrage des radiateurs individuels selon une bande proportionnelle P, X P = 1-3 K Le radiateur utilise maintenant la largeur totale de la plage de réglage du robinet. Cela signifie que pour des débits d eau situés à l intérieur des caractéristiques de 1 à 3 K, c est le robinet thermostatique qui de par sa forte autorité régule luimême la quantité d eau selon la demande. Une réduction par vanne sur le retour n est nécessaire que pour des quantités d eau extrêmement faibles. Ceci simplifie la tâche de l installateur qui a moins de vannes à ajuster. Dans ce cas de figure, le robinet monté sur le retour n est pas considéré comme de la robinetterie additionnelle. En effet, de nos jours, il est courant de pouvoir isoler et vidanger les corps de chauffe. La robinetterie d isolement sur le retour est pour cette raison utilisée depuis assez longtemps de manière standard. Perte de charge en mbar

9 Principes de base de l équilibrage hydraulique Vannes thermostatiques avec préréglage Le principe des vannes avec préréglage est basé sur l idée que la vanne de robinet thermostatique devrait être choisie sur la base d une caractéristique de X P 2 K. Si l on utilise maintenant dans le cadre d un calcul une plus faible quantité d eau, le concepteur du projet va se reporter au diagramme de la vanne correspondante et utiliser une caractéristique avec un plus petit préréglage. Ce préréglage peut être considéré comme équivalent à celui effectué sur les vannes de d isolement bien connues montées sur le retour car l organe de réduction est en fait monté après le clapet de vanne proprement dit. Rappel : une vanne (ou corps) thermostatique à double réglage est un corps thermostatique normal avec un réglage du débit intégré. Préréglage Equilibrage statique avec vannes d équilibrage Toutefois, l équilibrage hydraulique ne se limite pas à l utilisation de robinets thermostatiques de radiateur. Les installations ne comprennent généralement pas qu un seul tronçon avec peu d échangeurs de chaleur mais comportent généralement plusieurs tronçons ou colonnes avec chaque fois plusieurs échangeurs. S il s en suit que la puissance requise pour la pompe dépasse la pression différentielle de 200 mbar généralement admise comme seuil maximal pour un fonctionnement silencieux des robinets thermostatiques, il conviendra d éliminer une partie de la pression différentielle sur le tronçon considéré. Les vannes d équilibrage équilibrent donc les différents tronçons entre eux afin que chaque tronçon ne reçoive que la quantité d eau nécessaire pour répondre à la demande. Le rééquilibrage le long du tronçon s effectue ici aussi au niveau du consommateur comme décrit au paragraphe L équilibrage statique convient particulièrement bien pour les petites installations ou pour installations avec un débit d eau constant tels que les systèmes de chauffage mono-tube ou de rafraîchissement avec ventilo-convecteurs. Dans les installations avec débit d eau constant, on by-passe le débit d eau sur l échangeur de chaleur lors de faibles demandes. Les unités de ventilo-convecteurs comprennent souvent une vanne 2- voies incorporée qui s ouvre en grand dès l enclenchement du ventilateur. La température de la pièce est ainsi régulée par la vitesse du ventilateur au lieu du débit. Débit en kg/h Plage d utilisation conseillée Fig. 5: Caractéristique d une vanne thermostatique de radiateur type V, l équilibrage utilisant le préréglage pour X P = 2 K Fig. 6: Equilibrage statique dans une installation de chauffage Que les réglages soient définis par calcul ou par mesure, ils reposent sur un fonctionnement à pleine charge utilisé seulement quelques jours pendant la saison de chauffe. Pour cette raison, l équilibrage statique signifie que le système est surdimensionné la plus grande partie de l année et qu une quantité inutilement élevée d énergie est consommée. De plus, l équilibrage statique est incapable de réduire les bruits de circulation qui résultent d une augmentation de la pression différentielle à charge partielle. Ici, seul un équilibrage dynamique est capable de résoudre le problème.

10 Principes de base de l équilibrage hydraulique 2.2 Installation avec équilibrage dynamique Dans les installations à débits d eau et pressions différentielles variables comme les installations bi-tubes à eau chaude, l équilibrage statique atteint très rapidement des limites, en particulier dans le cas des plus grandes installations. Dans ce type d installation, la température ambiante est régulée par variation du débit au travers du radiateur. Lorsque les températures extérieures sont basses, la demande calorifique croît et l installation tourne à pleine charge comme prévu lors de la phase d étude. Par températures extérieures plus douces, par exemple au printemps ou à l automne, les demandes calorifiques sont proportionnellement moindres. Les robinets thermostatiques de radiateur ferment et un plus faible débit d eau traverse les radiateurs. Dans cet état de charge partielle, c est-à-dire lorsque le débit d eau dans les tronçons décroît, les vannes d équilibrage perdent de leur efficacité car tout comme une tuyauterie, elles présentent des résistances fixes et perdent de la pression différentielle. Si le volume de l eau est divisé par deux, la pression différentielle au niveau de la vanne d équilibrage n est plus que d un quart! En même temps, la hauteur manométrique de la pompe de transport croît comme le montre le déplacement vers la gauche du point de fonctionnement dans le diagramme (voir fig. 7). A charge partielle, il y a de ce fait une augmentation de la pression différentielle due aux vannes thermostatiques encore ouvertes. Cette augmentation de la pression différentielle dépend de la caractéristique de la pompe. Pour les pompes avec une caractéristique plate, l augmentation de la pression différentielle est minimale et elle augmente avec la pente de la courbe. Forte pression différentielle, forte perturbation Faible pression différentielle, faible perturbation Fig. 8: Equilibrage dynamique dans des systèmes bi-tubes En complément au maintien d un équilibre hydraulique optimal, même lorsque les conditions de fonctionnement changent, les vannes à équilibrage automatique limitent aussi l augmentation de la pression différentielle à charge partielle. Les robinets thermostatiques fonctionnent ainsi sous des conditions constantes. On évite les bruits de circulation ainsi que la sur ou la sous-alimentation de tronçons individuels ou d échangeurs de chaleur. L installation fonctionne de manière économique, étant donné que seule la quantité d eau requise circule et par là, les calories ou frigories. Et par dessus tout, on ne perd plus son temps à effectuer des réglages coûteux et à contrôler les valeurs calculées. L équilibrage dynamique convient aussi pour la rénovation des installations de chauffage dans des bâtiments anciens, car le plus souvent, les plans des anciens tracés de tuyauterie ne sont plus disponibles. Bien sûr, une fois terminée, il est possible d étalonner une telle installation mais cela représente une perte de temps et est difficile à calculer, même pour un expert. Au bout du compte, l installation est seulement équilibrée sur un plan statique, c est-à-dire réglée pour le débit d eau calculé. En pratique, c est rarement réalisé, parce que les vannes thermostatiques ferment et que l installation fonctionne ainsi à charge partielle. Fig. 7: Caractéristique de pompe plate et pentue Selon les dimensions du réseau de tuyauteries et la taille de l installation, cette pression différentielle peut excéder la valeur maximale admise pour des raisons de bruit, à savoir 200 mbar. Une installation qui génère du bruit à charge partielle est le signe qu il faut prévoir un équilibrage dynamique au moyen de vannes à équilibrage automatique fonctionnant en tant régulateurs de pression différentielle. Sur le principe, ces vannes fonctionnent de la même manière que les vannes à équilibrage manuel, sauf que les vannes automatiques régulent en permanence la pression différentielle entre le départ et le retour. Si par exemple la pression différentielle dans un tronçon change du fait de l ouverture ou de la fermeture de vannes thermostatiques dans d autres tronçons, l équilibrage de la vanne compense cela automatiquement. Pour cette raison, l installation est en permanence équilibrée compte tenu de la charge du moment et il règne toujours dans l installation les conditions de pression appropriées. Valeur de consigne p bar Débit en kg/h Fig. 9: Caractéristique d une vanne à équilibrage automatique. La pression différentielle réglée reste aussi pratiquement constante pendant le fonctionnement à charge partielle. L utilisation de vannes à équilibrage automatique évite d avoir à faire des étalonnages et en même temps, l installation convient aussi pour les débits d eau variables. Cela signifie que même à charge partielle, le volume d eau juste nécessaire circule au travers de l installation. Pour cette raison, l équilibrage dynamique est préférable à l équilibrage manuel, que ce soit dans les installations récentes ou plus anciennes.

11 Principes de base de l équilibrage hydraulique Une remarque concernant les pompes à vitesse régulée L utilisation simultanée de vannes à équilibrage automatique avec une régulation de pompe par pression différentielle représente la solution idéale, car l économie réalisée par une régulation décentralisée de la pression différentielle va dans le même sens que la régulation centrale de pompe. L avantage des pompes avec régulation de la vitesse est que la pompe consomme moins de courant et donc génère moins de coûts, étant donné que la vitesse de pompe est automatiquement réduite à plus faible charge. Les pompes avec régulation de vitesse n ont aucune influence sur l équilibrage hydraulique et ne peuvent remplacer les vannes d équilibrage. Elles créent en un endroit centralisé la pression différentielle nécessaire pour le transport de l eau et n ont de ce fait pas d influence sur la répartition à l intérieur de l installation. 2.3 Résumé Pour les petites constructions telles que les habitations individuelles, il suffit d utiliser un équilibrage statique au moyen de robinets thermostatiques et éventuellement de vannes d isolement sur le retour. Pour des bâtiments de moyenne et grande dimension, il est nécessaire d utiliser des vannes à équilibrage statique ou automatique pour la répartition de l eau dans l installation. L équilibrage statique au moyen de vannes d équilibrage convient pour les installations à débit d eau constant, par exemple les systèmes de chauffage mono-tube ou les système de climatisation avec ventilo-convecteurs ou plafonds rafraîchissants. Dans les systèmes bi-tubes, les vannes d équilibrage des tronçons ne sont souhaitables que sous certaines conditions. Elles permettent seulement l équilibrage hydraulique selon le dimensionnement initial. Lors d un fonctionnement à charge partielle, certaines parties d installation seront suralimentées par l augmentation de la pression différentielle. Il en résulte un gaspillage d énergie ou bien des bruits de circulation inacceptables. L équilibrage dynamique à l aide de vannes à équilibrage automatique est la solution optimale pour les installations à débit d eau variable telles que les systèmes bi-tubes à chauffage par radiateurs. Contrairement à l équilibrage statique et quelle que soit la charge, seule la quantité d eau réellement nécessaire traverse l installation, ce qui rend le système particulièrement rentable. Une installation fiable avec un niveau maximal de confort et des coûts de fonctionnement réduits à un minimum justifient l installation de composants de grande qualité, leur acquisition étant déjà amortie au bout de quelques années. La documentation concernant les services apportées, l explication pour connaître comment utiliser l installation régulée sur un plan hydraulique, tout ceci apporte au client la sécurité nécessaire et améliore l image de marque du bien. 2.4 Stratégies concernant l équilibrage Il existe deux stratégies de base pour une amélioration pratique de l équilibrage hydraulique, à savoir: Equilibrage au niveau des consommateurs et Equilibrage au niveau des tronçons Equilibrage au niveau des consommateurs Selon cette stratégie, la pression est réduite au niveau des consommateurs. Pour cette raison, chaque consommateur devra comporter une vanne de réduction appropriée et pour le cas où un équilibrage par mesure du débit doit avoir lieu, aussi comporter une possibilité de mesure adéquate. Ne pas perdre de vue qu à chaque réglage d un échangeur de chaleur, les débits au travers des autres échangeurs ayant déjà été réglés se trouvent aussi modifiés du fait des variations de pression dans les tuyauteries. Pour cette raison, il est important dans cette stratégie d équilibrage que la pompe et le réseau réagissant aussi peu que possible aux variations de débit. Une excellente solution est celle qui consiste à installer des vannes de réglage automatique dans les tronçons, car celles-ci maintiennent la pression différentielle constante à l intérieur du tronçon. L équilibrage au niveau des consommateurs atteint ses limites naturelles dès que la fermeture des vannes entraîne une plus grande pression différentielle que celle raisonnable pour la robinetterie. Pour les robinets thermostatiques et les vannes d isolement sur les retours, ce maximum est de 200 mbar Equilibrage au niveau du tronçon Pour l équilibrage des différents tronçons, tous les tronçons doivent comporter des vannes de réduction et pour le cas où un équilibrage par mesure du débit doit avoir lieu, aussi comporter une possibilité de mesure adéquate. La mesure de l équilibrage des tronçons se fait de manière hiérarchique : d abord les colonnes montantes, puis les tronçons secondaires et enfin le tronçon principal. Cette procédure peut au premier abord paraître déroutante, car il semblerait logique d équilibrer en premier les grands débits d eau puis ensuite seulement les plus petits. Mais les explications qui suivent montreront pourquoi préférer cette méthode hiérarchique. On opte généralement pour la mesure de l équilibrage parce qu un réglage d après des calculs est souvent impossible. La robinetterie est mal réglée ou tout simplement réglée à vue de nez. Si l on équilibre en premier le tronçon secondaire puis les colonnes montantes de ce tronçon, il n est pas à exclure que l organe de la colonne montante la plus défavorisée soit aussi bridé. Mais tout bridage inutile entraîne un gaspillage d énergie puisque l inutile pression différentielle ainsi crée par la pompe devra être compensé par un bridage. Il est par conséquent plus raisonnable de ne réduire entre elles les colonnes montantes que dans la mesure où au moins une vanne d équilibrage soit totalement ouverte, même si l on dépasse les quantités d eau du tronçon. Une fois que l on aura équilibré les différents tronçons entre eux, on continue avec l équilibrage des tronçons secondaires, c est-à-dire l excès d eau est ramené dans le tronçon secondaire à la valeur requise.

12 Principes de base de l équilibrage hydraulique La figure qui suit montre la disposition des vannes de réduction pour un équilibrage par tronçons. En premier lieu, on équilibre entre elles les colonnes montantes, c est-à-dire les colonnes A1 et A2 et B1et B2. Ensuite a lieu l équilibrage des tronçons secondaires A et B. Et pour terminer, on règle le débit dans le tronçon principal. Colonne montante A1 Colonne montante A2 Colonne montante B1 Colonne montante B2 Avantage: l équilibrage se base uniquement sur des mesures de températures et il n y a pas nécessité de procéder à des mesures de débits. Inconvénient: prend du temps, car il faut après chaque mesure attendre un retour à un état d équilibre. La méthode n est applicable que lorsque la température extérieure est suffisamment basse (en dessous de 0 C, sans ensoleillement). Les installations modernes régulent par ailleurs la demande en ajustant la température de départ lorsque la température extérieure croît. Pour cette raison, l écart de température entre le départ et l ambiance diminue et une erreur d à peine 1 C prend une plus grande importance. Tronçon secondaire A Tronçon secondaire B Tronçon principal Fig. 10: Equilibrage des tronçons via les vannes d équilibrage Kombi-3-plus Notons que la pression différentielle réglée sur les vannes de réduction des colonnes montantes ne peut être absorbée par la robinetterie que pour un débit de 100%. Si des robinets thermostatiques réduisent dans le tronçon le débit à travers le consommateur, il y a aussi réduction du débit d eau dans le tronçon et partant au travers de la vanne de réduction. Une division par deux du débit réduit la pression différentielle absorbée par la vanne à un quart de sa valeur! La pression différentielle manquante devra alors être compensée par les robinets thermostatiques, ce qui à charge partielle peut entraîner des bruits de circulation. En pratique, il est pour cette raison vivement conseillé d équilibrer automatiquement les colonnes montantes. Les vannes manuelles de réduction sont ensuite remplacées par des vannes à équilibrage automatique de la pression différentielle. 2.5 Méthodes d équilibrage La difficulté principale dans l équilibrage hydraulique réside dans la nécessité d intervenir généralement sur un consommateur ou dans tronçon qui est sous-alimenté. De plus, les vannes correspondantes sont grandes ouvertes, ce qui signifie que le volume d eau manquant doit être apporté en bridant la robinetterie sur d autres consommateurs ou tronçons de manière à diriger l eau vers le composant sous-alimenté. Le fait de brider une vanne réduit le débit d eau, ce qui a une influence sur tous les autres consommateurs ou tronçons. Pour cette raison, il est nécessaire d utiliser des méthodes spéciales d équilibrage pouvant être utilisées avec les stratégies d équilibrage présentées. Quelques unes de ces méthodes sont décrites ci-après: La méthode de la température Cette méthode convient aussi bien pour l équilibrage des tronçons qu au niveau des consommateurs, et tout particulièrement dans le cas de la rénovation de plus petites installations. Fig. 11: Méthode de la température Sous réserve que tous les consommateurs soient correctement dimensionnés lorsque l installation est équilibrée sur le plan hydraulique, les mêmes écarts de température doivent se produire dans tous les tronçons et consommateurs. ϑ1= ϑ11 = ϑ12= ϑ13 = ϑ131= ϑ132 Seule la chute de température dans les tronçons d alimentation n est pas prise en considération. C est pourquoi, dans le cas de la méthode des températures, on essaie d équilibrer tous les tronçons et consommateurs pour avoir le même écart de température. On pourra prendre dans le cas le plus simple l écart de température dans le tronçon principal (donc au niveau de la pompe) comme écart de température de consigne au point de fonctionnement au moment de l équilibrage. La valeur de consigne du K V peut être calculée comme suit : ϑactuel Kv, consigne = Kv, actuel ϑconsigne Pour l écart de température instantané, on utilise l écart mesuré entre la température de départ et de retour pour faire le réglage de la vanne de réduction. La valeur de consigne du K V peut aussi être définie à partir des conditions de fonctionnement du moment (température ambiante et extérieure) et les données de référence (température maximale de départ et de retour, température extérieure minimale, gains de chaleur en Kelvin): 10

13 Principes de base de l équilibrage hydraulique Kv, consigne = Kv, actuel (ϑs - ϑr) (20- ϑo,min) (ϑs,max - ϑr,max) (ϑi - ϑhg - ϑo) Méthode avec contrôle d un tronçon de référence Cette méthode convient pour l équilibrage de plus grandes installations avec tronçon principal, tronçons secondaires et colonnes montantes qu il convient tous d équilibrer entre eux. ϑ S ϑ R température de départ mesurée température de retour mesurée ϑ S, max température de départ de référence ϑ R, max ϑ o ϑ o, min ϑi Dϑ HG température de retour de référence température extérieure mesurée température extérieure de référence température ambiante mesurée gains de chaleur estimés (en Kelvin) La méthode proportionnelle C est la méthode la plus simple pour l équilibrage des tronçons dans les installations avec portions de mesure incorporées Avantage: peut être réalisée par une seule personne avec un seul appareil de mesure. Avantage: Peut être réalisée rapidement et efficacement et une seule mesure suffit. Inconvénient: Plus coûteuse que la méthode précédente (3 personnes!) Cette méthode requiert généralement la présence de 3 personnes (A, B et C) et 2 appareils de mesure (pression différentielle et débit) A lit la pression différentielle ou le débit sur le tronçon de référence (= tronçon le plus défavorisé) et transmet cette valeur via radio à B. B modifie en continu le débit total de manière à maintenir la valeur de référence constante chez A. C équilibre les tronçons restants, toute répercussion sur l ensemble du réseau étant automatiquement compensée par A et B. Inconvénient: plusieurs essais sont nécessaires. La méthode proportionnelle se base sur le fait que plusieurs portions de mesure en parallèle qui sont dans un certain rapport entre elles, conservent aussi ce même rapport même s il y a modification du débit global. Au départ, on aligne tous les débits sur le même ratio de débit. Ce dernier se définit comme suit: ACTUEL - flow CONSIGNE-flow Ensuite on modifie le débit total jusqu à ce que le ratio devient égal à 1.0. On trouvera une description détaillée de la méthode proportionnelle au chapitre 4. Fig. 12: Méthode avec contrôle d un tronçon de référence 11

14 Principes de base de l équilibrage hydraulique Méthode auxiliaire avec vannes d équilibrage et prises de mesure de la pression Lors de l équilibrage des tronçons au moyen de vannes avec prises de mesure de la pression (Kombi-2-plus, Kombi-F-II), on mesure la pression différentielle pour ensuite calculer le débit en se basant sur la valeur du K V (fonction du réglage de la vanne). Comme pour chaque position de la vanne il faudra recalculer la valeur du K V, on ne pourra pas afficher en continu le débit même en s aidant d un micro-ordinateur étant donné qu après chaque débit il faudra entrer la nouvelle position de vanne. Trouver le bon réglage de vanne ne peut se faire que pas à pas et est de ce fait assez laborieux La méthode de mesure Honeywell La méthode Honeywell utilise le fait que pour chaque vanne d équilibrage placée sur le retour, on trouve encore une vanne d isolement sur le départ. Si l on monte maintenant les prises de mesure sur la vanne située sur le départ, toute modification du réglage sur la vanne du retour va entraîner une autre pression différentielle via la vanne de départ. Avec l aide d un appareil de mesure électronique, on pourra afficher en continu le débit calculé à partir du K VS de la vanne montée sur le départ. Diagramme de mesure Kombi-3-Plus V5000 Diamètres de raccordement Cette méthode auxiliaire permet un travail rapide: à partir de deux quelconques positions de vanne, on pourra calculer de façon approchée le bon réglage de vanne (système d équations à 2 inconnues). La solution est la suivante: avec V 2 objectif Kv,objectif = Vobjectif H-( ) 2 K K= V 2 2 -V 2 1 V1 V2 ( ) 2 -( ) 2 KV1 KV2 Pression différentielle sur l appareil de mesure Débit H=(V1/KV1) 2 +(V1/K) 2 V = débit en m 3 /h Index 1 = mesure No.1 Index 2 = mesure No.2 Mesure directe et préréglage Fig. 13: La méthode de mesure Honeywell 12

15 Procédure 3 PROCEDURE 3.1 Travaux préparatoires Les bases d un équilibrage hydraulique réussi commencent avec la phase d étude. Il est conseillé de diviser l installation en de portions logiques distinctes (domaines partiels): tuyauterie d alimentation, colonnes montantes, distribution dans les étages, radiateurs et robinets thermostatiques. Les avantages et inconvénients des systèmes de distribution les plus courants sont décrits au chapitre Ensuite, on déterminera la robinetterie requise sur les tuyauteries d alimentation, les colonnes montantes, la distribution dans les étages et les radiateurs. Prévoir aussi les organes d isolement appropriés pour pouvoir isoler différentes parties de l installation en cas de travaux d extension ou de réparations. Vient ensuite le dimensionnement selon les besoins des tuyauteries, la détermination de l emplacement des vannes d équilibrage ainsi que le choix approprié des pompes avec réglage des vitesses Détermination des débits nécessaires Dans le cas d installations neuves, on pourra calculer les débits des différents consommateurs à partir des besoins de chauffage et de refroidissement et de la détermination finale des échangeurs de chaleur. Cette façon d opérer fournit en général des valeurs fiables. Dans les anciennes installations, les besoins en chaud ou en froid ne peuvent pas être calculés, ou si oui, qu à grands frais. Il faut donc des alternatives pour déterminer le débit de manière aussi précise que possible. Le fait qu un écart de ± 10% par rapport aux besoins est à peine perceptible dans la détermination du débit peut constituer une aide (voir fig. 2). Une installation équilibrée à l intérieur de cette plage de tolérance permet d économiser ainsi bien plus d énergie qu une installation non équilibrée. Dans ce dernier cas, les consommateurs les plus défavorisés ne pourront être alimentés qu avec une énergie accrue de pompe. Ici, il est avantageux de déterminer les besoins globaux du bâtiment. Le résultat obtenu pourra ensuite être réparti sur les différentes pièces en tenant compte de leurs surfaces. Quelques correctifs additionnels seront encore à prévoir pour tenir compte de la surface des fenêtres et des murs extérieurs. Calcul des besoins totaux en énergie d après les factures de coûts disponibles Lors d opérations de rénovation, on dispose souvent des coûts concernant les consommations des années précédentes. Si on connaît de plus les heures de fonctionnement, on pourra calculer au moyen de la relation suivante les besoins calorifiques du bâtiment: P B B a H u η tot b vh PB = Ba x Hu x ηtot bvh Besoins calorifiques du bâtiment Consommation annuelle de combustible Pouvoir calorifique Taux annuel d utilisation (sur la base de documents des fabricants ou normes) Nombre d heures de fonctionnement Utilisation de tables spécifiques et de diagrammes Au cours des discussions en tant que conseillers, les fournisseurs d énergie utilisent des tables et diagrammes spéciaux qui permettent de déduire les besoins calorifiques du bâtiment en fonction de son âge. Détermination approximative sur la base de valeurs de seuil admissibles Dans de nombreux pays, il existe des valeurs limites concernant les besoins calorifiques spécifiques admissibles. Ces valeurs font aussi la distinction entre âge et année de construction du bâtiment, mais s agissant de valeurs maximales, le résultat fournira toujours un surdimensionnement. Par conséquent, il conviendra de vérifier le résultat en recalculant (si possible) les besoins calorifiques de quelques pièces. Calcul basé sur les surfaces de chauffage installées C est le procédé le plus souvent employé, car la puissance des surfaces de chauffe peut être vérifiée à partir des documents des fabricants. Mais c est en même temps la méthode la plus imprécise parmi celles décrites ici. Les températures de départ et de retour ayant servi à déterminer à l origine les surfaces de chauffe ne sont pas connues. Les surfaces de chauffe ne sont en règle générale pas ajustées à la puissance requise mais sont surdimensionnées. Exemples: La longueur requise n était pas disponible et l on a fourni le radiateur avec la longueur au dessus. Pour des raisons esthétiques, la dimension des radiateurs a été ajustée à celle des fenêtres. le bâtiment a été isolé, mais les radiateurs existants n ont pas été remplacés. Une fois déterminé les besoins d après les possibilités décrites ci-dessus, il convient de vérifier les surfaces de chauffe pour calculer les débits requis. Si l on dispose encore d une documentation des fabricants concernant les surfaces installées, on pourra déterminer la puissance à fournir aux températures envisagées selon les règles générales ci-après: La puissance d un radiateur est donnée par la relation: P K A ϑ ϑ S ϑ R ϑ i Puissance du radiateur Coefficient de transmission thermique Surface du radiateur (données du constructeur) Ecart moyen logarithmique de température ou interviennent température de départ, de retour et d ambiance ϑ = Température de départ Température de retour Température ambiante P=KxAx ϑ (ϑs-ϑi)-(ϑr- ϑ i) ϑs- ϑi ln( ) ϑr-ϑi 13

16 Procédure Dans la documentation des fabricants, on trouve la puissance nominale P N dans les conditions nominales selon la norme DIN EN 442, calculée pour ϑ S =75 C, ϑ R =65 C, ϑ i amb. =20 C. Souvent, les puissances sont encore données selon l ancienne norme pour ϑ S =90 C, ϑ R =70 C, ϑ i amb. =20 C. Si les températures de départ et de retour s écartent de ces conditions, la puissance effective des corps de chauffe est aussi plus faible. La puissance effective d un radiateur se calcule alors d après la relation: La puissance nominale d un radiateur installé est de 1200 W à 90/70/20 C. On cherche la puissance effective et le débit massique aux températures choisies 50/40/20 C pour le système. La puissance restituée est alors P=0.31x1200W=372W Le débit nominal pour une puissance nominale de 1200 W est où ϑ N P=PNx( ϑ ) n qn= 1200W =0.014kg/sec=51.6kg/h 4186J/kgKx20K P Puissance effective du corps de chauffe P N Puissance nominale pour 90/70/20 C ou 75/65/20 C ϑ N Ecart moyen logarithmique aux conditions nominales 90/70/20 C ou 75/65/20 C ϑ N = K pour 90/70/20 C ϑ N = K pour 75/65/20 C ϑ Ecart moyen logarithmique aux conditions de calcul n Exposant du corps de chauffe, env. 1,3. Pour des indications plus précises, se reporter aux documents du constructeur La chaleur restituée est fournie par le fluide chauffant et se calcule d après la relation P=qxcpx(ϑS-ϑR) P Puissance du fluide de chauffage W q Débit massique en kg/s c p Chaleur spécifique du fluide c p = 4186 J/kg K pour de l eau à 60 C ϑ S Température de départ en C ϑ R Température de retour en C Les règles générales ci-dessus sont illustrées dans l abaque du corps de chauffe (fig. 14 et en page 16). A l aide de cet abaque, on pourra déterminer pour une puissance nominale connue, la puissance effective pour les températures de départ et de retour choisies. Le débit massique requis se détermine à partir de Au besoin, il sera encore nécessaire de réduire davantage la puissance calculée et partant aussi le débit massique, étant donné que la puissance nominale a été calculé sous les conditions idéales. D autres facteurs ayant une influence sont par exemple le montage des radiateurs dans des niches ou derrière des habillages, ainsi que le type de raccordement: Type de montage q=0.65x51.6kg/h=33.54kg/h Sous des consoles ou tablettes de fenêtre Dans des niches, ouverture sur le devant Derrière des habillages de radiateur ouverts en haut Derrière des habillages de radiateur, fermés en haut Minoration de puissance -2% -4% -4% -8% -4% % -15% % Tab. 1: minoration de la puissance résultant d emplacements particuliers Exemple: Abaque pour radiateur avec n=1.3 ϑr = ϑr ϑiamb ϑs = ϑs ϑiamb Puissance fournie P 31% Fig. 15: minoration de la puissance résultant de variantes de raccordement 65% Débit massique q Fig. 14: Diagramme pour radiateur aux conditions nominales ϑ S =90 C, ϑ R =70 C, ϑ i amb. =20 C 14

17 Procédure Influence du système d émission de chaleur Chauffage radiateur par système bitube Chaque radiateur est relié à deux tuyauteries, une pour le départ, une autre pour le retour. En Europe centrale, ce système avec distribution en cave et colonnes montantes est le plus fréquemment rencontré. ceux-ci. Les robinets thermostatiques influent sur les puissances calorifiques des radiateurs en aval. Faible écart de température entre le départ et le retour. Equilibrage hydraulique: L équilibrage hydraulique entre les boucles n est pas un problème majeur, celles-ci étant conçues comme un système bitube. Par contre, un équilibrage par mesure du débit au niveau des radiateurs individuels à l intérieur de la boucle est impossible, compte-tenu de l absence de possibilités de mesure. La seule possibilité est celle qui consiste à équilibrer les écarts de température (qui sont très faibles et difficiles à mesurer!) au niveau des différents radiateurs. Chauffage radiateur dans un système bitube avec disposition en étoile Départ Retour Fig. 16: Installation bitube avec colonnes montantes Avantage: les radiateurs ont une inertie relativement faible et sont de ce fait faciles à réguler. Et tous ont la même température de départ ce qui signifie que le dimensionnement est relativement simple et facile à interpréter. De plus, les robinets thermostatiques n influent que faiblement sur la puissance émise par les radiateurs du voisinage. De plus, ces systèmes durent longtemps et des modifications et extensions ultérieures ne posent pas de problèmes. Inconvénient: l investissement en matériaux et travaux est nettement plus important qu avec les systèmes monotube. Les compteurs de chaleur par logement individuel ne conviennent pas dans le cas des systèmes avec colonnes montantes. Equilibrage hydraulique: conditions idéales pour un équilibrage sans problèmes. Toutes les stratégies et méthodes d équilibrage décrites plus haut conviennent ici. Chauffage radiateur avec les systèmes monotube Les départs et retours des radiateurs sont raccordés à des tuyauteries circulaires en cuivre, acier doux ou pvc. Celles-ci sont généralement disposées sous le plancher. Il est aussi possible de les faire passer dans les plinthes (par exemple lors de rénovations). Contrairement au système monotube, les radiateurs ne sont pas reliés par une boucle, mais chaque radiateur est raccordé en étoile au collecteur de sistribution. Collecteur de distribution Départ Retour Fig. 18: Installation bitube partant d un collecteur de distribution Avantages: Tous les radiateurs ont la même température de départ, ce qui facilite la conception et la rend plus claire à interpréter. Les robinets thermostatiques n influent que faiblement sur la puissance émise par les radiateurs du voisinage. Peu de colonnes montantes, ce qui économise des matériaux et du travail. L installation des radiateurs peut se faire par du personnel auxiliaire (pas de soudage requis). Compteur de chaleur possible par appartement. Inconvénient: Les pertes de charge par frottement sont généralement plus importantes que dans les systèmes bitube traditionnels, les tuyauteries sont plus longues et de plus petit diamètre. Equilibrage hydraulique: L équilibrage hydraulique est facile. Le mieux est de disposer l emplacement des points de mesure du débit dans le collecteur de distribution de la tuyauterie. Départ Retour Fig. 17: Installation monotube Avantage: Moins de colonnes montantes, de travaux et de matériaux. Les boucles peuvent être installées par du personnel auxiliaire (pas de soudage requis). Compteur de chaleur possible par appartement. Inconvénient: La température de l eau est inégale dans les radiateurs, d où difficulté pour déterminer 15

18 Procédure 3.2 Préparatifs sur l installation 1. Il est conseillé d étudier la position des tuyauteries d alimentation, des colonnes montantes, des distributions par le sol, des radiateurs et robinets thermostatiques à l aide des plans et de contrôler les spécifications telles que débit, perte de charge et position de réglage de chaque vanne. 2. Toutes les vannes d isolement et d équilibrage sont à ouvrir et les vannes de réglage sont à positionner selon calcul ou de manière estimative. Si l installation comporte des robinets thermostatiques, tous les robinets sont à régler sur le débit nominal calculé. Dans la pratique, ce réglage s avère très difficile: Au départ, les vannes ont été dimensionnées pour différentes bandes proportionnelles X p. On ne peut pas régler manuellement une bande proportionnelle X p. Le thermostat de radiateur ouvre plus ou moins la vanne selon la température ambiante du moment. De par leur construction, les robinets thermostatiques Honeywell sont limités à une bande proportionnelle de X p = 3 K. Ceci permet d atteindre une valeur aussi proche que possible de la valeur requise lorsque les têtes sont retirées durant la phase d équilibrage. Bien entendu, les robinets thermostatiques avec préréglage doivent aussi être sur la valeur calculée. 3. Si les radiateurs sont raccordés via des vannes 3-voies avec bypass, la perte de charge au travers du bypass devrait être identique à celle au travers de l échangeur. Si c est le cas, les conditions hydrauliques sont identiques dans chaque état de fonctionnement. 4. Réglez toutes les vannes d équilibrage sur le préréglage calculé selon l étude. En l absence de données, réglez les vannes sur une valeur estimée. La vanne la plus éloignée de la pompe devra être totalement ouverte. Plus la vanne est proche de la pompe et plus le préréglage sur la vanne devra être petit. 5. Assurez vous de disposer des diagrammes des débits et des fiches techniques concernant les vannes. 6. Pour éviter des problèmes ultérieurs, ne pas oublier de bien rincer et purger l installation avant les opérations d équilibrage. 7. Pour terminer, contrôlez la pression de remplissage et rajoutez de l eau au besoin. Il serait bon que l équilibrage de l installation par un homme de métier soit annoté pour que plus tard, les données de l installation soient disponibles lors de travaux ultérieurs (extension etc.). 16

19 La methode proportionnelle 4 LA METHODE PROPORTIONNELLE La méthode la plus simple et la plus commune pour l équilibrage hydraulique des installations de chauffage ou de rafraîchissement est celle dite méthode proportionnelle. C est pourquoi elle sera détaillée ci-après à l aide d un exemple. L appellation méthode proportionnelle vient du fait que toutes les valeurs se comportent et se modifient entre elles de manière proportionnelle. Avec cette méthode, on équilibre sur un plan hydraulique les installations de chauffage et de rafraîchissement en trois étapes: 1. Mesure des débits effectifs et comparaison avec les débits souhaités 2. Equilibrage de l installation 3. Bridage de la pompe ou équilibrage du niveau le plus proche (tronçon secondaire par exemple, voir chapitre 2.4.2) 4.1 Mesure des débits effectifs A partir des débits effectifs et des débits de consigne souhaités, on détermine le quotient du tronçon concerné de l installation: Les valeurs de chaque tronçon sont enregistrées sous forme d un protocole: Point de mesure Actualflowrateqactual FlowquotientR= Targetflowrateqtarget Débit de consigne q consigne (kg/h) Débit effectif q effectif (kg/h) Mesure 1 Mesure 2 Mesure 3 Résultat Etat Quotient R Tronçon Tronçon Tronçon Tronçon Passage 1 Quotient R Passage 2 Quotient R Passage 3 Quotient R 4.2 Equilibrage des tronçons Le circuit le plus défavorisé se reconnaît à son plus petit quotient, dans notre exemple le tronçon 4. Ici, il ne faut pas brider davantage pour ne pas gaspiller inutilement de l énergie de pompe. Le quotient du tronçon le plus défavorisé sert de grandeur de référence pour le réglage des autres circuits. Selon la caractéristique de pompe et la caractéristique de réseau, la valeur définitive s écarte plus ou moins de la valeur de référence (les débits plus importants ayant une plus grande influence). Pour notre exemple, on estime en première approche un quotient R=1.15, valeur sur laquelle seront réglés les tronçons 1, 2 et 3 avec l aide de l appareil de mesure. Pour ce faire, on part du tronçon avec le plus grand quotient. Dans notre exemple, on règlera les tronçons selon l ordre 2, 3 puis 1. Pendant cette opération, les différents circuits s influencent mutuellement. L eau qui est bridée dans un tronçon reste en fait disponible et ne fait que prendre une autre direction. Pour cette raison, cette procédure se fait pas à pas, par étapes. Dans le deuxième essai, on règlera par exemple un quotient de L installation est équilibrée lorsqu on aura équilibré tous les circuits sur le même quotient (à l intérieur d une certaine plage de tolérance). Dans le présent exemple, les quotients pourraient se présenter comme suit après une deuxième mesure: Point de mesure Débit de consigne q consigne (kg/h) Débit effectif q effectif (kg/h) Mesure 1 Mesure 2 Mesure 3 Résultat Etat Quotient R Passage 1 Quotient R Passage 2 Quotient R Passage 3 Quotient R Tronçon Tronçon Tronçon Tronçon ?? Réduction sur le quotient R=1.0 Tous les tronçons sont maintenant équilibrées entre eux et le débit est trop élevé selon un facteur R=1.2. Pour cette raison, il convient de procéder encore à un bridage central, par exemple en équilibrant au niveau immédiatement supérieur. En l absence d un niveau supérieur, on pourra régler la pompe sur une plus petite vitesse ou bien remplacer la pompe par un modèle plus petit, ce qui économiserait aussi de l énergie électrique. REMARQUE: Si tous les quotients sont >1, l installation ou la section d installation est surdimensionnée. Si tous les quotients sont <1, l installation ou la section d installation est sous- dimensionnée. 17

20 Exemples de calcul 5 EXEMPLES DE CALCUL Après avoir décrit aux chapitres précédents l équilibrage hydraulique par des mesures et des réglages, on décrit ci-après à l aide de deux petits exemples la détermination approchée des réglages de robinets thermostatiques, vannes d équilibrage, et régulateurs de pression différentielle. En principe, ce calcul est suffisant, étant donné que lors du choix des robinets thermostatiques, on suppose l existence d un état stationnaire (voir section 2.1.1). Colonne A1 Colonne A2 Colonne B1 Colonne B2 dans les installations plus importantes. Dans le cas de notre exemple, on se base sur une perte de charge maximale de R 1.5 mbar/m. Les pertes de charge dépendent entre autre de divers facteurs tels que la rugosité intérieure des tuyauteries ainsi que de la densité du fluide. Elles peuvent être calculées ou relevées sur des abaques. La fig. 21 montre un tel abaque pour tuyauteries en acier et eau de chauffage à 40 C. Abaque de frottement dans les conduites q [kg/h] Tronçon secondaire A Tronçon principal Tronçon secondaire B Fig. 19: Schéma des tronçons selon l exemple de calcul 5.1 Exemple de détermination de robinets thermostatiques On utilisera comme modèle l exemple avec les colonnes montantes A1et A2 du schéma ci-dessus. La première étape consiste à dimensionner les tuyauteries ainsi que les robinets thermostatiques et les vannes d isolement. Pour cela, il faut connaître les volumes d eau des radiateurs et les longueurs des tuyauteries. Colonne A1 Le dimensionnement des tuyauteries requiert au moins de fixer une vitesse maximale de circulation pour éviter les bruits de circulation. Les raccordements aux radiateurs sont calculés pour une vitesse maximale de 0.5 m/s, tandis qu une vitesse allant jusqu à 1.5 m/s est plus habituelle pour le circuit principal de distribution. Toutefois, pour cette vitesse, il se crée de fortes pertes de charge dans les conduites ce qui exige une puissance élevée de pompe. Fig. 21: Abaque donnant les résistances de frottements pour déterminer les pertes de charge dans des tronçons partiels en mbar/m Tronçon T Q kg/h L m Dim. Δp tuyau mbar/m Δp tuyau mbar / / / / / / / / / / / / / Tab. 2: Pertes de charge des différents tronçons Fig. 20: Détail des tronçons selon l exemple de calcul Pour limiter la puissance de pompe, on dimensionnera les pertes de charge dans les plus petites installations entre 0.5 mbar/m et 1 mbar/m et entre 1 mbar/m et 2 mbar/m 18