Manuel d Hydronique Moderne P R E M I È R E É D I T I O N Résidentiel Industriel Commercial Fonte de n eige/glace Solutions professionelles de chauffage par rayonnement
M ANUEL D HYDRONIQUE M ODERNE
Ce manuel est publié de bonne foi et il est censé être fiable. Les données techniques sont le résultat d analyses scientifiques et empiriques. IPEX soutient une politique d amélioration continue des produits. Il peut en résulter la modification des caractéristiques ou des données techniques, sans préavis. 2002 par IPEX. Tous droits réservés. Aucune partie de ce manuel ne peut être utilisée ou reproduite de quelque façon que ce soit sans permission écrite. Pour information, s adresser à IPEX Inc., Service Marketing, 6665, chemin Saint-François, Saint-Laurent, Québec H4S 1B6. 2002 IPEX WR003UC-FR
INTRODUCTION L HYDRONIQUE MODERNE Tous les ans, des dizaines de milliers d'immeubles sont mis en chantier dans toute l'amérique du Nord. Des milliers d'autres sont l'objet de rénovations. Qu'ils soient neufs ou en rénovation, la plupart de ces bâtiments devront être équipés d'un système de chauffage à installer ou à modifier. Parmi les centaines de décisions qu'ils auront à prendre, les propriétaires auront à sélectionner un système de chauffage. Malheureusement, et la plupart du temps involontairement, le choix d'un tel système repose sur des facteurs qui, en fin de compte, n'apportent pas au propriétaire ou aux occupants le confort qu'ils attendent. Dans de nombreux cas, le système de chauffage, souvent considéré comme une partie du bâtiment indispensable mais sans attrait, est sélectionné uniquement en fonction de son coût d'installation. Dans d'autres cas, la sélection repose strictement sur ce que le constructeur offre ou recommande. Enfin, ce choix peut également dépendre des systèmes habituellement offerts pour le type de bâtiment en construction ou l'emplacement de ce bâtiment. De telles décisions peuvent se traduire par des années d'inconfort dans des immeubles difficiles à chauffer. Avec le recul, de nombreuses personnes ayant pris ce genre de décisions et en ayant supporté les conséquences seraient prêtes à changer rapidement d'avis si elles en avaient l'occasion. La plupart d'entre elles investiraient d'ailleurs facilement plus d'argent (au besoin) dans un système de chauffage qui réponde réellement à leurs attentes. Cette situation n'est pas irrémédiable! En fait, peu nombreuses sont les personnes qui n'apprécient pas un intérieur chaud et confortable par une froide journée d'hiver. Que ce soit à la maison ou au travail, cette douce chaleur leur fait oublier la neige, la glace et le vent qui souffle à l'extérieur. Un tel environnement procure en effet une sensation de bien-être et de contentement et la productivité s'en trouve améliorée. Le chauffage hydronique vous offre un tel environnement. Dans n'importe quel immeuble, ce genre de chauffage assure un confort inégalé durant des années. 1
MANUEL D HYDRONIQUE MODERNE DE IPEX La technologie hydronique possède la capacité sans pareille de transférer la chaleur avec précision à l'endroit désiré et au moment voulu. L'apport de chaleur s'effectue doucement, en silence et sans créer de courants d'air désagréables ni transporter de poussière et de polluants atmosphériques dans l'immeuble. Un système hydronique bien conçu coûte souvent nettement moins cher à utiliser que les autres installations de chauffage. Il existe une vaste gamme d'installations de chauffage hydronique, que ce soit dans une pièce supplémentaire ou dans de grands immeubles industriels et commerciaux. Un concepteur compétent est en mesure de configurer un système répondant aux besoins exacts d'un bâtiment et de ses occupants. Les systèmes s installent sans compromettre la structure du bâtiment ni remettre en cause son aspect esthétique. En bref, le chauffage hydronique s'adresse aux gens avisés qui attendent d'un immeuble qu'il soit aussi confortable qu'agréable à regarder. En matière de confort, de flexibilité et de rendement, le chauffage hydronique établit une norme selon laquelle les autres formes de chauffage devraient être évaluées. C'est le bon moment Il n'y a jamais eu de meilleur moment, pour un professionnel du chauffage, pour s'intéresser à l'hydronique. En effet, de nouveaux matériaux, et outils de conception, ainsi que de nouvelles techniques d'installation offrent aujourd'hui aux professionnels innovateurs des occasions d'affaires rentables et sans précédent. IPEX a élaboré ce manuel pour vous aider à mettre en œuvre la technologie du chauffage hydronique en utilisant le dernier cri de la conception et de l'installation. Notre but est de vous aider à satisfaire les besoins exacts de vos clients en utilisant les méthodes les plus raffinées et les matériaux offerts en matière de chauffage hydronique moderne. Nous désirons alimenter votre réflexion et vous donner le réflexe de penser «C est possible» lorsque des situations vous auraient conduit à des compromis en l'absence de la souplesse offerte par l'hydronique. Un système de tuyauterie universel La tuyauterie constitue naturellement un composant essentiel de tout système hydronique. Non seulement cette tuyauterie doit-elle contenir l'eau chauffée sous pression en toute sécurité, mais elle doit également résister à la corrosion, au cycle thermique et s'installer facilement. Les tuyaux Kitec XPA MC ont été lancés par IPEX en 1988 comme tuyauterie pressurisée à usages multiples, tant pour le chauffage hydronique, que la distribution d'eau potable. De par leur fabrication, les tuyaux Kitec combinent les meilleures propriétés de l'aluminium et du polyéthylène réticulé (PER), pour un produit composite unique en son genre utilisable dans des conditions de service dépassant souvent les limites du métal ou de la matière plastique seule. La partie centrale en aluminium des tuyaux Kitec XPA offre à la fois résistance et facilité de cintrage. L aluminium réduit considérablement les effets de contraction et dilatation associés aux changements de température comparativement aux tuyaux en plastique seulement. Il forme également une barrière extrêmement efficace contre la pénétration de l'oxygène, qui peut corroder les autres composants d'un système hydronique. La couche extérieure PER assure l'intégrité de la partie centrale en aluminium, en la protégeant contre l'abrasion et l'action des produits chimiques, lorsqu'on l'encastre dans un matériau comme le béton. La couche intérieure PER a une surface lisse et procure d'excellentes caractéristiques hydrauliques, ainsi qu'une très bonne résistance chimique. De par leur fabrication unique en son genre, les tuyaux Kitec XPA offrent également une excellente flexibilité pour une installation facile, particulièrement dans les endroits exigus, dans lesquels il n'est tout simplement pas possible d'envisager de tuyauterie rigide. Contrairement à la plupart des tuyaux en matière plastique, les produits Kitec XPA conservent la forme voulue après cintrage. Il est également facile de les redresser, pour une installation d'aspect propre et professionnel dans les endroits exposés. Les tuyaux Kitec XPA sont véritablement des produits universels convenant à toutes sortes d'usages, dans les systèmes de chauffage hydronique. De la dalle chauffante aux murs et plafonds chauffants en passant par les systèmes de fonte de neige et les circuits pour plinthes chauffantes, vous vous apercevrez que les qualités des produits Kitec XPA en font le choix par excellence pour tous vos besoins de tuyauterie de chauffage hydronique. De la tuyauterie aux systèmes En plus des tuyaux Kitec, IPEX offre également une gamme complète d'accessoires, comme les raccords de tuyauterie, les manifolds et les coffrets de commande Ambio-Confort. Tous ces produits sont conçus pour une installation rapide et simple, et peuvent s'utiliser dans de nombreuses applications. Dans les sections qui 2
MANUEL D HYDRONIQUE MODERNE DE IPEX suivent, nous vous présenterons de nouvelles méthodes d'utilisation de ces produits, pour concevoir et installer des systèmes susceptibles de mettre en valeur la qualité et le confort qui caractérisent depuis longtemps l'hydronique. Ce sont des techniques qui vous permettront de tirer avantage des projets présentant des défis que d'autres ne veulent pas relever tout en assurant votre réputation comme véritable professionnel du confort. De concert avec IPEX, vous pourrez maîtriser avec succès les innombrables possibilités offertes par la technologie de l'hydronique moderne. 3
MANUEL D HYDRONIQUE MODERNE DE IPEX TABLE DES MATIÈRES Section 1: De nombreuses possibilités!.................................7 Section 2: Options de sources de chaleur...............................13 Section 3: Régulation de la température de l'eau.........................21 Section 4: Méthodes de chauffage par rayonnement dans le plancher...........33 Section 5: Murs et plafonds rayonnants................................57 Section 6: Systèmes de manifolds...................................63 Section 7: Coffrets de commande préfabriqués...........................73 Section 8: Systèmes de distribution pour chauffage hydronique................87 Section 9: Conception de systèmes hydroniques multiples...................99 Section 10: Tuyaux pour chauffage à rayonnement........................109 Section 11: Chauffage hydronique pour fonte de neige / glace................115 Annexes 5
SECTION 1 DE NOMBREUSES POSSIBILITÉS! Question: Quelles demandes de chauffage peut-on satisfaire au moyen de la technologie hydronique moderne? Réponse: Pratiquement n'importe quelle demande imaginable! Pendant des années, le concept de chauffage hydronique a fait penser à des radiateurs en fonte ou à des plinthes chauffantes à tube à ailettes, installés dans des maisons d'habitation et des immeubles commerciaux - rien de plus. Les premiers systèmes hydroniques étaient habituellement considérés comme «résidentiels» ou «commerciaux» par nature. Les systèmes résidentiels étaient du ressort des entrepreneurs en plomberie/chauffage. Les règles de conception empiriques suffisaient habituellement, étant donné le peu de variétés des systèmes installés. La tuyauterie et les méthodes de régulation sont restées à peu près inchangées sur ces systèmes entre les années 50 et les années 80 en Amérique du Nord. Les systèmes hydroniques commerciaux, distincts de leurs équivalents résidentiels, formaient un monde véritablement à part. En effet, les techniques reposant sur les tuyauteries primaires/secondaires, les systèmes de distribution d'eau à multiples températures, ainsi que la régulation en fonction de la température extérieure étaient mis en œuvre avec succès dans les systèmes commerciaux, mais n'étaient pratiquement jamais considérés pour des installations résidentielles. L'hydronique entre dans une ère nouvelle Les temps ont bien changés, du point de vue de l'hydronique. Les systèmes résidentiels et commerciaux partagent maintenant certaines solutions communes en matière de tuyauterie et de régulation. Ainsi, des méthodes d'installation intéressantes mises au point il y a plusieurs dizaines d'années sont actualisées, en faisant appel à des matériaux et des principes de commande modernes, assurant des décennies de fonctionnement fiable et économique en énergie. 7
MANUEL D HYDRONIQUE MODERNE DE IPEX L'époque où les systèmes hydroniques ne comprenaient que les radiateurs en fonte, ainsi que des tuyauteries en cuivre ou en fonte et des plinthes de chauffage à tube à ailettes est révolue. Il est aujourd'hui possible, grâce à de nouveaux produits comme les tuyaux Kitec et les coffrets de commande Ambio-Confort, d'installer des systèmes de qualité répondant à des demandes de chauffage multiples. Les systèmes modernes peuvent comprendre un certain nombre d'émetteurs de chaleur. On sélectionne chacun de ces émetteurs en fonction des exigences thermiques, esthétiques et budgétaires précises d'un projet. On demande aujourd'hui aux entrepreneurs en chauffage hydronique de fournir des systèmes pour des projets de toutes tailles, allant du petit appartement à la maison d'habitation construite sur mesure, en passant par un certain nombre d'immeubles à usage commercial. Chaque projet comporte ses exigences propres. Les systèmes modernes comprennent plusieurs genres d'émetteurs de chaleur, fonctionnant à différentes températures d'eau; ils peuvent être divisés en une douzaine de zones, chaque zone étant dotée d'une régulation indépendante. Certains entrepreneurs hésitent à se lancer dans l'installation de systèmes aussi complexes. D'autres au contraire considèrent que, en utilisant les bons matériaux et les bonnes méthodes de conception, il est non seulement possible d'installer de tels systèmes, mais que c'est aussi une excellente occasion de faire des profits et de se démarquer auprès de la clientèle. L'entrepreneur conscient de ce que la technologie hydronique moderne peut lui offrir, et qui prend le temps d'étudier l'application des nouvelles méthodes de conception et d'utilisation des nouveaux produits, voit ses affaires se développer comme jamais auparavant. Le client avisé recherche ce genre de spécialiste de l'hydronique, car il peut lui offrir ce que ses concurrents ne peuvent pas, c'est-à-dire la capacité de combiner les produits et méthodes de conception modernes, dans le but de créer des systèmes de chauffage taillés sur mesure pour répondre aux besoins de leurs clients. Pour tirer parti de telles occasions, vous devez savoir comment utiliser ces techniques modernes d'installation et de régulation. C'est le but de ce manuel. Il vous apprendra ainsi comment utiliser les tuyaux Kitec, les coffrets de commande Ambio-Confort et autres accessoires pour assembler des systèmes hydroniques à la fine pointe de la technologie, assurant confort, économie et fiabilité et, par dessus tout, la satisfaction du client. Fort de ces connaissances, vous découvrirez que le chauffage hydronique moderne constitue l'un des créneaux les plus gratifiants et les plus lucratifs de l'industrie du CVC. La société IPEX possède la volonté et la capacité de vous aider à tirer profit des nombreux avantages offerts à ceux qui savent comment maîtriser la technologie hydronique moderne. 8 Un système à tout faire L'expression qui s'applique le mieux au concept de chauffage hydronique moderne est la suivante : Une seule source de chaleur dessert des charges multiples Parmi ces charges, on peut citer : Le chauffage par rayonnement des planchers, murs et plafonds Le chauffage par plinthes et panneaux-radiateurs Les sous-systèmes aérothermes Le chauffage indirect de l'eau à usage domestique Le chauffage de garage intermittent Le chauffage des piscines et baignoires à remous La fonte de neige Le «chauffage urbain» de plusieurs bâtiments adjacents Les charges rencontrées dans le domaine de l'agriculture et de l'horticulture, comme le chauffage des enceintes pour animaux, des serres et le réchauffage du gazon. De nombreuses installations peuvent comporter plusieurs de ces charges, correspondant à des demandes de chaleur différentes à des moments différents et à des températures différentes. Par exemple, le meilleur moyen de chauffer les locaux d'un immeuble donné peut consister à combiner plusieurs émetteurs de chaleur hydronique. Certaines zones peuvent être parfaitement adaptées au chauffage par rayonnement dans le plancher, tandis que d'autres seront mieux chauffées par rayonnement dans le plafond. Dans d'autres endroits enfin, le chauffage idéal peut être réalisé au moyen de plinthes ou même de gaines de chauffage à air pulsé assurant la circulation de l'air dans une section de traitement équipée d'un serpentin à eau chaude. Dans presque toutes les maisons et presque tous les immeubles commerciaux, on a également besoin d'eau chaude à usage domestique. Dans certains cas, la charge de chauffage correspondante peut être supérieure ou égale à la charge de chauffage des locaux. De nombreuses installations constituent également une application de choix pour la fonte de neige par chauffage hydronique, encore faut-il que les responsables soient conscients des avantages offerts par rapport aux méthodes traditionnelles d'enlèvement de la neige. Dans de telles situations, certains concepteurs proposent un système hydronique séparé pour chaque charge. On a ainsi une chaudière pour chauffer le bâtiment, une autre pour fondre la neige dans l'allée d'accès au garage et peut-être encore une autre pour chauffer la piscine. Dans le même immeuble, on peut aussi utiliser un ou plusieurs chauffe-eau directs à usage domestique. Bien qu'une telle approche soit possible, elle permet rarement de tirer parti de la capacité, unique en son genre, d'un système hydronique à raccorder toutes les charges sur une seule source de chaleur. Cette dernière solution permet en effet souvent de réduire la taille et le coût de l'ensemble du système. L'entretien s'en trouve également facilité et la consommation de combustible réduite. Une telle synergie dans un système est rendue possible grâce à la technologie hydronique moderne.
SECTION 1 DE NOMBREUSES POSSIBILITÉS De la simplicité à la sophistication Examinons comment la technologie hydronique moderne, de par sa flexibilité, permet de satisfaire les besoins aussi bien des installations simples que des installations sophistiquées. Commençons par une installation de base : un système de chauffage par le plancher pour un petit agrandissement dans une maison. Comme la charge est faible, on utilisera un chauffe-eau comme source de chaleur. La figure 1-1 illustre ce chauffe-eau ainsi que les autres composants du système. enfin brancher l'alimentation électrique. COFFRET DE COMMANDE EN BOUCLE OUVERTE sortie d'eau chaude C-E entrée d'eau froide sortie d'eau chaude Figure 1-2 C-E entrée d'eau froide Figure 1-1 Bien que l'installateur puisse acheter les composants (comme les manifolds, la pompe de circulation en bronze et le réservoir d'expansion) ainsi que la robinetterie séparément, il peut aussi utiliser un coffret de commande Ambio-confort, ce qui lui permettra d'économiser énormément de temps et de main-d'œuvre. Tous les composants nécessaires sont pré-assemblés dans un module compact et d'installation facile. Tout ce qu'il reste à faire c'est d'installer la tuyauterie entre le coffret de commande Ambio-Confort et le chauffe-eau, raccorder les circuits dans le plancher et Bien que ce système soit de conception très simple et facile à installer, il peut quand même offrir un confort de loin supérieur à celui obtenu avec d'autres systèmes, dont plusieurs peuvent être plus chers à installer ainsi qu'à utiliser. Une installation légèrement plus importante Dans une maison de type courant, la charge de chauffage calculée est souvent supérieure à la puissance générée par un chauffe-eau, en particulier si ce dernier doit également fournir l'eau chaude à usage domestique. Dans un tel cas, il vaut mieux prévoir une chaudière comme source de chaleur. La figure 1-3 présente un exemple de système hydronique assurant le chauffage des locaux grâce à un plancher rayonnant; il fournit l'eau chaude à usage domestique par le biais d'un chauffe-eau indirect. thermostats de pièce CC CONVENTIONNEL boucle primaire RÉGULATION DE MÉLANGE sortie d'eau chaude thermostats de pièce C-E indirect boucle pour eau chaude domestique alimentation CHAUDIÈRE CC CONVENTIONNEL entrée d'eau froide retour Figure 1-3 9
MANUEL D HYDRONIQUE MODERNE DE IPEX On a prévu deux coffrets de commande Ambio-Confort pour fournir l'eau et les commandes électriques pour la partie chauffage des locaux du système. Dans cette installation, des actionneurs électriques ont été montés sur les robinets, dans les coffrets de commande Ambio-Confort, afin d'assurer une régulation individuelle de la température dans plusieurs pièces. Un système de mélange par injection externe a été installé entre les coffrets de commande Ambio-Confort et la boucle primaire, dans le but de faire varier la température fournie aux circuits dans le plancher en fonction de la température extérieure (régulation en fonction de la température extérieure). Ce système de mélange protège également la chaudière contre la condensation des gaz de combustion, due à une température d'eau de retour trop basse. Des températures d'eau multiples pas de problème Certains immeubles peuvent exiger (ou certains clients peuvent préférer) différents émetteurs de chaleur hydroniques qui fonctionnent à des températures d'eau différentes. Par exemple, dans une partie du bâtiment, on peut utiliser un chauffage par rayonnement dans le plancher. Le circuit de tuyauterie dans la dalle de plancher chauffante peut alors fonctionner à une température d'eau de 40,5 C (105 F) dans les conditions de conception. Une autre partie du bâtiment peut être chauffée au moyen de plinthes avec tubes à ailettes exigeant cette fois-ci une eau à 82,2 C (180 F). Il est relativement aisé d'assurer ces températures d'eau multiples grâce à un système de tuyauterie/régulation dont le schéma est illustré à la figure 1-4. Remarquez que le manifold d'alimentation des circuits de plinthes chauffantes est raccordé directement sur la boucle primaire et reçoit ainsi de l'eau chaude (82,2 C (180 F)). Les circuits de chauffage dans le plancher sont alimentés en eau à température réduite, par le biais d'un système de mélange par injection et du coffret de commande Ambio-Confort. Notez que tous les composants assurant le fonctionnement des circuits de chauffage dans le plancher ont été incorporés dans un seul coffret de commande préfabriqué Ambio-Confort. La chaudière fournit également de l'eau chaude (82,2 C (180 F)) à l'échangeur de chaleur du chauffe-eau indirect, pour une plus grande efficacité de récupération. Ce système dessert donc trois charges de chauffage différentes, à partir d'eau à deux températures. Mais nous sommes encore loin des limites de la technologie hydraulique moderne. Une installation sophistiquée Supposons qu'après avoir discuté du système ci-dessus, vos clients vous demandent si vous pouvez également ajouter la fonte de neige, ainsi qu'un chauffage intermittent du garage ou de la piscine. Peut-être vous demandera-t-il même d'assurer ces trois charges de chauffage simultanément. C'est là que l'hydronique peut véritablement apporter une solution. boucle primaire 82,2 C (180 F) sortie d'eau chaude P / T RÉGULATION DE MÉLANGE thermostats de pièce CONVENTIONAL CP dhw loop alimentation 40,5 C (105 F) C-E indirect sortie d'eau froide CHAUDIÈRE retour Figure 1-4 10
SECTION 1 DE NOMBREUSES POSSIBILITÉS Dans une telle situation, vous pouvez offrir à votre client un système sur mesure et efficace, répondant exactement à ses besoins. La figure 1-5 illustre l'une des manières d'assembler un tel système. Représentez-vous ce système comme une série de sousensembles «branchés» sur une source commune d'eau chaude : la boucle primaire. Le sous-ensemble de chauffage dans le plancher se présente comme sur la figure 1-4, sauf que maintenant il y en a deux. Ils sont tout simplement branchés sur une boucle primaire plus grande. Dans le même ordre d'idée, le manifold alimentant les zones chauffées par plinthes est branché sur la boucle primaire de la même manière que sur la figure 1-4. Ce qu'il y a de nouveau, ce sont les sous-ensembles qui alimentent l'échangeur de chaleur destiné à la fonte de neige et au chauffage de la piscine. Représentons-nous les échangeurs de chaleur comme des zones de séparation entre l'eau chaude dans la boucle primaire et les fluides transportant la chaleur vers l'installation de fonte de neige et de chauffage de la piscine. La chaleur est ainsi transférée d'un fluide à l'autre, mais ces derniers ne se mélangent jamais. La «centrale thermique» alimentant ce système sophistiqué comprend deux chaudières commandées par un dispositif de régulation à étages. Ce concept - désigné par système à chaudières multiples - est aujourd'hui couramment utilisé dans les grandes installations de maisons d'habitation et commerciales. Un système à chaudières multiples est dimensionné pour fournir une puissance suffisante pour satisfaire toutes les demandes de chaleur simultanées. Une telle solution assure un rendement saisonnier plus élevé qu'avec une seule chaudière de plus grande capacité. La fiabilité du système s'en trouve également améliorée, du fait qu'une chaudière peut continuer à fonctionner même si l'autre tombe en panne. Le système illustré par la figure 1-5 met en œuvre le dernier cri de la technologie, en matière de tuyauterie et de techniques de régulation, pour assurer les charges de chauffage d'une grande maison d'habitation pourvue de nombreuses commodités. On emploie également des tuyaux Kitec et du matériel Ambio-Confort pour une installation plus rapide et une qualité supérieure. Dans les sections qui suivent, nous traitons des nombreux concepts essentiels et options offertes pour l'assemblage des systèmes hydroniques simples et sophistiqués. Apprenez-les, appliquez-les et soyez fier d'offrir à vos clients le confort et le rendement que seule la technologie hydronique moderne peut leur procurer. chauffage à plinthes boucle primaire chauffage à rayonnement alimentation CHAUDIÈRE retour boucle pour eau chaude domestique alimentation sortie d'eau chaude CHAUDIÈRE retour C-E indirect entrée d'eau froide fonte de neige piscine Figure 1-5 11
SECTION 2 OPTIONS DE SOURCES DE CHALEUR On peut utiliser une grande variété de sources de chaleur pour alimenter les systèmes de chauffage hydronique. Parmi ces sources de chaleur, nous pouvons citer les chaudières à gaz et à mazout, les pompes à chaleur hydroniques et les chauffe-eau à usage domestique. Certaines conviennent mieux aux systèmes à haute température, tandis que d'autres représentent le choix idéal pour les systèmes à basse température. Cette section décrit les caractéristiques de plusieurs sources de chaleur utilisables en chauffage hydronique. Pour de plus amples informations sur la sélection et l'installation de ces appareils, on pourra se reporter utilement à la documentation et aux manuels des fabricants. On doit également consulter les codes du bâtiment/de mécanique qui s'appliquent à l'installation particulière envisagée. Les renseignements indiqués à la fin de cette section permettent au concepteur de comparer les coûts de l'énergie fournie par divers combustibles, en tenant compte des coûts de ces derniers et aussi du rendement de conversion en énergie. 2-1 Chaudières conventionnelles La chaudière «conventionnelle» à gaz ou à mazout est la source de chaleur la plus souvent utilisée dans un système hydronique. On peut se les procurer avec échangeurs de chaleur en fonte, en acier et à tubes à ailettes en cuivre. Bien que conçues pour fonctionner à des températures relativement hautes, les chaudières conventionnelles peuvent s'adapter à des systèmes hydroniques à basse température, comme le chauffage par rayonnement dans le plancher, par le biais d'un dispositif de mélange. De par leur aptitude à produire de l'eau à haute température, elles constituent un bon choix pour les systèmes comprenant des émetteurs de chaleur à basse et aussi à haute température. Le terme «conventionnel» s'applique à une chaudière conçue pour un fonctionnement sans condensation continue des gaz durant le processus de combustion dans la chaudière. Ces gaz de combustion se composent de vapeur d'eau, de dioxyde de carbone et de traces d'autres produits de combustion dépendant du réglage du brûleur. Dans toute chaudière, il y a condensation temporaire des gaz de combustion au démarrage à froid. Lorsque la chaudière est raccordée sur un système de distribution de faible masse, conçu pour fonctionner à une température d'eau élevée 13
MANUEL D HYDRONIQUE MODERNE DE IPEX - des plinthes chauffantes à tubes à ailettes par exemple - la condensation des gaz ne dure pas. Au fur et à mesure que la chaudière s'échauffe, le liquide condensé s'évapore en effet rapidement au-dessus du point de rosée des gaz de combustion. Cependant, lorsqu'une chaudière conventionnelle sert de source de chaleur à un système de distribution à basse température, il est indispensable de maintenir la température d'entrée dans cette chaudière au-dessus du point de rosée des gaz de combustion. Dans le cas d'une chaudière à gaz, la température d'entrée d'eau en service continu ne doit pas descendre en-dessous de 54,4 C (130 F) tandis que, pour une chaudière à mazout, cette température ne doit pas être inférieure à 65,5 C (150 F). À défaut d'assurer une protection de la chaudière en maintenant ces températures d'entrée d'eau, il y aura condensation continuelle de vapeur d'eau (ainsi que d'autres composés présents dans les gaz) sur les surfaces internes de l'échangeur de chaleur. De par leur nature acide, ces liquides condensés peuvent entraîner rapidement de graves problèmes de corrosion, ainsi que la formation de tartre à l'intérieur de la chaudière. Il peut également y avoir corrosion des tuyauteries d'évent galvanisées, ainsi qu'une détérioration des cheminées en maçonnerie. Dans le cas d'un système de distribution hydronique de masse thermique élevée, il peut aussi y avoir condensation prolongée des gaz de combustion lors de la montée en température du système. Une dalle de béton froide avec circuits de tuyauterie encastrés constitue un bon exemple d'un tel système. Au moment où la dalle commence à se réchauffer, et du fait de sa masse thermique, elle peut soutirer la chaleur de l'eau qui circule de 3 à 4 fois plus vite que dans les conditions normales. Comme l'eau cède la chaleur à un rythme beaucoup plus élevé que cette chaleur n'est produite, la température de l'eau (dans une chaudière non protégée) descend rapidement en-dessous du point de rosée des gaz de combustion. La chaudière peut alors fonctionner durant des heures avec condensation continue des gaz de combustion. Il faut absolument éviter une telle situation. Le seul moyen d'éviter que la température d'entrée d'eau dans la chaudière ne diminue trop c'est d'empêcher toute extraction de chaleur de l'eau du système de distribution - quel qu'il soit - à un rythme plus rapide que la production de chaleur par la chaudière. Les dispositifs modernes de mélange peuvent assurer une surveillance et une régulation automatiques de la température de retour à la chaudière, par limitation du transfert de chaleur dans le système de distribution, au moyen d'un mélangeur. La figure 2-1 illustre le concept de la tuyauterie. Nous traiterons des détails de la protection de la chaudière par action sur la température de l'eau de retour dans la section 3. 2-2 Chaudière à condensation Contrairement à une chaudière conventionnelle, une chaudière à gaz à condensation est spécialement conçue pour favoriser la condensation de la vapeur d'eau produite lors de la combustion. Cette chaudière est conçue avec échangeur de chaleur interne de grande surface, afin de soutirer un maximum de chaleur des gaz de combustion. Les surfaces de l'échangeur de chaleur sont en acier inoxydable de haute qualité ou autre alliage spécial; elles résistent ainsi à la corrosion par le condensat acide, formé au fur et à mesure que les gaz refroidissent en-dessous du point de rosée. Lorsqu'on les utilise judicieusement dans les systèmes hydroniques à basse température, de telles chaudières peuvent avoir un rendement supérieur ou égal à 95%. Bien que plus complexes et plus chères que la plupart des chaudières conventionnelles, les chaudières à condensation sont très bien adaptées aux systèmes hydroniques à basse température, comme le chauffage dans une dalle de plancher, la fonte de neige, le chauffage d'une piscine et le chauffage d'eau à usage domestique à basse et à moyenne température. Plus la température de l'eau de retour du système de distribution est faible, plus la formation de condensat est intense et plus le rendement de la chaudière est élevé. Bien qu'on puisse utiliser une chaudière à condensation comme source de chaleur sur un système hydronique à haute température, ce n'est pas conseillé. La température d'eau plus élevée en service empêche en effet la chaudière de fonctionner avec condensation continue des gaz de combustion. Dans de telles conditions, le rendement est comparable à celui d'une chaudière conventionnelle. Encore une fois, la meilleure façon d'avoir un rendement élevé avec une chaudière à condensation c'est de l'utiliser sur un système de distribution à basse température. dispositif de mélange système de distribution système de distribution alimentation CHAUDIÈRE boucle de chaudière alimentation CHAUDIÈRE boucle de chaudière retour retour chaudière conventionnelle Figure 2-1 chaudière à condensation Figure 2-2 14
SECTION 2 OPTIONS DE SOURCES DE CHALEUR Dans un système avec chaudière à condensation, on n'utilise généralement PAS de dispositif de mélange entre la chaudière et le système de distribution. On récupère ainsi une partie du coût plus élevé de la chaudière. L'évacuation des gaz de la plupart des chaudières à condensation peut s'effectuer par la paroi latérale au moyen d'une tuyauterie de 50 mm (2 po) en PVCC. Là encore, on réduit le coût d'installation par rapport à une chaudière avec cheminée d'évacuation. La figure 2-2 illustre les tuyauteries de raccordement d'une chaudière à condensation sur un système de chauffage dans le plancher de type courant. 2-3 Chauffe-eau domestique Dans certains systèmes hydroniques, on peut utiliser un chauffe-eau à accumulation à usage domestique comme source de chaleur. La puissance du chauffe-eau limite sortie d'eau chaude C-E entrée d'eau froide soupape de décharge tarée à 30 psi Figure 2-3 thermostat sur tension de réseau généralement la taille d'un tel système. Les chauffe-eau à usage domestique ont des puissances comprises entre 15 000 et 40 000 BTU/h. Leur emploi se trouve alors limité à des installations dans de petits appartements ou de petits agrandissements de maisons. Du fait qu'un chauffe-eau à accumulation est conçu pour fonctionner à basse température, on n'utilise habituellement pas de dispositif de mélange entre ce chauffe-eau et le système de distribution. On raccorde le chauffe-eau directement au système de distribution, comme illustré par la figure 2-3. On règle le thermostat sur le réservoir en fonction de la température d'eau d'alimentation désirée. Dans certains systèmes, le chauffe-eau doit fournir à la fois l'eau chaude à usage domestique et de chauffage de locaux. Bien que cela soit possible dans certaines conditions, le concepteur doit s'assurer que la puissance du chauffe-eau est suffisante pour répondre aux besoins en chauffage et en eau chaude. Lorsque ces demandes sont simultanées, il est généralement indispensable de fournir en priorité l'eau chaude à usage domestique, puis assurer le chauffage. Par le biais d'une régulation de température, on peut suspendre le chauffage des locaux jusqu'à ce que la demande d'eau chaude à usage domestique soit satisfaite et que la température dans le réservoir soit revenue à la normale. Les avis diffèrent sur l'intérêt de faire circuler de l'eau potable dans les circuits de chauffage de locaux. Dans certains cas, l'eau potable peut en effet stagner dans les circuits de chauffage pendant plusieurs mois, favorisant ainsi le développement des microbes. Lorsqu'on utilise de l'eau potable dans un circuit de chauffage de locaux, les composants métalliques doivent être en bronze ou en acier inoxydable, afin qu'ils puissent résister à la corrosion par cette eau, riche en oxygène. Le système de chauffage peut également s'entartrer ou s'encrasser sous l'effet des contaminants contenus dans l'eau potable. L'approche à privilégier dans de tels systèmes à «usage double» consiste à séparer la partie chauffage des locaux de la partie eau à usage domestique au moyen d'un petit échangeur de chaleur en acier inoxydable, comme illustré par la figure 2-4. Du fait que l'échangeur de chaleur isole les composants servant au chauffage des locaux, il faut équiper le système de distribution d'un réservoir Coffret de commande avec échangeur de chaleur pompe de circulation en bronze sortie d'eau chaude échangeur de chaleur C-E robinet mélangeur à 3 voies pour réduire la température d'eau d'alimentationdans le plancher, au besoin côté secondaire de la boucle fermée entrée d'eau froide Figure 2-4 15
MANUEL D HYDRONIQUE MODERNE DE IPEX d'expansion, d'une soupape de décharge et d'un séparateur d'air. 2-4 Pompes à chaleur géothermiques Les pompes à chaleur géothermiques figurent parmi les sources de chaleur les plus récentes, que l'on peut utiliser sur certains systèmes de chauffage hydronique. Ces pompes extraient la chaleur d'un fluide à basse température, contenu dans un circuit de tuyauterie enterrée, ou encore directement d'un puits ou autre source d'eau comme un grand étang ou un lac. Grâce à un système de réfrigération semblable à celui mis en œuvre dans un conditionneur d'air central, on augmente la température du fluide du circuit enterré et on en transfère la chaleur à l'eau circulant dans le système de distribution. Comme c'est le cas avec une chaudière à condensation, on n'utilise pas de dispositif de mélange entre la pompe à chaleur et le système de distribution. Toutefois, lorsque le système de distribution est divisé en plusieurs zones ayant chacune leur propre régulation, il faut installer un réservoir tampon isolé entre la pompe à chaleur et le système de distribution, comme illustré par la figure 2-5. Grâce à ce réservoir, la puissance thermique de la pompe à chaleur peut être différente de la puissance extraite par le système de distribution. On empêche ainsi la pompe à chaleur de fonctionner en cycle court lorsque la demande de chauffage est faible. À l'instar d'une chaudière à condensation, une pompe à chaleur fonctionne à son meilleur rendement lorsqu'on l'utilise sur un système de distribution à basse température. À cet égard, les meilleurs systèmes sont ceux utilisés pour le chauffage par rayonnement dans une dalle de plancher et fonctionnant à une température d'eau comprise entre 37,7 et 46,1 C (100 et 115 F). Plus la température d'eau est basse, meilleur est le rendement de la pompe à chaleur. Ne pas utiliser de pompe à chaleur géothermique dans un système conçu pour une température d'eau supérieure à 54,4 C (130 F). En plus du chauffage, les pompes à chaleur géothermiques peuvent également fournir l'eau réfrigérée nécessaire à une installation de refroidissement hydronique. La solution la plus courante consiste à utiliser une unité de traitement d'air équipée d'un ventiloconvecteur. On peut utiliser d'autres appareils, comme les panneaux de plafond à rayonnement, pour le refroidissement à l'eau réfrigérée, mais il faut alors une régulation du point de rosée précise et fiable, afin d'éviter toute condensation sur les surfaces refroidies. On prévoit généralement une unité de traitement d'air séparée pour le contrôle de l'humidité. unité de traitement d'air pour refroidissement l'été gaines à air ventilateur échangeur de chaleur eau-air vanne de répartition réservoir tampon isolé pompe à chaleur géothermique eau-eau panneaux de chauffage par rayonnement «échangeur de chaleur dans le sol» à tuyauterie enterrée Figure 2-5 16
SECTION 2 OPTIONS DE SOURCES DE CHALEUR 2-5 Systèmes de stockage de l énergie thermique De nombreuses entreprises de distribution d'électricité proposent des tarifs «hors pointe». L'énergie achetée durant les heures hors pointe est généralement beaucoup moins chère que durant les périodes de forte demande. Un système de chauffage hydronique constitue un excellent moyen de tirer parti de cette réduction de tarif. La solution consiste à acheter l'électricité en période hors pointe et à stocker l'énergie sous forme d'eau chaude. On utilise ensuite cette eau pour chauffer le bâtiment durant les heures «de pointe», au moment où les tarifs sont les plus élevés. La figure 2-6 illustre un schéma montrant comment appliquer ce concept. Un contact prévu dans le compteur d'électricité permet de démarrer le cycle de chauffage «hors pointe». Il y a alors chauffage de l'eau par mise sous tension d'un ou plusieurs éléments chauffants dans le grand réservoir à accumulation d'eau chaude, bien isolé. La mise en température se poursuit durant plusieurs heures et le réservoir s'échauffe progressivement. En cas de demande de chauffage dans le bâtiment durant le cycle de réchauffage, une certaine quantité d'eau du réservoir est dirigée vers le système de distribution, comme à tout autre moment de la journée. À la fin du cycle de réchauffage, la température de l'eau dans le réservoir peut atteindre 93,3 C (200 F). Les éléments chauffants sont mis hors tension sur ouverture du contact dans le compteur d'électricité. L'eau chaude du réservoir contient alors assez de chaleur pour répondre à la plupart des besoins, sinon à tous, durant les heures «de pointe» qui vont suivre. Une telle source de chaleur convient très bien à un système de distribution à basse température comme celui utilisé en chauffage par rayonnement dans le plancher. De par sa basse température de fonctionnement, un tel système permet d'extraire un maximum de chaleur du réservoir et ainsi tirer parti au mieux de la capacité de stockage d'énergie ainsi offerte. La chaleur stockée dans une dalle de plancher chauffante permet également au système de fonctionner «au ralenti» durant les heures de pointe, en cas d'épuisement de l'énergie contenue dans le réservoir. Un dispositif de mélange, installé entre le réservoir de stockage et le système de distribution, assure une réduction automatique de la température de l'eau fournie au système, selon les besoins. robinet mélangeur à 3 voies volume de dilatation compteur d'électricité panneaux de chauffage par rayonnement contacteur(s) éléments chauffants réservoir à accumulation d'eau chaude Figure 2-6 17
MANUEL D HYDRONIQUE MODERNE DE IPEX 2-6 Chaudières à bois Lorsqu'on peut facilement se procurer du bois de chauffage à un coût concurrentiel par rapport aux autres combustibles, une chaudière à bois constitue une autre source de chaleur possible pour un système hydronique. Dans certains systèmes, on utilise une chaudière à bois en tandem avec une chaudière à combustible conventionnel. La figure 2-7 illustre le concept de la tuyauterie. Chaque chaudière fait partie d'un circuit secondaire raccordé sur une boucle de tuyauterie primaire. Cette disposition permet à l'une ou l'autre des chaudières de fonctionner sans faire circuler d'eau chaude dans l'autre (à l'arrêt), d'où une réduction des pertes thermiques. Les commandes du système sont conçues de sorte que la chaudière à combustible conventionnel prenne automatiquement la relève lorsque le feu dans la chaudière à bois commence à s'éteindre. Il est plus difficile de maîtriser la puissance fournie par une chaudière à bois que dans le cas d'une chaudière à combustible conventionnel. La stabilité de fonctionnement d'un système s'améliore lorsqu'il y a un grand volume d'eau. Ce volume d'eau peut être contenu dans la chaudière à bois ou dans un réservoir de stockage thermique isolé séparé. Prévoir une bonne isolation sur ce réservoir, pour un stockage de la chaleur durant plusieurs heures avec un minimum de pertes thermiques. La figure 2-7 illustre également ce concept. Certaines chaudières à bois ne sont pas conçues pour fonctionner sous pression. Les coffres à eau situés dans la chaudière sont en effet reliés directement à l'atmosphère. Bien que les avis soient partagés sur la meilleure façon de raccorder une telle chaudière à «système ouvert» sur un système de distribution hydronique, une solution prudente consiste à installer un échangeur de chaleur en acier inoxydable pour isoler l'eau de la chaudière de l'eau sous pression du système de distribution. De cette manière, non seulement le système de distribution sous pression peut-il fonctionner en silence et sans accumulation d'air, mais on protège aussi les composants en fonte et en acier du système contre la corrosion par l'eau de la chaudière à bois, plus riche en oxygène dissous. boucle primaire alimentation Chaudière pont d'injection retour chaudière conventionnelle échangeur de chaleur panneaux de chauffage par rayonnement alimentation Chaudière retour chaudière à bois tuyauterie souterraine isolée Réservoir à accumulation d'eau chaude (optionnel) Figure 2-7 18
SECTION 2 OPTIONS DE SOURCES DE CHALEUR 2-7 Comparaison des coûts des combustibles Dans de nombreux cas, on choisit la source de chaleur en fonction du type de combustible offert ou considéré comme le plus économique sur la durée de vie utile du système. La vente des combustibles courants s'effectue en se basant sur des unités différentes : le kilowattheure pour l'électricité, la thermie pour le gaz naturel, les gallons pour le mazout et la corde mince pour le bois de chauffage. Pour effectuer une comparaison précise, il faut exprimer le coût et le contenu énergétique des différents combustibles possibles sur une même base. Les formules de la figure 2-8 permettent ainsi d'exprimer le coût de l'énergie de chauffage pour plusieurs combustibles sur une base commune : le coût en dollars d'un million de BTU de chaleur produite. On désigne ce coût par la forme abrégée $/10 6 BTU. Dans ces formules, on tient compte du coût, des unités d'achat, ainsi que du rendement de la source de chaleur lors de la conversion du combustible en chaleur utile. Fiche de comparaison des coûts de chauffage chauffage électrique 6 $ / 10 BTU pompe à chaleur 6 $ / 10 BTU coefficient de performance (COP) moyen mazout n 2 6 $ / 10 BTU rendement anuel sur l'utilisation du combustible propane 6 $ / 10 BTU rendement anuel sur l'utilisation du combustible gaz naturel 6 $ / 10 BTU rendement anuel sur l'utilisation du combustible bois de chauffage* corde mince rendement moyen 6 $ / 10 BTU Notes : 1. $/10 6 BTU = dollars par million de BTU fourni à l'immeuble 2. kwh = kilowattheure = 3 413 BTU 3. Coefficient de = coefficient moyen de performance durant la saison de chauffage (dans le cas d'une pompe à performance chaleur géothermique avec système de distribution à basse température, ce coefficient est (COP) moyen généralement compris entre 2,5 et 3,5) 4. AFUE = s'applique à l'appareil de chauffage (dans le cas d'une chaudière ordinaire à mazout ou à gaz, (rendement prendre une valeur comprise entre 0,75 et 0,80) l'utilisation du combustible) * En considérant un mélange à parts égales (50/50) d'érable et de hêtre séchés et contenant 20% d'humidité Le prix correspond à une corde mince de 4 pi x 8 pi x 16'' de bois fendu et livré Figure 2-8 19
SECTION 3 RÉGULATION DE LA TEMPÉRATURE DE L EAU Dans tout système de chauffage hydronique, il est indispensable d'assurer une régulation de la température d'eau fournie aux émetteurs de chaleur. Dans un système simple, il suffit d'alimenter en eau les divers appareils à une seule température. Dans un système plus sophistiqué, comprenant plusieurs types d'émetteurs de chaleur, on peut avoir à fournir de l'eau en même temps à deux ou plusieurs températures. Dans cette section, on aborde plusieurs méthodes de régulation de la température de l'eau et on traite du matériel utilisé pour y parvenir. 3-1 Régulation à point de consigne unique On désigne sous le nom de «régulation à point de consigne unique» la méthode de régulation de la température de l'eau la plus simple. Comme son nom l'indique, cette méthode assure une température d'eau unique (point de consigne unique) dans le système de distribution, indépendamment des appareils en fonction ou de l'importance de la demande de chauffage (tant qu il y a une demande). Afin d'empêcher tout fonctionnement en cycle court de la source de chaleur ou d'autres composants du système, la régulation du point de consigne doit s'effectuer avec différentiel de température. Ce différentiel correspond à la différence entre la température à laquelle les contacts électriques se ferment et celle à laquelle ils s'ouvrent. La mise en route de la source de chaleur s'effectue le plus souvent par fermeture d'un contact. Par exemple, dans le cas d'une régulation avec point de consigne à 82,2 C (180 F) et différentiel de température de 5,6 C (10 F), la source de chaleur s'arrête de fonctionner à 82,2 C (180 F) et se remet en marche à 76,6 C (170 F). Dans certains modes de régulation, le différentiel de température est «centré» sur le point de consigne. Avec une commande de ce type, le différentiel différentiel différentiel de température au-dessous du point de consigne point de consigne (les contacts s'ouvrent) (les contacts se ferment) différentiel de température centré sur le point de consigne (les contacts s'ouvrent) point de consigne (les contacts se ferment) Figure 3-1 21
température d'eau d'alimentation ( F) MANUEL D HYDRONIQUE MODERNE DE IPEX point de consigne étant réglé à 82,2 C (180 F) et le différentiel de température à 5,6 C (10 F), les contacts électriques s'ouvrent pour arrêter la source de chaleur à 85 C (185 F) et ils se ferment sur détection d'une température inférieure à 79,4 C (175 F). La figure 3-1 permet de comparer ces deux types de régulation à point de consigne unique. Dans certains modes de régulation à point de consigne unique, le différentiel de température est fixe (non réglable), tandis qu'il est réglable dans d'autres cas. Plus le différentiel de température est faible, plus la température de l'eau se maintient près du point de consigne voulu. Cependant, si le différentiel de température est trop petit, la source de chaleur et les autres équipements du système risquent de fonctionner suivant des cycles excessivement courts, avec diminution du rendement et de la durée de vie utile. Dans un système hydronique, il est courant que la source de chaleur fonctionne à un différentiel voisin de 5,6 C (10 F). Dans un système avec régulation à point de consigne unique, la température moyenne d'eau d'alimentation des appareils reste la même, en cas de demande de chauffage, indépendamment de la puissance exigée par ces appareils. Par exemple, une chaudière fonctionnant avec régulation à point de consigne unique et alimentant un circuit de plinthes chauffantes à tubes à ailettes fournit de l'eau chaude (aux environs de 79,4 C (175 F) en moyenne), que la température extérieure soit de -23,3 C (-10 F) par une froide journée de janvier ou qu'elle soit de 10 C (50 F) par un doux après-midi d'octobre. Afin d'éviter une surchauffe dans des conditions de fonctionnement autres que celles considérées lors de la conception, l'écoulement doit être interrompu de temps en temps par arrêt de la pompe de circulation ou fermeture des robinets de zone. Pour réduire au minimum les variations de température dans une pièce, il est important de prévoir un thermostat avec faible différentiel de température, de l'ordre de 1 ou 2. Si le thermostat comporte un élément anticipateur, il faut régler soigneusement le courant qui le parcourt durant le cycle de marche. 3-2 Réglage en fonction de la température extérieure Plutôt que de fournir la chaleur par «bouffées», le système idéal doit continuellement adapter sa puissance en fonction des pertes thermiques du bâtiment. La température intérieure reste alors constante et les conditions extérieures n'ont aucun effet sur le confort. C'est pourquoi la régulation en fonction de la température extérieure (ORC) a été mise au point. Ce mode de régulation assure un transfert de chaleur entre les émetteurs de chaleur et l'espace à chauffer exactement au rythme voulu. La régulation en fonction de la température extérieure (ORC) est de plus en plus considérée comme la meilleure méthode de régulation de température de l'eau, particulièrement pour les systèmes de chauffage dans le plancher à masse thermique élevée. Dans un système de régulation en fonction de la température extérieure, on se base sur la température de l'air extérieur pour déterminer la plage idéale de température d'eau à fournir aux émetteurs de chaleur. Plus il fait froid dehors, plus la température de l'eau est élevée. L'objectif, c'est d'adapter la puissance de chauffage aux pertes thermiques du bâtiment. Il existe deux façons d'appliquer la régulation en fonction de la température extérieure à un système hydronique. On peut les utiliser séparément ou combinées. Ce sont : 1. réglage de la chaudière en fonction de la température extérieure 2. réglage du dispositif de mélange en fonction de la température extérieure La commande de régulation d'une chaudière en fonction de la température extérieure prend le pas sur la commande de limite haute standard (fixe) prévue sur la plupart des chaudières. Au fur et à mesure que la température de l'air extérieur varie, la commande de régulation recalcule constamment quelle doit être la température de l'eau de la chaudière et règle le brûleur en conséquence. température d'alimentation minimale réglée à 140 F température extérieure ( F) Note: pour une température d'air extérieur supérieure à environ 25 F, cette installation fournit de l'eau à 140 F au système de distribution, sur demande de chaleur. Figure 3-2 La régulation d'une chaudière en fonction de la température extérieure s'applique bien à des systèmes comprenant des émetteurs de chaleur hydronique à température relativement élevée, comme les plinthes chauffantes et les panneaux-radiateurs. Toutefois, comme il n'est pas possible de faire fonctionner longtemps une chaudière conventionnelle à une température inférieure au point de rosée des gaz de combustion, la régulation de chaudière en fonction de la température extérieure doit se limiter aux systèmes avec émetteurs de chaleur à basse température. Avec de telles chaudières, la température de l'eau ne peut être réglée que «partiellement à la baisse», à une valeur minimale sélectionnée par l'utilisateur, comme illustré par la figure 3-2. 22
SECTION 3 RÉGULATION DE LA TEMPÉRATURE DE L EAU dispositif de mélange capteur sur alimentation boucle de chaudière système de distribution alimentation chaudière conventionnelle CHAUDIÈRE capteur sur retour à la chaudière retour options de dispositif de mélange robinet mélangeur à 2 voies robinet mélangeur à 3 voies robinet mélangeur à 4 voies pompe d'injection à vitesse variable Figure 3-3 Dans le cas considéré, la température de sortie d'eau de la chaudière ne peut descendre en-dessous de 60 C (140 F). Il se trouve que cette valeur correspond à une température de l'air extérieur de -3,8 C (25 F).La température de l'air extérieur reste supérieure ou égale à -3,8 C (25 F) pendant une bonne partie de la saison de chauffage dans de nombreuses régions d'amérique du Nord. Il s'en suit qu'une eau d'alimentation des émetteurs de chaleur à une température de 60 C (140 F) est plus chaude que nécessaire durant presque toute la saison de chauffage. Le thermostat de pièce doit alors commander l'arrêt de la pompe de circulation (ou la fermeture des robinets de zone) pour éviter toute surchauffe dans ces conditions de service. Une régulation appliquée au mélange en fonction de la température extérieure suppose l'installation d'un dispositif de mélange entre la boucle de chaudière et un circuit de distribution séparé. Ce dispositif peut comprendre une vanne de régulation modulante à 2, 3 ou 4 voies, ou encore une pompe d'injection à vitesse variable, comme l'illustre la figure 3-3.Nous traiterons plus en détails de ces possibilités dans la suite de cette section. Le dispositif de mélange assure la bonne température d'alimentation d'eau du système de distribution. Le cas échéant, il joue également le rôle d'un «embrayage» en empêchant la masse froide du système de distribution d'absorber la chaleur plus vite que la chaudière ne peut la produire. Cette dernière fonction, couramment désignée par «protection de chaudière», revêt une importance capitale lorsqu'une chaudière conventionnelle fournit de la chaleur à un système de chauffage dans une dalle de plancher. La régulation appliquée au mélange en fonction de la température extérieure assure une réduction «majeure» de la température de l'eau fournie au système de distribution tout en protégeant la chaudière contre une trop basse température d'eau d'alimentation ( F) température d'alimentation minimale réglée à 140F température extérieure ( F) température d'eau de chaudière avec régulation de la chaudière régulation de température de boucle secondaire par dispositif de mélange Figure 3-4 23
MANUEL D HYDRONIQUE MODERNE DE IPEX température d'eau à l'entrée. On peut utiliser simultanément la régulation de chaudière et la régulation appliquée au mélange en fonction de la température extérieure dans un même système. La figure 3-4 illustre ce concept. La commande de régulation de chaudière en fonction de la température extérieure assure une surveillance et un réglage de la température de l'eau dans la boucle primaire en faisant varier les cycles de chauffe de cette chaudière. La température de l'eau de la boucle primaire fait souvent l'objet d'une réduction seulement partielle, afin d'empêcher la chaudière de fonctionner en-dessous du point de rosée. La régulation appliquée au mélange en fonction de la température extérieure assure la commande du dispositif de mélange en réduisant la température de l'eau de la boucle primaire selon les charges de chauffage. Dans certains systèmes, il peut y avoir deux ou plusieurs dispositifs de mélange indépendants alimentés par une boucle primaire commune. La figure 3-5 présente un exemple de courbes de régulation en fonction de la température extérieure s'appliquant à un système dans lequel la chaudière et le dispositif de mélange font l'objet d'une telle régulation. Noter que la température d'alimentation minimale de la boucle primaire est de 60 C (140 F), pour une protection de la chaudière contre la condensation continue des gaz de combustion. Cependant, la régulation relative au mélange en fonction de la température extérieure permet d ajuster la température de l'eau d'alimentation du système de distribution à celle de l'air de la pièce. 3-3 Exigences de mélange Pour réduire la température de l'eau fournie par la source de chaleur au système de distribution, on peut utiliser plusieurs types de dispositifs de mélange. Parmi ces derniers figurent les robinets à 2, 3 et 4 voies, ainsi que plusieurs genres d'appareils de mélange par injection. Très souvent, la régulation de la température de l'eau fournie au système de distribution ne dépend pas uniquement du dispositif de mélange. Dans un système avec une chaudière conventionnelle comme source de chaleur, le dispositif de mélange doit aussi empêcher la température de l'eau à l'entrée de trop descendre, afin d'éviter une condensation continue des gaz de combustion. La seconde exigence s'applique lorsqu'on associe une chaudière d'un type quelconque - non conçue pour fonctionner avec condensation continue des gaz de combustion - à un système de distribution à basse température. La plupart des chaudières «conventionnelles» à gaz et à mazout appartiennent à cette catégorie. Lorsque cette protection n'est pas assurée, l'intérieur de la chaudière peut gravement se corroder et s'entartrer. Non seulement la durée de vie de la chaudière se trouvet-elle raccourcie, mais il peut y avoir des fuites dans la tuyauterie d'évacuation et dégagement de produits de combustion dans le bâtiment. Malheureusement, on considère souvent comme secondaire le fait de protéger la chaudière contre une trop basse température d'eau à l'entrée, par rapport à la nécessité d'assurer la bonne température d'eau d'alimentation du système de distriboucle primaire capteur sur alimentation capteur sur alimentation de chaudière CC DE MÉLANGE CC DE CHAUDIÈRE alimentation CHAUDIÈRE retour capteur sur retour à la chaudière dispositif de mélange CC conventionnel, version simple Figure 3-5 24
SECTION 3 RÉGULATION DE LA TEMPÉRATURE DE L EAU bution. C'est une erreur dont les conséquences peuvent être extrêmement graves. On considère généralement que les effets nuisibles dus à la condensation des gaz de combustion disparaissent lorsque la température de retour est supérieure ou égale à 54,4 C (130 F) pour une chaudière à gaz et supérieure ou égale à 65,5 C (150 F) pour une chaudière à mazout. Il y a cependant des exceptions et on doit consulter les fabricants de chaudières pour connaître leurs exigences sur la température minimale de fonctionnement de leurs équipements. Les chaudières à condensation, objet de la section 5, sont spécialement conçues pour une condensation continue des gaz de combustion et n'ont donc pas besoin de protection reliée à la température de retour. Plus la température de l'eau de retour est basse, plus leur rendement est élevé. Dans la plupart des cas, il n'est pas indispensable de prévoir de dispositif de mélange lorsqu'on utilise une chaudière à condensation comme source de chaleur pour un système de distribution hydronique à basse température, dans la mesure où la température d'alimentation correspond aux critères de conception. Une source de chaleur hydronique ne produisant pas de gaz de combustion n'a pas besoin d'être protégée contre la condensation. C'est le cas d'une chaudière électrique, d'une pompe à chaleur hydronique, d'un réservoir de stockage thermique et d'un échangeur de chaleur. 3-4 Robinets mélangeurs thermostatiques à 3 voies Le robinet mélangeur thermostatique à 3 voies est l'un des dispositifs de mélange les plus utilisés dans les systèmes hydroniques à basse température. Il possède deux orifices d'entrée - un pour l'eau chaude et l'autre pour l'eau froide - et un seul orifice de sortie pour le mélange des deux. L'intérieur du robinet renferme un mécanisme de réglage mobile servant à établir dans quelles proportions l'eau chaude et l'eau froide doivent entrer. Le mécanisme se déplace de haut en bas (et vice versa) dans le corps de robinet sous l'effet de la dilatation et de la contraction d'un actionneur rempli de cire. L'eau mélangée chauffe la pastille de cire étanche à son passage. Lorsque le mélange est légèrement trop chaud, la cire se dilate, forçant le mécanisme à obturer partiellement l'entrée d'eau chaude et à ouvrir en même temps l'orifice d'entrée d'eau froide. La température d'eau désirée à la sortie se règle au moyen d'un bouton prévu sur le robinet et agissant sur l'actionneur. Au fur et à mesure que les températures d'entrée d'eau chaude et d'eau froide varient, l'actionneur rempli de cire maintient la température de sortie à la valeur réglée par déplacement du mécanisme. Certains robinets mélangeurs à 3 voies sont commandés par un actionneur à soufflets remplis de gaz plutôt que par un actionneur à pastille de cire. Ils sont munis d'un bulbe de détection contenant un fluide dont la pression augmente lorsqu'on le chauffe. Cette augmentation de pression entraîne la fermeture partielle de l'orifice d'entrée d'eau chaude en même temps que l'ouverture de l'orifice d'eau froide. La température du mélange d'eau à la sortie se règle au moyen d'un bouton prévu sur le robinet. Installer de préférence le bulbe de détection de température en aval de la pompe de circulation de la boucle de distribution. De cette manière, on assure un mélange complet avant passage au niveau du bulbe. Un bulbe mal positionné peut fonctionner de façon aléatoire. C'est en immergeant le bulbe de détection de température dans le courant d'eau que l'on obtient la meilleure précision. En cas d'impossibilité, fixer solidement le bulbe sur la tuyauterie à l'aide de sangles et le recouvrir d'isolation. La figure 3-6 illustre un schéma de tuyauterie avec robinet à 3 voies. Cette disposition de tuyauterie est adéquate si (et seulement si) une basse température d'eau à l'entrée ou un débit réduit à faible charge n'ont pas d'effet nuisible sur la source de chaleur. Une réduction du débit dans une chaudière ou un réservoir de stockage thermique à forte masse constitue rarement un problème. Par contre, dans le cas d'une chaudière à faible masse, d'une pompe à chaleur ou d'une chaudière électrique, il peut être nécessaire d'avoir un vanne thermoplastique à 3 voies source de chaleur l'eau tiède est renvoyée directement à la source de chaleur Figure 3-6 panneaux de chauffage par rayonnemen t 25
MANUEL D HYDRONIQUE MODERNE DE IPEX débit minimal en service. Dans de telles situations, la source de chaleur doit posséder son propre circuit de dérivation pompé, comme illustré par la figure 3-7. De cette manière, le débit dans la source de chaleur reste alimentation retour CHAUDIÈRE chaudière à faible masse tés rapprochés Figure 3-7 constant, indépendamment de la répartition des débits dans le robinet à 3 voies. Les raccordements entre le circuit de dérivation et le reste du système de tuyauterie s'effectuent par des tés auxiliaires primaires, afin d'empêcher toute interférence entre les deux pompes de circulation. Les robinets thermostatiques à 3 voies alimentent le système de distribution à une température fixe, indépendamment de la charge de chauffage. À charge partielle, il peut y avoir surchauffe du bâtiment à moins qu'on interrompe l'écoulement dans les émetteurs de chaleur lorsque la température de pièce voulue est atteinte. Un robinet mélangeur thermostatique à 3 voies utilisé pour la régulation de la température d'eau d'alimentation du système de distribution N'ASSURE AUCUNE protection d'une chaudière conventionnelle contre la condensation des gaz de combustion. La figure 3-7 montre qu'une partie de l'eau de retour du système de distribution revient directement à la chaudière. Lorsque le système de distribution fonctionne à basse température, cette eau de retour entraîne une condensation continue des gaz de combustion dans la chaudière. On doit éviter vanne thermostatique à 3 voies panneaux de chauffage par rayonnement cette situation. L'une des façons de protéger une chaudière conventionnelle contre la condensation continue des gaz de combustion consiste à installer un second robinet mélangeur thermostatique à 3 voies comme illustré par la figure 3-8. Ce robinet supplémentaire assure une régulation de la température de retour et, au besoin, augmente la température de l'eau entrant dans la chaudière en mélangeant l'eau chaude de cette chaudière avec l'eau de retour froide de la boucle primaire. Certains fabricants installent même ce robinet thermostatique dans leurs chaudières. 3-5 Robinets mélangeurs thermostatiques à 3 voies motorisés vanne thermostatique à 3 voies (temp. d'eau de retour réglée à 130 F pour protection de la chaudière) tés rapprochés vanne thermostatique à 3 voies (régulation de la temp. d'alimentation) chaud chaud froid tiède (mélange) froid tiède (mélange) alimentation CHAUDIÈRE retour chaudière conventionnelle panneaux de chauffage par rayonnement Figure 3-8 26
SECTION 3 RÉGULATION DE LA TEMPÉRATURE DE L EAU On peut également équiper les robinets à 3 voies d'actionneurs de précision motorisés. Ces actionneurs sont commandés par un module électronique. Le système ainsi équipé peut alors alimenter un panneau à rayonnement en eau à température fixe ou variable. Le corps de robinet utilisé dans ce genre de système de mélange diffère souvent de celui d'un robinet thermostatique à 3 voies. Il possède un arbre à mouvement rotatif (et non linéaire). Au cours de sa rotation sur un arc d'environ 90, la cage interne ouvre l'un des orifices d'entrée et ferme l'autre. Elle établit ainsi la température de sortie du mélange par réglage des proportions d'eau chaude et d'eau froide entrant dans le robinet. Le moteur de l'actionneur assure une rotation très lente de l'arbre du robinet. L'arbre tourne de 90 degrés en 2 à 3 minutes. Cette lenteur de rotation ne pose pas de problème, étant donné que de nombreux systèmes de distribution à forte masse mettent beaucoup de temps à réagir. On assure en fait la stabilité du système en évitant un sur-dépassement ou un sous-dépassement par rapport à la température d'eau réglée. Une sonde de température fixée à la tuyauterie d'alimentation du système de distribution mesure la température du mélange d'eau à la sortie du robinet. La valeur de la température mesurée est ensuite renvoyée à un module électronique assurant par rétroaction la commande de l'actionneur du robinet. Si la température est exactement celle recherchée, le moteur ne modifie pas la position de la tige du robinet. Si la température d'alimentation est un peu trop faible, le moteur fait tourner très lentement la tige du robinet pour laisser entrer plus d'eau chaude et vice versa. Comme la sonde se trouve en aval de l'orifice de sortie du robinet, elle envoie constamment des informations au module de commande, qui assure un réglage fin de la température d'eau par rétroaction. La figure 3-9 illustre la tuyauterie raccordée à un robinet à 3 voies motorisé. Noter la paire de tés rapprochés, sur la boucle de chaudière, assurant l'interface avec le système de distribution. Ce montage remplit deux fonctions importantes. Tout d'abord, il empêche la pompe de circulation de la boucle primaire de perturber l'écoulement dans le robinet à 3 voies. En second lieu, on crée un autre point de mélange (point B) de l'eau chaude dans la boucle de chaudière avec l'eau de retour froide du système de distribution, avant l'entrée dans la chaudière. Le module de commande du moteur de robinet détecte à la fois la température d'alimentation du système et la température de retour à la chaudière. Le cas échéant, ce module peut également fermer partiellement l'orifice d'eau chaude du robinet à 3 voies, empêchant la masse froide du système de distribution d'absorber la chaleur plus vite que la chaudière ne peut la produire. On parvient ainsi, au moyen d'un seul robinet à 3 voies motorisé, à régler la température d'alimentation et à protéger la chaudière contre une température d'entrée trop faible. La plupart des modules de commande installés sur les robinets mélangeurs peuvent s'utiliser soit en régulation à point de consigne unique, soit en régulation en fonction de la température extérieure. On ne peut assurer (automatiquement) ce dernier mode de régulation avec un robinet thermostatique à 3 voies. Un robinet motorisé à 3 voies, raccordé et commandé selon ces recommandations, offre plus de souplesse qu'une paire de robinets thermostatiques à 3 voies. 3-6 Robinets mélangeurs à 4 voies motorisés Le robinet mélangeur à 4 voies motorisé est un autre tés rapprochés robinet motorisé à 3 voies capteur sur alimentation alimentation CHAUDIÈRE capteur sur retour à la chaudière COFFRET MODULE DE DE COMMANDE retour chaudière conventionnelle Figure 3-9 éléments panneaux de chauffage par par rayonnement 27
MANUEL D HYDRONIQUE MODERNE DE IPEX dispositif que l'on utilise beaucoup dans les installations comportant une chaudière conventionnelle et un système de distribution à basse température. Ces robinets sont conçus à la fois pour assurer la régulation de la température d'eau d'alimentation et augmenter la température de retour à la chaudière. La figure 3-10 montre la coupe d'un corps de robinet à 4 voies d'un type courant. Dans un robinet à 4 voies, l'eau chaude provenant de la chaudière se mélange à l'eau de retour froide du système retour de chaudière alimentation de chaudière alimentation du système Figure 3-10 palette rotative alimentation du système de distribution à deux endroits. Dans la chambre supérieure, les courants d'eau chaude et froide se mélangent pour alimenter le système de distribution. En même temps, il y a également mélange dans la chambre inférieure du robinet. On recherche ici à augmenter la température de l'eau de retour à la chaudière. Tout comme dans un système avec robinet à 3 voies motorisé, une sonde de température montée sur la tuyauterie d'alimentation du système de distribution assure une rétroaction vers le module de commande du robinet. Une autre sonde de température, installée près du retour à la chaudière, permet au module de commande des surveiller la température à l'entrée de la chaudière. Le cas échéant, ce module peut également fermer partiellement l'orifice d'eau chaude du robinet, empêchant la masse froide du système de distribution d'absorber la chaleur plus vite que la chaudière ne peut la produire. La figure 3-11 illustre la tuyauterie recommandée à raccorder à un robinet à 4 voies motorisé. Le raccordement du robinet à la boucle de chaudière s'effectue par des tés rapprochés. On évite ainsi toute interférence entre la pompe de circulation de chaudière et la pompe de circulation de distribution. Le robinet soutire de l'eau chaude dans la boucle de chaudière en mettant à profit l'énergie de l'eau de retour du système de distribution. La boucle de chaudière assure aussi un débit adéquat dans la chaudière dans toutes les conditions de service. Il est important de bien comprendre qu'en utilisant simplement un robinet mélangeur à 4 voies dans un système, on NE garantit PAS la bonne température d'alimentation du système de distribution. On ne garantit pas non plus une protection de la chaudière contre une température de retour trop basse. Pour une bonne régulation, le robinet doit réagir à la fois à la température d'alimentation du système et à la température de retour à tés rapprochés robinets motorisés à 4 voies capteur sur alimentation alimentation CHAUDIÈRE capteur sur retour à la chaudière MODULE DE COFFRET DE COMMANDE 28 retour chaudière conventionnelle Figure 3-11 panneaux éléments de chauffage par rayonnement
SECTION 3 RÉGULATION DE LA TEMPÉRATURE DE L EAU la chaudière. On y parvient grâce à un module de commande qui détecte à la fois la température d'alimentation et la température de retour. Il est inutile d'installer un robinet à 4 voies sans prévoir l'actionneur / le module de commande nécessaires à son bon fonctionnement. 3-7 Mélange par injection (concept) Le mélange par injection constitue l'un des moyens les plus simples, tout en offrant une grande souplesse, de régulation de la température de l'eau dans un système de distribution hydronique. La figure 3-12 illustre ce concept. De l'eau chaude de la chaudière est refoulée dans une tuyauterie désignée par colonne d'injection. L'eau entre par l'orifice latéral d'un té au point (A), où elle se mélange le mélange commence en «A» entrée d'eau chaude sortie d'eau tiède pompe de circulation écoulement en dérivation Figure 3-12 capteur de température d'alimentation panneaux de chauffage par rayonnement avec l'eau de retour froide du système de distribution. En se mélangeant, ces deux écoulements établissent la température d'alimentation du circuit secondaire. Plus le débit d'eau chaude entrant dans le té est grand, plus le système de distribution se réchauffe et plus sa puissance augmente. Le mélange par injection est le choix idéal pour les systèmes comportant une chaudière conventionnelle et un système de distribution à basse température. De par la grande différence de température ( T) entre l'eau chaude à l'entrée et l'eau de retour à la sortie, il suffit d'un débit d'injection minimal pour assurer un taux de transfert de chaleur important. 3-8 Mélange par injection au moyen d'un robinet à 2 voies La vanne de régulation modulante à 2 voies est l'un des appareils utilisés en régulation de mélange par injection. Cette vanne est commandée soit par un actionneur thermostatique non électrique, soit par un moteur électrique. La figure 3-13 illustre le concept de tuyauterie. De l'eau chaude, soutirée de la boucle de chaudière, est refoulée dans la colonne d'injection au point B. L'eau passe par la vanne de régulation d'injection et entre par l'orifice latéral d'un té au point C, où elle se mélange avec l'eau de retour froide du système de distribution. Le débit dans la colonne d'injection dépend de la position de la tige de la vanne de régulation d'injection, ainsi que du réglage du robinet limiteur de débit. Plus le débit d'injection est grand, plus la température d'eau d'alimentation du système de distribution est élevée et plus sa tés rapprochés robinet motorisé à 2 voies capteur sur alimentation alimentation robinet limiteur de débit CHAUDIÈRE capteur sur retour à la chaudière COFFRET DE COMMANDE retour chaudière conventionnelle Figure 3-13 panneaux de chauffage par rayonnement 29
MANUEL D HYDRONIQUE MODERNE DE IPEX robinet thermoplastique à 2 voies (régulation du débit d'injection d'eau chaude) capteur sur alimentation robinet limiteur de débit alimentation CHAUDIÈRE retour chaudière conventionnelle robinet thermoplastique à 3 voies (pour augmenter la température de retour à la chaudière) éléments panneaux de chauffage par rayonnement Figure 3-14 puissance augmente. Dans un système de chauffage dans le plancher à basse température de type courant, alimenté par une chaudière conventionnelle, le débit dans la vanne de régulation d'injection est d'environ 15 à 20% du débit dans le système de distribution. On peut ainsi utiliser une vanne de régulation d'injection de diamètre relativement faible pour assurer la modulation du transfert d'une grande quantité de chaleur. Lorsqu'on utilise une vanne motorisée commandée par un module électronique, la protection de la chaudière est assurée par surveillance de la température d'entrée et au besoin fermeture partielle de la vanne d'injection, afin d'empêcher le système de distribution d'absorber la chaleur plus vite que la chaudière ne peut la produire. Contrairement à une vanne motorisée avec module de commande «intelligent», une seule vanne modulante thermostatique à 2 voies ne peut pas assurer la régulation à la fois de la température d'alimentation du système de distribution et la température d'entrée dans la chaudière. Pour protéger la chaudière, il faut alors utiliser un autre appareil de mélange ayant la capacité de surveiller et de régler la température d'entrée. La figure 3-14 montre comment utiliser un robinet à 3 voies à cet effet. Lorsqu'on utilise un robinet à 2 voies pour le mélange par injection, rapprocher le plus possible les tés aux points A et B de la figure 3-13. S'assurer également que la distance verticale soit d'au moins 18 pouces entre le point de raccordement de la colonne d'injection de retour à la boucle de chaudière et le point de raccordement au système de distribution. Cette partie verticale joue le rôle d'un siphon thermique réduisant le transfert de chaleur dans le système de distribution en l'absence de demande de chauffage. Il est important de sélectionner la vanne de régulation d'injection à partir de son Cv et NON en se basant sur le diamètre de la colonne d'injection. Une vanne d'injection surdimensionnée ne permet pas d'assurer une régulation en douceur de la puissance de chauffage à faible charge. Au contraire, une vanne sous-dimensionnée entraîne une perte de charge excessive et peut ne pas être suffisante pour fournir la puissance thermique nominale nécessaire. Avant de sélectionner la vanne de régulation d'injection, calculer le débit d'injection nécessaire dans les conditions nominales de charge à l'aide de la formule suivante : Où : Formule 3-1 f i = Q 500 x (T 1 _ T2 ) fi = débit d'injection dans les conditions de conception (en GPM) Q = puissance fournie au système de distribution dans les conditions de conception (en BTU/h) T1 = température de l'eau injectée (en F) T21 = température de l'eau de retour du système de distribution (en F) 500 = constante pour l'eau (utiliser 479 pour un mélange à 30% de glycol et 450 pour un mélange à 50% de glycol) Sélectionner une vanne de régulation d'injection ayant un coefficient de débit Cv correspondant approximativement au débit d'injection calculé. Une fois le système opérationnel, régler le robinet limiteur de débit de sorte que la vanne de régulation d'injection reste entièrement ouverte dans les conditions de 30
SECTION 3 RÉGULATION DE LA TEMPÉRATURE DE L EAU conception. La vanne de régulation peut ainsi fonctionner sur toute la course de sa tige au fur et à mesure que l'apport de chaleur au système de distribution passe de zéro à la charge maximale de conception. 3-9 Mélange par injection au moyen d'une pompe à vitesse variable Une autre méthode consiste à utiliser comme dispositif d'injection une petite pompe de circulation à rotor immergé fonctionnant à vitesse variable. La figure 3-15 illustre ce concept de tuyauterie. De l'eau chaude est soutirée de la boucle de chaudière puis refoulée dans la colonne d'injection d'alimentation au point B. Elle entre par l'orifice latéral d'un té au point C, où elle se mélange avec l'eau de retour froide du système de distribution. Un débit identique d'eau froide de retour s'écoule du système de distribution vers le circuit primaire par l'autre colonne montante. La variation de la vitesse de la pompe d'injection assure la régulation du débit d'eau chaude circulant dans la colonne d'alimentation. Plus la pompe tourne vite, plus le débit d'eau chaude dans le système de distribution est grand et plus la puissance fournie est également grande. Dans un système de chauffage dans le plancher à basse température de type courant, alimenté par une chaudière conventionnelle, le débit dans la pompe d'injection est d'environ 15 à 20% du débit dans le circuit secondaire. On peut ainsi utiliser une pompe d'injection relativement petite pour assurer la régulation du transfert d'une grande quantité de chaleur. La régulation de mélange par injection protège aussi la chaudière par surveillance de la température d'entrée et réduction de la vitesse de la pompe, empêchant le système de distribution d'absorber la chaleur plus vite que la chaudière ne peut la produire. Lorsqu'on utilise une pompe à vitesse variable pour le mélange par injection, rapprocher le plus possible les tés aux points A et B de la figure 3-15. S'assurer également que la distance verticale soit d'au moins 18 pouces entre le point de raccordement de la colonne d'injection (retour) au circuit primaire et son point de raccordement au circuit secondaire. Cette partie verticale joue le rôle d'un siphon thermique réduisant le transfert de chaleur dans le système de distribution lorsqu'il n'y a pas de demande de chauffage. Dans un système bien équilibré, la pompe d'injection doit fonctionner à sa vitesse maximale lorsque le système fonctionne dans les conditions nominales de charge. Cet équilibre s'obtient en réglant le robinet d'équilibrage situé sur la colonne d'injection de retour. Il y a plusieurs façons de régler ce robinet. L'une d'elles consiste à utiliser un robinet doté de moyens de mesure incorporés. Plusieurs robinets de «réglage de circuit» sont offerts dans ce but. Avant de pouvoir régler correctement le robinet de réglage de circuit, il faut d'abord calculer le débit d'injection nécessaire dans les conditions nominales de charge à l'aide de la formule 3-1. La pompe d'injection fonctionnant à sa vitesse maximale, fermer partiellement le robinet de réglage de circuit jusqu'à ce qu'il indique un débit égal à celui ainsi calculé. pompe d'injection descente verticale de 450 mm (18") au minimum capteur sur alimentation alimentation robinet d'équilibrage CHAUDIÈRE retour chaudière conventionnelle capteur sur retour à la chaudière COFFRET MODULE DE DE COMMANDE éléments panneaux de chauffage par rayonnement Figure 3-15 31
SECTION 4 MÉTHODES DE CHAUFFAGE PAR RAYONNEMENT DANS LE PLANCHER L'accessibilité à des matériaux modernes, comme les tuyaux Kitec, a entraîné un décuplement du marché du chauffage hydronique par rayonnement dans le plancher au cours de la dernière décennie. Des méthodes d'installation ont été mises au point pour plusieurs types de plancher, dans les immeubles à usage résidentiel, commercial et industriel. Grâce à ces techniques d'installation, il est possible d'équiper chaque année des milliers d'immeubles d'un système de chauffage que beaucoup considèrent comme offrant le summum du confort associé à un rendement énergétique optimal. 4-1 Qu'est-ce que le chauffage par rayonnement? Avant de traiter plus en détail de l'installation d'un système de chauffage par rayonnement dans le plancher, il est important de bien comprendre le principe du fonctionnement de ce type de chauffage, ainsi que de savoir en quoi il diffère des autres formes de chauffage. Dans la nature, il existe trois façons de transférer de la chaleur d'un objet à une température donnée à un objet à une température plus basse. La conduction est le phénomène par lequel la chaleur se déplace dans un matériau solide, ou encore passe d'un matériau solide à un autre, lorsque ces deux matériaux sont en contact. Lorsque vous vous trouvez nu-pieds sur une dalle de plancher de sous-sol froide, la chaleur se transmet de vos pieds à la dalle par conduction. La convection est le phénomène par lequel la chaleur se déplace de la surface d'un solide à un fluide. Ce fluide peut être soit un liquide soit un gaz. De l'eau chaude qui s'écoule dans une tuyauterie transfère de la chaleur à la paroi intérieure de cette tuyauterie par convection. De la même façon, l'air circulant dans un échangeur de chaleur à l'intérieur d'une fournaise absorbe la chaleur provenant des surfaces métalliques chaudes. Il y a transfert de chaleur par rayonnement, lorsque des rayons infrarouges quittent la surface d'un objet pour se diriger vers la surface d'objets plus froids. Contrairement à la conduction et à la convection, le transfert de chaleur par rayonnement n'exige pas la présence d'un fluide ou d'un matériau solide entre les deux objets entre lesquels il y a transfert de chaleur. Il suffit en effet qu'il y ait un espace entre ces deux objets. L'énergie solaire parcourt approximativement 93 millions de milles entre le soleil et la terre, dans un espace vide, uniquement sous forme d'énergie de rayonnement. L'énergie de rayonnement ne se transforme en chaleur sensible qu'une fois absorbée par une surface. 33
MANUEL D HYDRONIQUE MODERNE DE IPEX L'énergie de rayonnement émise par les émetteurs de chaleur à température relativement basse, utilisée en chauffage hydronique, se désigne techniquement par l'expression rayonnement électromagnétique infrarouge. C'est tout simplement de la lumière que l'œil humain ne peut pas distinguer. Cependant, mis à part le fait qu'elle est invisible, la lumière infrarouge se comporte exactement de la même manière que la lumière visible. Elle se déplace en ligne droite à la vitesse de la lumière (300 000 km à la seconde), et les surfaces métalliques peuvent la réfléchir en partie. Contrairement à de l'air chaud, l'énergie de rayonnement peut se déplacer de la même manière pratiquement dans n'importe quelle direction. Que ce soit vers le haut, vers le bas ou sur les côtés, le sens n'a tout simplement pas d'importance. Grâce à cette particularité, un plafond chauffant peut fournir de la chaleur par rayonnement à la pièce située en dessous. L'émission d'énergie de rayonnement par un plancher, un mur ou un plafond chauffant est un phénomène entièrement naturel, aussi vieux que l'univers lui-même. Une surface chauffée par les rayons solaires émet un rayonnement infrarouge exactement identique à celui émis par une tuyauterie encastrée. Cette dernière met tout simplement en œuvre une source de chaleur et un système de transport différents pour fournir la chaleur à la surface. La plupart des panneaux radiants à basse température émettent moins de 1/10 du flux radiant de la lumière solaire, et cela uniquement sous forme de lumière infrarouge et non de lumière ultraviolette. Même le corps humain émet un rayonnement infrarouge vers les surfaces voisines, plus froides. 4-2 Les avantages du chauffage hydronique par rayonnement dans un plancher Plusieurs personnes considèrent que le chauffage par rayonnement dans un plancher représente le summum du confort en matière de chauffage. En plus des avantages que présente le chauffage hydronique en général, un plancher chauffé peut vous procurer ce que pratiquement aucun autre système n'est en mesure de vous offrir. N importe lequel de ces avantages peut se transformer en un «sésame ouvre-toi» chez un client avisé, qui ensuite décidera d'installer un système de chauffage hydronique par rayonnement dans le plancher. Voici un résumé des principaux avantages. Un confort thermique inégalé : Dans un immeuble avec plancher chauffant, l'environnement intérieur favorise au plus haut point le confort thermique de l'humain. Contrairement à plusieurs systèmes qui chauffent l'air directement, un chauffage par rayonnement dans le plancher chauffe doucement la surface des objets et l'air qui se trouvent dans la pièce. En présence de ces surfaces chaudes, les occupants d'une pièce cèdent la chaleur beaucoup moins rapidement, si bien que la plupart des gens se sentent très bien à une température de pièce inférieure de 3 à 5 F à celle qu'il faudrait maintenir avec d'autres moyens de chauffage. La température de l'air au niveau du plancher est légèrement supérieure à la température moyenne de la pièce. On perd ainsi beaucoup moins de chaleur par les pieds et les jambes. La température de l'air commence à décroître à quelques pieds au-dessus du plancher. La plupart des gens se sentent un peu plus éveillés, lorsque la température de l'air au niveau de leur tête diminue. De manière générale, l'air est à sa température minimale juste en dessous du plafond de la pièce. Il y a alors réduction des pertes thermiques par l'isolation du plafond et par conséquent réduction des coûts de chauffage. Un système bien dissimulé : La plupart des gens admettent bien que tout immeuble d'amérique du Nord destiné à recevoir des personnes doit être équipé d'un système de chauffage. Cependant, peu de personnes sont portées à admirer les émetteurs de chaleur qui sont pourtant indispensables à un tel système. Par ailleurs, comme ces émetteurs de chaleur empiètent sur l'espace réservé aux meubles, ils deviennent encore moins intéressants. Dans un système de chauffage hydronique par rayonnement dans le plancher, c'est la surface du plancher elle-même qui joue le rôle d'émetteur de chaleur. Il n'est donc aucunement nécessaire de faire de compromis sur l'esthétique, ni sur l'emplacement des meubles. C'est donc un système offrant à vos clients un intérieur d'immeuble aussi luxueux du point du confort thermique que du point de vue de l'esthétique. Un système silencieux : L'un des points forts du chauffage hydronique, c'est son aptitude à fournir de la chaleur sans générer de bruit. Un système de chauffage hydronique par rayonnement dans le plancher bien conçu, c'est l'essence même du silence. Le seul bruit que l'on peut percevoir, c'est celui du brûleur à gaz ou à mazout de la chaudière, et cette dernière se trouve habituellement dans la salle de mécanique, loin des locaux habités. Un système propre : Une installation de chauffage à air pulsé a tendance à faire circuler la poussière, les odeurs et les germes dans toute la maison, et c'est là un inconvénient majeur. Au lieu de déplacer l'air dans toute la maison, le chauffage hydronique dans le plancher assure une circulation très discrète (à peine perceptible) de l'air dans la pièce. Plusieurs personnes souffrant d'allergies ont remarqué qu'un système de chauffage par rayonnement dans le plancher n'aggravait pas leur problème, comme le ferait un système de chauffage à air pulsé. Un système durable : Un système de chauffage installé dans une dalle de plancher est pratiquement aussi indestructible que la dalle elle-même. C'est le moyen de chauffage par excellence des garages, des immeubles industriels, des salles de jeux ou de tout autre immeuble, dans lesquels il y a beaucoup de circulation intérieure. Un système réduisant la consommation de combustible: Il est établi qu'un système de chauffage hydronique dans le plancher consommait moins d'énergie que toute autre forme de chauffage, tant dans un immeuble à usage résidentiel, que commercial ou industriel. Ces économies d'énergie s'expliquent de plusieurs façons : température d'air intérieure plus faible pour un même confort, moins de stratification des couches d'air due aux différences de température, pièces non pressurisées (la pressurisation augmente les fuites d'air), et enfin la possibilité de fonctionnement à une température d'eau plus basse. Les économies réalisées varient d'un immeuble à l'autre. Bien que sur certains projets, on note des économies 34
SECTION 4 MÉTHODES DE CHAUFFAGE PAR RAYONNEMENT DANS LE PLANCHER supérieures à 50 %, il est plus prudent de considérer une économie de 10 à 20 %. Du fait que le coût de l'énergie augmente sans cesse, la réduction de consommation de combustible va jouer un rôle de plus en plus important dans la sélection d'un système de chauffage. Un système de chauffage hydronique par rayonnement dans le plancher consomme un minimum d'énergie tout en offrant un confort exceptionnel. Ce système constitue véritablement un point de référence, par rapport auquel on peut comparer toutes les autres méthodes de chauffage. 4-3 Historique du chauffage hydronique par rayonnement dans un plancher Les origines du chauffage hydronique par rayonnement dans un plancher remontent au début des années 1900, alors que ces systèmes étaient installés avec des tuyauteries en fonte et en acier. Dans les années 40 et 50, de nombreux systèmes de chauffage par rayonnement dans un plancher comprenaient des tuyauteries en cuivre encastrées dans une dalle de béton. Bien qu'un peu grossières par rapport à aujourd'hui, ces installations ont rapidement prouvé qu'elles pouvaient offrir un confort inégalé. D'ailleurs, on utilise encore certains de ces anciens systèmes. Cependant, plusieurs autres ont dû être abandonnés depuis longtemps, à cause de la fatigue ou de la corrosion des tuyauteries métalliques encastrées. Bien que ces premiers systèmes procuraient un confort exceptionnel, un trop grand nombre d'entre eux, installés avec des tuyauteries en cuivre, en acier ou en fonte encastrées, présentaient des fuites. C'est ainsi que la confiance du consommateur dans un système de chauffage hydronique dans le plancher, offrant à la fois confort et longue durée de vie sans problème, se mit à diminuer régulièrement. L'apparition de la climatisation d'air central, à la fin des années 50, ainsi que des systèmes de ventilation forcée, présentés comme des installations de choix pour le chauffage et la climatisation, a entraîné la disparition du chauffage hydronique dans les planchers. Du moins en apparence. Ironiquement, alors que le marché du chauffage hydronique dans les planchers était pratiquement en voie de disparition en Amérique du Nord, on était en train de mettre au point un nouveau matériau de tuyauterie en Europe de l'ouest. C'était le polyéthylène réticulé (ou PER). Ce matériau devait se révéler rapidement comme étant le facteur le plus important du renouveau du chauffage hydronique dans un plancher en Amérique du Nord. Les européens avaient déjà acquis une solide expérience dans le domaine des tuyauteries PER et PER-AL-PER utilisées en chauffage dans le plancher, au moment où ces produits firent leur apparition sur le marché nord-américain au début des années 80. Ces matériaux de tuyauteries modernes permirent de démontrer, lentement mais sûrement, qu'ils pouvaient offrir à la fois confort, facilité d'installation et longue durée de vie utile. Le reste, comme on dit, n'est que de la petite histoire. Le consommateur s'intéresse aujourd'hui comme jamais auparavant aux nouvelles méthodes d'installation de chauffage hydronique dans un plancher. Il recherche avant tout des installateurs professionnels qualifiés et des produits de qualité. Avec les tuyaux Kitec et les accessoires Ambio- Confort, vous pouvez offrir à ces consommateurs avisés exactement ce qu'ils recherchent. Poursuivons, en présentant les différentes méthodes d'installation de ces systèmes. 4-4 Systèmes avec dalle sur sol Comme le passé l'a déjà montré, un plancher avec dalle sur sol en béton constitue le choix par excellence pour un chauffage hydronique. Le nombre d'immeubles construits avec ce type de plancher est impressionnant. Parmi ces constructions, on compte un pourcentage important de maisons unifamiliales, ainsi qu'un fort pourcentage d'immeubles commerciaux. Parmi les installations les mieux adaptées au chauffage dans un plancher, figurent celles comprenant un large espace ouvert, comme les centres d'entretien des véhicules automobiles, les garages à étages, les postes de pompiers et les hangars d'entretien des aéronefs. Ces bâtiments possèdent la plupart du temps des planchers de béton non revêtus, ce qui permet de tirer parti au maximum du chauffage hydronique, ces planchers étant maintenus chauds et secs. plancher fini adhésif dalle de béton tuyau treillis métallique isolation pare-vapeur fondation remblai compacté DALLE DE BÉTON SUR SOL avec isolation sous dalle 35
MANUEL D HYDRONIQUE MODERNE DE IPEX plancher fini adhésif tuyau max. 50 mm (2") de la surface treillis métallique dalle de béton «chaise» pare-vapeur fondation remblai compacté DALLE DE BÉTON SUR SOL sans isolation sous dalle Procédure d'installation: La figure 4-1 illustre une vue en coupe d'un plancher moderne avec dalle sur sol chauffé. L'installation d'une dalle de plancher chauffante débute par la vérification de la mise à niveau et du compactage du sol en place. Bien que l'installateur en chauffage ne soit pas à proprement parler responsable de cette partie de la DALLE DE BÉTON SUR SOL plancher fini fondation adhésif dalle de béton isolation sous dalle treillis métallique tuyau composite pare-vapeur remblai compacté Figure 4-1 36
SECTION 4 MÉTHODES DE CHAUFFAGE PAR RAYONNEMENT DANS LE PLANCHER construction, il doit y prêter attention. Un sol préparé de façon inadéquate peut provoquer des problèmes ultérieurs de fonctionnement des circuits de tuyauterie encastrés. L installateur pourrait se retrouver dans un litige associé à la fissuration de la dalle provoquée par ce sol instable et aucunement imputable à la tuyauterie. Une fois le sol bien préparé, installer le pare-vapeur et l'isolation sous dalle. Pour certains immeubles, le devis des charges peut ne pas exiger de pare-vapeur sous dalle. Il peut cependant être indispensable d'empêcher toute transmission d'humidité provenant du sol sous-jacent, particulièrement lorsque le revêtement de plancher est en bois. Les pertes thermiques par les bords et le dessous d'une dalle chauffée sur sol peuvent être très importantes, particulièrement dans les endroits où la nappe phréatique est à un niveau élevé ou lorsque la dalle repose sur du roc. Il est donc essentiel d'isoler les bords et le dessous de la dalle pour réduire ces pertes thermiques. Il est indispensable d'avoir une telle isolation dans tout système de chauffage de plancher de qualité. Ne pas prendre les mesures nécessaires pour réduire ces pertes thermiques, c'est la même chose que de laisser les fenêtres ouvertes tout l'hiver. De façon réaliste, on ne peut envisager l'installation de l'isolation sous dalle qu'avant la coulée du béton. En effet, lorsqu'on découvre par la suite qu'il y a d'importantes pertes thermiques vers le bas, alors que le système est en fonction, il est pratiquement impossible de corriger la situation. Il n'est pas raisonnable d'installer un système de chauffage de haute qualité en oubliant des détails essentiels mais peu coûteux. Faites-le bien du premier coup. Le matériau d'isolation que l'on utilise le plus couramment pour les bords et le dessous d'une dalle est le polystyrène extrudé. Il se vend en feuilles de 2 x 8 pi et de 4 x 8 pi, en différentes épaisseurs. Il est également offert en différentes masses volumiques, ce qui permet de tenir compte des différentes charges sur le plancher. Les panneaux en polystyrène extrudé possèdent une haute résistance à l'absorption de l'humidité, et ils ont fait leurs preuves dans les applications avec isolation sur sol. De nouveaux matériaux d'isolation sont mis au point, afin de favoriser le recours à l'isolation sous dalle. On désigne l'un de ces matériaux sous le nom de film anti-rayonnement. C'est un composite formé par des couches de plastique et d'aluminium. Le film anti-rayonnement pour béton est constitué par une couche d'aluminium prise en sandwich entre deux couches d'isolation à bulles d'air. Le pouvoir isolant de ce nouveau produit est comparable à celui des produits en mousse rigide, mais il se manipule beaucoup plus facilement et sa résistance aux dommages mécaniques est de loin supérieure. L'importance de l'isolation thermique par en dessous dépend de plusieurs facteurs. En voici quelques uns : La rigueur du climat : dans un climat froid, il est justifié de poser sur les bords et en dessous une isolation dont la résistance thermique R est plus importante. Le coût de l'énergie : le coût de l'énergie justifie également une isolation sur les bords et en dessous ayant une plus grande valeur R. La résistance thermique (valeur R) des revêtements de plancher : les revêtements de plancher à haute résistance thermique justifient la pose d'un isolant de grande valeur R sur les bords et en dessous de la dalle. La forme de la dalle : dans le cas d'une dalle dont le rapport entre la longueur des bords et la surface est élevé, il est également justifié de prévoir une isolation de grande valeur R sur les bords et en dessous. Dans la plupart des immeubles, prévoir une isolation sous dalle ayant une valeur R minimale de 5. Dans une région au climat froid, on recommande souvent d'isoler le périmètre de la dalle, sur une largeur de 4 pieds (zone appelée «bande extérieure»), avec une isolation sous dalle d'une valeur R de 10. En général, on ne pose pas d'isolation sous les points d'appui structuraux, d'une colonne intérieure ou le dessous d'un mur porteur. Le rebord d'une dalle est particulièrement sensible aux pertes thermiques. Sous un climat modéré, isoler ce rebord à une valeur R minimale 5, tandis que sous un climat froid, l'isolant doit avoir une valeur R minimale de 10. Dans la plupart des installations, l'étape suivante consiste à déterminer l'emplacement du poste de manifold et à l'installer temporairement. Si l'un ou plusieurs de ces postes doivent être encastrés entre les montants d'une cloison, il est indispensable d'effectuer des mesures précises, lors du choix de l'emplacement. On peut fixer temporairement les manifolds à un panneau de contreplaqué, supporté par un poteau en bois ou en acier, enfoncé dans le sol sous la dalle (comme illustré par la figure 4-2). panneau de contre-plaqué (fixé au poteau en acier d'armature) emplacement futur de la cloison dessus de dalle prévu poteau temporaire en acier d'armature, enfoncé dans le sol, sous la dalle, et que l'on peut couper après la coulée Figure 4-2 poste de manifold manchon de protection isolation 37
MANUEL D HYDRONIQUE MODERNE DE IPEX Une fois l'isolation en place, on installe l'acier d'armature de la dalle. La plupart des dalles de béton sur sol sont renforcées au moyen d'un treillis métallique soudé (WWF) qui empêche également la formation de fissures. Ce treillis est livré sous la forme de feuilles ou de rouleaux. Le placer directement sur le dessus de l'isolation sous dalle. Prévoir un chevauchement d'environ 150 mm (6 ) entre les bords, et les rattacher. La tuyauterie s'installe ensuite circuit par circuit. Commencer par fixer l'une des extrémités du circuit au manifold d'alimentation. Dérouler le rouleau de tuyauterie en suivant le plan de pose. Dans le cas d'une tuyauterie composite, du fait qu'elle comprend une partie métallique, on peut la poser de façon approximative, sans avoir à la fixer immédiatement. On peut ainsi poser toute une boucle et amener l'extrémité jusqu'au manifold. S'assurer que cette extrémité se rend bien jusqu'au manifold, puis fixer la tuyauterie au treillis métallique. Une différence essentielle avec la pose d'une tuyauterie PER, c'est que la tuyauterie composite reste en place et n'a pas tendance à vouloir s'enrouler de nouveau. C'est pourquoi il n'est pas nécessaire d'utiliser de dévidoir. Par contre, si on en a un à portée de la main, on peut s'en servir pour poser la tuyauterie. Dans ce cas, placer le rouleau de tuyauterie sur le dévidoir puis dérouler en tirant. Laisser beaucoup de mou devant soi, au fur et à mesure qu'on fixe la tuyauterie en place. Pour la fixation d'une tuyauterie Kitec sur un treillis métallique, utiliser soit des attaches en fil de fer, soit des colliers en nylon. Prévoir une attache tous les 1500 à 1800 mm (60 à 72 ), sur les longueurs droites de tuyauterie, et une attache de chaque côté des coudes. Une fois tous les circuits installés, préparer l'essai sous pression du manifold. Installer un manomètre à l'extrémité, soit du manifold d'alimentation, soit du manifold de retour, ainsi qu'un purgeur d'air Schrader à l'autre extrémité. Obturer les extrémités non utilisées des manifolds. Faire monter la pression dans les circuits à environ 100 psi, au moyen d'un compresseur d'air. Vérifier s'il y a des fuites aux raccordements sur les manifolds à l'aide d'une solution savonneuse. Maintenir la pression dans les circuits pendant au moins 24 heures. Si la pression d'air diminue, vérifier de nouveau s'il n'y aurait pas de fuites aux raccordements des manifolds, avant inspection de la tuyauterie. Sauf en cas de dommage important dû à d'autres travaux, il est fort peu probable que les fuites d'air se trouvent dans la tuyauterie. Il est cependant obligatoire de soumettre à un essai sous pression toute installation de tuyauterie de chauffage par rayonnement. Lorsque le treillis métallique doit être mis en place dans la dalle, s'assurer que l'équipe chargée de la mise en place du béton sait qu'il faut soulever la tuyauterie et le treillis avant la coulée. En effet, lorsque le treillis métallique doit être positionné dans la dalle, ce treillis doit être soulevé ou posé sur des «chaises» à son emplacement définitif, avant de couler le béton. Soulever le treillis et la tuyauterie, en amenant le dessus de cette tuyauterie à 50 mm (2 ) en dessous de la surface de la dalle. La dalle réagit alors plus rapidement, lorsqu'il y a circulation d'eau tiède dans la tuyauterie. Du point de vue de la transmission de chaleur, la position de la tuyauterie n'est pas aussi importante, lorsque la dalle est entièrement isolée. En effet, avec un bon isolant thermique, le flux de chaleur se dirige vers la surface. S'il n'y a pas d'isolation, il devient alors essentiel de positionner la tuyauterie à 50 mm (2 ) en dessous de la surface. En maintenant la tuyauterie à 50 mm (2 ) en dessous de la surface, il n'y a pas de risque d'interférence avec les traits de scie servant de joints de dilatation. Lorsque ces traits de scie ont une profondeur supérieure à 20 mm (3/4 ), il faut alors positionner la tuyauterie en conséquence. Lorsqu'un joint de dilatation est prévu sur toute l'épaisseur (dalles séparées), la tuyauterie doit être protégée par un manchon au passage du joint. Ce manchon, centré sur le joint, doit avoir 300 mm (12 ) de long et environ 25 mm (1 ) de diamètre. Le manchon sert à réduire les contraintes sur la tuyauterie, lorsque la dalle se déplace légèrement au joint de dilatation. 4-5 Systèmes à dalle minces Il existe plusieurs méthodes d'installation d'un chauffage hydronique par rayonnement, sur un plancher à structure de bois conventionnelle. L'une des méthodes les plus courantes consiste à utiliser une dalle mince. La figure 4-3 illustre ce concept. Une dalle mince comprend une sous-couche, soit de béton spécialement formulé, soit de plâtre coulé. Dans les deux cas, l'installation comporte certaines exigences, dont il faut soigneusement tenir compte lors de la coordination des études de conception du bâtiment. L'une de ces exigences consiste à devoir augmenter la hauteur du plancher de 32 à 40 mm (1,25 à 1,5 ). Il faut alors en tenir compte dans la hauteur des ouvertures brutes de fenêtres et de portes, ainsi que dans la hauteur des seuils de portes. Il y a aussi des répercussions sur la hauteur de contremarche des escaliers. Un autre point dont il faut tenir compte, c'est le supplément de poids correspondant à la dalle mince. De façon générale, une dalle mince en plâtre coulé augmente de 6 à 7 kg (13 à 15 lb) le poids propre au pied carré d'une structure de plancher. Une dalle mince en béton standard augmente ce poids propre d'environ 8 kg (18 lb) au pied carré (pour une épaisseur d'environ de 40 mm (1,5 ). Ne jamais considérer d'emblée que la structure du plancher est suffisamment résistante pour supporter le poids supplémentaire d'une dalle mince, qu'elle soit en béton ou en plâtre. Demander à un concepteur compétent ou à un ingénieur en structure de vérifier s'il faut ou non apporter des modifications pour tenir compte de ce poids supplémentaire. L'épaisseur et le poids supplémentaire du plancher ne posent aucun problème lorsqu'on en tient compte au moment de la conception du bâtiment. Il peut cependant y avoir des difficultés dans le cas d'une rénovation. Systèmes à dalles minces en plâtre coulé Depuis de nombreuses années, on utilise des souscouches en plâtre coulé, pour la mise à niveau des planchers, ainsi que pour améliorer les caractéristiques 38
SECTION 4 MÉTHODES DE CHAUFFAGE PAR RAYONNEMENT DANS LE PLANCHER DALLE MINCE (DALLE EN PLÂTRE) plancher fini adhésif dalle de plâtre coulée solive de plancher produit d'étanchéité tuyau composite fixé au sous-plancher sous-plancher isolation en dessous Figure 4-3 plancher fini adhésif dalle de plâtre tuyau produit d'étanchéité sous-plancher isolation en dessous solive de plancher DALLE MINCE SUR PLANCHER À STRUCTURE EN BOIS dalle de plâtre 39
MANUEL D HYDRONIQUE MODERNE DE IPEX DALLE MINCE (DALLE DE BÉTON) plancher fini adhésif dalle de béton coulé solive de plancher feuille de polyéthylène tuyau composite fixé au sous-plancher sous-plancher isolation en dessous plancher fini adhésif dalle de béton tuyau feuille de polyéthylène sous-plancher solive de plancher isolation en dessous DALLE MINCE SUR PLANCHER À STRUCTURE EN BOIS dalle de béton 40
SECTION 4 MÉTHODES DE CHAUFFAGE PAR RAYONNEMENT DANS LE PLANCHER d'acoustique et la résistance au feu des planchers à structure de bois. Ces sous-couches conviennent également très bien comme dalles minces dans un système de chauffage par le plancher. La plupart du temps, cette dalle est posée par un sous-traitant formé et équipé pour mélanger et mettre en place les matériaux. Procédure d'installation On commence par agrafer la tuyauterie au sous-plancher. Une agrafeuse pneumatique munie d'un accessoire spécial permet de poser rapidement les agrafes, sans endommager la tuyauterie. C'est la méthode de fixation à privilégier sur toute la surface d'une dalle mince, à l'exception de quelques zones très réduites. Une fois les circuits de tuyauterie installés, les soumettre à un essai sous pression selon la procédure ci-dessus. On pulvérise ensuite sur le plancher un revêtement destiné à améliorer l'étanchéité et l'adhérence. On minimise ainsi l'absorption d'eau par le sous-plancher, tout en renforçant l'adhérence entre la dalle et le sousplancher. La sous-couche de plâtre coulé se compose de plâtre dur, de sable de maçonnerie, d'adjuvants et d'eau. On prépare ce produit au moyen d'une bétonnière spéciale, habituellement située à l'extérieur du bâtiment, puis on l'achemine par pompage dans un flexible. Lors de la coulée, la surface du produit se lisse pratiquement d'ellemême, exigeant un minimum de talochage. Certains installateurs préfèrent couler la dalle de plâtre en deux couches. On évite ainsi tout retrait différentiel dans la dalle, et on obtient une surface finie parfaitement lisse. Une fois durcie, une sous-couche de plâtre coulé devient presque aussi dure que du béton standard. Cependant, contrairement au béton, on ne peut utiliser une telle souscouche de façon permanente comme «surface d'usure». Avec une bonne préparation de surface, on peut recouvrir une dalle de plâtre coulé de n'importe quel revêtement de finition, y compris les tapis, les feuilles de vinyle, les carreaux de céramique et les revêtements de bois à coller. Avant d'installer un revêtement de plancher, s'assurer que la dalle a bien durci et que la surface a été correctement préparée, selon les recommandations du fabricant. Une dalle de plâtre coulé résiste à l'eau mais n'est pas hydrofuge. Une telle dalle finit en effet par se ramollir, lorsqu'elle reste trop longtemps en contact avec de l'eau. Ne pas installer ce genre de dalle lorsqu'il pleut ou lorsqu'il y a trop d'humidité. Éviter également de l'utiliser lorsqu'il y a risque d'inondation. Systèmes à dalles minces en béton Il y a de très grandes différences entre l'installation d'une dalle mince en béton et l'installation d'une dalle mince en plâtre coulé. La surface du béton ne se met pas de niveau par elle-même. Il faut en égaliser la surface à la règle vibrante. Pour simplifier cette opération, il vaut mieux couler la dalle de béton avant de construire les murs. Composition du mélange pour 0,76 m 3 (3 pi 3 ) de béton de finition à 1 361 kg (3 000 lb) et à 28 jours Ciment Portland type 1 235 kg (517 lb) Sable à béton Gravillon n 1A (max 6 mm (1/4")) Figure 4-4 471 kg (1 039 lb) 673 kg (1 485 lb) Entraîneur d air 117 g (4,14 on) Hycol (plastifiant-réducteur d eau) 156 g (5,5 on) Toile de fibre 0,7 kg (1,5 lb) Superplastifiant (WRDA-9) 1 466 g (51,7 on) Eau environ 76 l (20 gal) Contrairement à une couche en plâtre, il est essentiel d'empêcher toute adhérence entre le dessous de la dalle et, soit le sous-plancher, soit les murs adjacents. Le but recherché est en effet de permettre au plancher de bois et à la dalle mince de béton de se déplacer indépendamment, lors du durcissement du béton ou des changements d'humidité selon la saison. On réduit ainsi les contraintes de tension dans la dalle et les risques de fissures. Il est également important de diviser les grandes surfaces de plancher en surfaces plus petites, séparées par des joints de dilatation à bande en plastique. Au moment du durcissement du béton, les fissures se formeront juste audessus de ces bandes. Ces fissures «dirigées» empêchent la dalle de se fissurer de façon aléatoire. Laisser durcir la dalle au moins trois semaines avant de la chauffer. Le béton devient alors suffisamment solide pour pouvoir résister aux contraintes thermiques. Pour chasser toute trace d'humidité, il est également bon de chauffer la dalle pendant plusieurs jours, avant d'installer le revêtement de plancher. Quel que soit le genre de dalle mince, il est indispensable d'installer une isolation par en dessous. Lorsque l'espace situé en dessous du plancher chauffant est également chauffé, prévoir une isolation d'une résistance thermique minimale R-11. Lorsque l'espace sous plancher n'est que partiellement chauffé, installer une isolation d'une résistance minimale R-19. Lorsque l'espace sous plancher tient lieu de vide technique non chauffé, installer une isolation par en dessous d'une résistance minimale R-30. Bien que les valeurs de résistance thermique de l'isolation suggérées offrent une bonne marge de sécurité, il est bon que l'installateur vérifie si ces valeurs satisfont aux exigences des codes locaux relatifs aux économies d'énergie. On peut utiliser le concept de dalle mince pour l'installation d'un chauffage par rayonnement dans le plancher sur des surfaces de béton existantes. On réalise alors une 41
MANUEL D HYDRONIQUE MODERNE DE IPEX coulée de finition sur la surface existante. La figure 4-4a illustre les différentes couches d'une telle installation. Idéalement, la nouvelle couche devrait être séparée par une mince couche d'isolation. On dirige de ce fait la chaleur vers le haut, là où on en a besoin, et on diminue le temps de réaction. On prévoit généralement de la mousse rigide de 12 à 25 mm (1/2 à 1") d'épaisseur. En utilisant un pare-vapeur, on s'assure que l'humidité ne s'infiltre pas dans la couche chauffée. On dispose aujourd'hui d'un nouveau type d'isolation. Cette isolation, constituée par deux couches isolantes «bulles», avec un feuillard d'aluminium monté en sandwich, a un pouvoir isolant comparable à celui de la mousse rigide. Ce genre d'isolation joue également le rôle de pare-vapeur. Lors de l'installation d'une tuyauterie sur du béton existant, la partie la plus délicate est la fixation de cette tuyauterie. On peut utiliser des colliers individuels, mais cette méthode exige beaucoup de temps. Lorsqu'on a prévu de la mousse de 25 mm (1") d'épaisseur comme isolant, on peut utiliser des agrafes spéciales en matière plastique. COULÉE DE FINITION sur dalle existante plancher fini fondation adhésif coulée de finition isolation sous dalle treillis métallique? tuyau composite béton existant pare-vapeur? Figure 4-4a plancher fini adhésif dalle de béton tuyau isolation béton existant COULÉE DE FINITION SUR PLANCHER DE BÉTON 42
SECTION 4 MÉTHODES DE CHAUFFAGE PAR RAYONNEMENT DANS LE PLANCHER Une autre méthode efficace consiste à fixer la tuyauterie sur des rails. Chaque longueur de 2 m (6,5 ) de ces profilés en matière plastique en U se fixe à trois endroits sur le plancher. On peut alors fixer la tuyauterie par des colliers au moyen des encoches latérales, perpendiculairement aux rails. On recouvre ensuite la tuyauterie en coulant du béton ordinaire sur une épaisseur de 32 à 40 mm (1 1/4 à 1 1/2"), en créant ainsi une masse thermique très efficace. Il n'y a aucun problème de structure ni de résistance : la dalle d'origine est suffisante. L'augmentation du niveau exige un ajustement des portes. 4-6 Systèmes de tuyauteries avec plaques Une dalle de béton ou de plâtre se comporte comme une «mèche thermique», et répartit ainsi la chaleur dégagée par la tuyauterie encastrée dans la surface du plancher. Dans certains cas, il n'est toutefois pas possible d'installer de dalle. Pour répartir la chaleur, on peut alors utiliser des plaques d'aluminium à conductivité thermique élevée. Les tuyauteries Kitec PER-AL-PER constituent le choix par excellence pour les installations de tuyauteries avec plaques. Le coefficient de dilatation thermique de ces tuyauteries est en effet très voisin de celui des plaques de transfert thermique en aluminium. Il y a alors une réduction importante des bruits dus à la dilatation et à la contraction, lorsque le système s'échauffe ou se refroidit. La figure 4-5 illustre le concept général d'un système de tuyauterie avec plaques. Noter comment les plaques d'aluminium ont été formées pour s'adapter au périmètre de la tuyauterie. La chaleur transférée entre la tuyauterie et la partie de la plaque en forme de caniveau se déplace ensuite par les ailes de cette plaque. Comme l'aluminium est un excellent conducteur de la chaleur, ces plaques relativement minces peuvent assurer une diffusion de la chaleur dans le plancher presque aussi bonne qu'avec une dalle, le poids mis en jeu étant une fraction du poids d'une dalle et l'épaisseur environ la moitié de celle d'une dalle mince. Ces plaques sont polyvalentes et s'utilisent aussi bien pour un chauffage par rayonnement dans un plancher que pour un mur ou un plafond chauffant. La tuyauterie transfère la chaleur à la plaque et la chaleur se répartit sur les «ailes» plates. La grande surface de contact assure une répartition uniforme de la chaleur dans le plancher. plaques utilisées dans le système de chauffage entre les solives (en dessous du sous plancher) plancher fini sous-plancher plaque de transfert thermique tuyau plaques utilisées avec des madriers (au-dessous du sous-plancher) plaque de transfert thermique tuyau plancher fini entretoise (madrier) sous-plancher SYSTÈMES DE TUYAUTERIES AVEC PLAQUES Figure 4-5 43
MANUEL D HYDRONIQUE MODERNE DE IPEX Systèmes de tuyauteries avec plaques au-dessus du plancher La figure 4-6 illustre l'installation d'un système de tuyauteries avec plaques «au-dessus» du plancher. Dans ce cas, les tuyauteries et les plaques se trouvent sur le dessus du plancher. On peut alors poser la tuyauterie pratiquement dans n'importe quelle direction. Le système s'adapte très bien à plusieurs types de revêtements de plancher, et convient particulièrement aux installations sur planchers de bois avec fixation par clouage vers le bas. TUYAUTERIE ET PLAQUES AU-DESSUS DU PLANCHER (madriers) plancher de bois dur plaques de transfert thermique en aluminium solives de plancher madriers de 16-20 mm (5/8-3/4") en contre-plaqué sous-plancher tuyauterie composite repoussée dans la plaque de transfert thermique isolation en dessous Figure 4-6 plancher fini entretoise (madrier) tuyau sous-plancher solive de plancher isolation en dessous MADRIERS SUR PLANCHER À STRUCTURE DE BOIS tuyauterie et plaques au-dessus du plancher 44
SECTION 4 MÉTHODES DE CHAUFFAGE PAR RAYONNEMENT DANS LE PLANCHER Procédure d'installation : Commencer par fixer sur le plancher des madriers en contreplaqué ou en panneaux à copeaux orientés (OSB) de 16 à 20 mm (5/8 à 3/4") d'épaisseur. On dispose les madriers de façon à former des rainures de 20 mm (3/4") de largeur, dans lesquelles on place ensuite la tuyauterie et la partie en forme de caniveau des plaques de transfert thermique. Pour minimiser les grincements, les madriers doivent être collés et cloués (ou vissés) au sous-plancher. Les rainures destinées à recevoir les coudes à 180, ainsi que les autres parties courbées des tuyauteries, peuvent être creusées dans les panneaux de contreplaqué ou OSB de 20 mm (¾ ) d'épaisseur, au moyen d'une toupie. Une autre méthode consiste à poser des entretoises triangu- TUYAUTERIE AU-DESSUS DU PLANCHER (madriers) espacement de 150-200 mm (6-8"), puissance transmise limitée plancher de bois dur madriers de 16-20 mm (5/8-3/4") en contre-plaqué solive de plancher sous-plancher tuyauterie composite posée dans la rainure isolation en dessous plancher fini entretoise (madrier) tuyau sous-plancher solive de plancher isolation en dessous MADRIERS SUR PLANCHER À STRUCTURE DE BOIS tuyauterie au-dessus du plancher 45
MANUEL D HYDRONIQUE MODERNE DE IPEX laires pour supporter la couche de plancher secondaire aux endroits où il y a des courbes. On pose des plaques dans les rainures, en laissant un espace d'environ 25 mm (1" entre les extrémités de ces plaques. Serrer chacune des plaques contre l'un des bords du madrier, puis la fixer en place du même côté, à l'aide de deux ou trois agrafes minces (et uniquement de ce côté). La plaque peut ainsi s'allonger, au moment de la mise en place de la tuyauterie, ainsi que lors du réchauffage et du refroidissement. On pose ensuite la tuyauterie en la repoussant dans les rainures des plaques. Lorsque la tuyauterie est alignée avec une rainure, marcher dessus afin de bien l'enfoncer dans cette rainure. Il n'y a PAS besoin de mettre de produit d'étanchéité au silicone dans les caniveaux des plaques, lorsqu'on installe de la tuyauterie Kitec PER-AL-PER. Les systèmes de tuyauteries avec plaques conviennent parfaitement lorsqu'on installe par la suite un revêtement de plancher en bois fixé par clouage vers le bas. On peut alors poser ce revêtement directement sur la tuyauterie et les plaques, sans feuille de recouvrement supplémentaire. Installer le revêtement de plancher de sorte que sa plus grande dimension soit perpendiculaire à la tuyauterie. On enfonce les clous dans les plaques de transfert thermique, puis dans les madriers et enfin dans le sous-plancher. Faire attention de ne pas enfoncer de clous dans la tuyauterie, au niveau des coudes à 180 ou autres endroits de la tuyauterie cachés au moment de la pose du plancher. Si, à certains endroits, la tuyauterie doit être posée parallèlement au revêtement de plancher, il vaut mieux percer un trou de faible profondeur dans le sous-plancher et faire passer la tuyauterie dans la structure du plancher, en la protégeant ainsi contre toute perforation par les clous. On peut également faire «plonger» la tuyauterie en dessous du sous-plancher, puis la faire remonter à travers la lisse d'une cloison, avant de la raccorder au manifold. Pour les autres types de revêtement de plancher, installer une feuille de recouvrement mince, de 6 ou de 9 mm (1/4 ou 3/8") d'épaisseur, par dessus la tuyauterie et les plaques, afin de créer une surface stable et lisse. On utilise souvent du contreplaqué comme feuille de recouvrement, sous un revêtement de vinyle ou un tapis. On utilise également des panneaux de fibragglo-ciment sous les carreaux de céramique. Soumettre les circuits de tuyauterie à un essai sous pression, avant d'installer la feuille de recouvrement. Maintenir la pression dans les tuyauteries au moment de l'installation de cette feuille. Faire attention de ne pas enfoncer d'attaches dans la tuyauterie, au moment de la fixation du recouvrement. On peut adopter ce même concept de madriers dans le cas des installations de chauffage de faible puissance, mais sans utiliser de plaques de transfert thermique - la plupart du temps dans les systèmes de chauffage de plancher. Une structure de bois est un mauvais conducteur de la chaleur, de sorte que le transfert thermique latéral est limité. La couche relativement mince, située juste audessus d'une tuyauterie, laisse passer beaucoup plus de chaleur que les côtés. Il en résulte de grandes différences de température de plancher selon la position de la tuyauterie. Ce phénomène limite la quantité de chaleur que l'on peut transférer sans créer de «ligne» à haute température sur la surface du plancher. Prévoir un espacement de 150 à 200 mm (6 à 8") et, encore une fois, la puissance thermique transférée est limitée. Pour contrer cet inconvénient, certains fabricants proposent des feuilles de contreplaqué avec des rainures usinées à l'avance, et sur lesquelles ont été fixées des couches d'aluminium, afin d'augmenter le transfert thermique latéral. Systèmes de tuyauteries avec plaques sous le plancher On peut également fixer la tuyauterie et les plaques de transfert thermique en aluminium à la partie inférieure du sous-plancher. Ces systèmes sous plancher sont intéressants lorsqu'il n'est pas possible de remonter le niveau du plancher. La figure 4-7 illustre ce concept. Les plaques servent de support à la tuyauterie contre le sous-plancher et assurent la diffusion de la chaleur, en évitant les variations de températures indésirables à la surface du plancher. Pour l'installation d'un tel système, l'idéal serait d'avoir des espaces entre solives de plancher entièrement dégagés. Il est toutefois très rare que l'installateur se trouve devant une situation aussi intéressante. Dans certains cas, les espaces entre solives sont déjà utilisés pour la plomberie, l'électricité, la ventilation ou d'autres systèmes similaires. Par conséquent, il peut être difficile, sinon impossible, d'utiliser le sous-plancher. Toujours examiner le dessous du plancher, avant de décider d'installer un système de tuyauterie et plaques sous le plancher. 46
SECTION 4 MÉTHODES DE CHAUFFAGE PAR RAYONNEMENT DANS LE PLANCHER TUYAUTERIE ET PLAQUES EN DESSOUS DU PLANCHER plancher fini adhésif (mortier fin durci) solive de plancher tuyauterie composite montée avec la plaque de transfert thermique sous-plancher isolation en dessous plaque de transfert thermique agrafée au sous-plancher Figure 4-7 plancher fini tuyau plaque de transfert thermique sous-plancher solive de plancher isolation en dessous CHAUFFAGE ENTRE LES SOLIVES tuyauterie et plaques en dessous du plancher 47
MANUEL D HYDRONIQUE MODERNE DE IPEX Dans une installation sous le plancher, on tire la tuyauterie dans un espace de solive à la fois et on la fixe en même temps que les plaques de transfert thermique. La figure 4-8 illustre la séquence d'installation. Percer des trous suffisamment grands dans la structure du plancher, pour faciliter le tirage de la tuyauterie. Comme pour un système avec dalles minces, il est indispensable d'installer une tuyauterie par en dessous. Lorsque l'espace situé en dessous du plancher chauffant est également chauffé, prévoir une isolation d'une résistance thermique minimale R-11. Lorsque l'espace sous plancher n'est que partiellement chauffé, installer une isolation d'une résistance minimale R-19. Lorsque l'espace sous plancher tient lieu de vide technique non chauffé, installer une isolation par en dessous d'une résistance minimale R-30. Bien que les valeurs de résistance thermique de l'isolation suggérées offrent une bonne marge de sécurité, il est bon que l'installateur vérifie si ces valeurs satisfont aux exigences des codes locaux relatifs aux économies d'énergie. Préparation: TIRAGE DES TUYAUTERIES LORS DE L'INSTALLATION D'UN SYSTÈME DE CHAUFFAGE DANS LES ESPACES ENTRE SOLIVES Faire un croquis de la surface du plancher et des solives entre lesquelles on doit tirer la tuyauterie et l'installer. Repérer l'emplacement du manifold et établir le parcours de chaque boucle de tuyauterie vers ce manifold. Mesurer la longueur d'une solive et multiplier cette longueur par deux. On définit ainsi la longueur de tuyauterie à installer dans chacun des espaces entre solives de plancher, lorsque ces solives sont installées à un entraxe de 250 à 450 mm (10 à 18"). Lorsque les solives ont un entraxe de 250 à 450 mm (10 à 18"), on peut installer deux longueurs de tuyauterie dans chaque espace entre solives. Lorsque l'entraxe est supérieur à 450 mm (18"), on peut installer trois longueurs de tuyauterie dans l'espace entre solives. Calculer le nombre d'espaces entre solives correspondant à la longueur du rouleau de tuyauterie que vous utilisez. Par exemple, si l'entraxe des solives est de 450 mm (18") et que leur longueur est de 6,1 m (20'), multiplier 6,1 m (20') x 2 pour obtenir une longueur de tuyauterie de 12,1 m (40') par espace. En considérant un rouleau de 91 m (300') de longueur, nous avons assez de tuyauterie pour sept espaces entre solives. Mais il ne faut pas oublier la longueur de tuyauterie aller et retour au manifold. Ainsi, dans cet exemple, et selon l'emplacement du manifold, la longueur de tuyauterie peut être juste suffisante pour six espaces. Percer des trous dans les solives pour le tirage des tuyauteries. Prévoir des trous de 40 mm (1 1/2") de diamètre, pour deux tuyauteries de 12 mm (1/2"), et des trous de 50 mm (2") de diamètre pour quatre tuyauteries de 12 mm (1/2"). Toujours percer les trous d'équerre et les aligner les uns par rapport aux autres. Percer les trous au centre d'une solive et à une distance minimale de 300 mm (12") de l'extrémité du point de supportage de la solive. vers le manifold du dévidoir Ce croquis montre l'installation terminée vue de dessous. Les figures qui suivent illustrent en détail les étapes du processus d'installation. 48 Figure 4-8
SECTION 4 MÉTHODES DE CHAUFFAGE PAR RAYONNEMENT DANS LE PLANCHER solive étape 1 dernier espace entre solives surface de plancher premier espace entre solives du dévidoir Dérouler la tuyauterie à l'aide du dévidoir et la faire passer dans les trous pour former une boucle dans chaque espace entre solives. Ces boucles n'ont pas besoin d'être très longues, mais suffisantes pour que vous puissiez manipuler la tuyauterie entre les solives. Laisser l'extrémité de la tuyauterie pendre dans le dernier espace. solive étape 2 dernier espace entre solives surface de plancher premier espace entre solives du dévidoir Revenir au premier espace entre solives. Dérouler suffisamment de tuyauterie pour former une grande boucle. solive étape 3 dernier espace entre solives surface de plancher premier espace entre solives du dévidoir solive étape 4 dernier espace entre solives surface de plancher premier espace entre solives Faire passer le mou de la tuyauterie du premier espace dans le second, puis dans le troisième, dans le quatrième, etc., jusqu'à ce que la longueur de tuyauterie dans le dernier espace soit suffisante pour aller jusqu'au manifold et former une boucle de tuyauterie complète dans l'espace entre solives lui-même. Continuer à déplacer le mou de la tuyauterie! du dévidoir 49
MANUEL D HYDRONIQUE MODERNE DE IPEX étape 5 dernier espace entre solives surface de plancher premier espace entre solives vers le manifold du dévidoir Prendre la tuyauterie du dernier espace entre solives et la ramener au manifold par les mêmes trous de solives que les boucles. Si le mou de la tuyauterie dans le dernier espace n'est pas suffisant pour ramener cette tuyauterie au manifold, dérouler un peu plus de tuyauterie dans les espaces, jusqu'à ce que la longueur soit suffisante. Fixer la tuyauterie au manifold. étape 6 dernier espace entre solives surface de plancher premier espace entre solives du dévidoir étape 7 surface de plancher Idéalement, on doit laisser pendre dans le dernier espace une longueur de tuyauterie suffisante pour former la première section finie du plancher. Remonter la tuyauterie dans l'espace entre solives et commencer à la fixer au sous-plancher. Toujours commencer à fixer la tuyauterie par le côté de la boucle qui revient vers le manifold. En effet, s'il manque de la tuyauterie pour terminer la boucle, on peut la tirer à partir de l'espace adjacent. dernier espace entre solives premier espace entre solives du dévidoir étape 8 surface de plancher Il n'y a plus de mou dans la tuyauterie située dans le dernier espace entre solives et cette tuyauterie est maintenant fixée au sous-plancher. Revenir au premier espace et dérouler suffisamment de tuyauterie pour avoir une bonne longueur de mou. Transférer cette longueur de mou dans les espaces adjacents, jusqu'au second espace. Soulever alors cette longueur de tuyauterie pendante et la fixer dans cet espace entre solives, comme auparavant. Continuer jusqu'à ce que la tuyauterie soit fixée dans tous les espaces. dernier espace entre solives L'installation est presque terminée! Une fois l'installation terminée dans tous les espaces entre solives, mesurer la distance entre le premier espace et le manifold. Dérouler puis couper la bonne longueur de tuyauterie, en s'assurant qu'elle est suffisante pour un raccordement au manifold. premier espace entre solives du dévidoir Cette procédure suppose beaucoup de tirage de tuyauterie, mais elle évite tout pincement et réduit les contraintes. Avec cette méthode d'installation, il suffit de deux personnes pour un travail très efficace - l'une des personnes déroule la tuyauterie tandis que l'autre la fixe dans les espaces entre solives. 50
SECTION 4 MÉTHODES DE CHAUFFAGE PAR RAYONNEMENT DANS LE PLANCHER Lorsque l'entraxe des solives est supérieur à 450 mm (18"), on doit installer trois longueurs de tuyauterie dans chaque espace entre solives. Le principe de manutention de la tuyauterie et la technique d'installation sont semblables à ceux décrits dans les étapes 1 à 8. Créer un mou dans la tuyauterie puis transférer ce mou aux espaces adjacents, comme auparavant. Noter cependant que, sur le croquis, la tuyauterie entre dans un espace par une extrémité d'une solive et en ressort à l'extrémité opposée, du fait qu'on a trois longueurs de tuyauterie par espace. vers le manifold du dévidoir 51
MANUEL D HYDRONIQUE MODERNE DE IPEX 4-7 Systèmes de tuyauteries suspendues Du fait que les tuyaux Kitec PER-AL-PER peuvent supporter des températures d'eau relativement élevées, il est possible d'installer un système de tuyauteries suspendues, comme illustré par la figure 4-9. La tuyauterie est mise en place dans l'espace d'air entre les solives de plancher. Cette tuyauterie cède de la chaleur par rayonnement aux surfaces situées autour de l'espace entre solives. La paroi extérieure de la tuyauterie cède également de la chaleur à l'air ambiant, créant une douce circulation par convection dans l'espace entre les solives. L'air réchauffé circule en dessous du sousplancher, d'où un transfert de chaleur accru. Les systèmes de tuyauteries suspendues présentent certains avantages qui leur sont propres. Il n'est pas nécessaire de prévoir de plaques de transfert thermique, d'où une réduction des coûts d'installation. Ces systèmes sont conçus pour fonctionner à une température d'eau élevée et peuvent donc se raccorder directement à une chaudière, sans robinet mélangeur. Lorsqu'une tuyauterie est suspendue sous le sous-plancher, il n'y a pas de risque de perforation lors du clouage du revêtement de plancher en bois dur. Les tuyaux Kitec PER-AL-PER représentent le choix par excellence pour les systèmes de tuyauteries suspendues. La couche interne en aluminium de ces tuyaux leur confèrent la résistance voulue pour éviter tout fléchissement entre les supports, lors d'un fonctionnement du système à une température d'eau élevée. Comme c'est le cas pour n'importe quel système de chauffage dans le plancher, il est indispensable d'installer une isolation par en dessous. Cette isolation doit être réfléchissante, ce qui veut dire que l'on doit prévoir une surface métallique réfléchissante et polie, orientée face à la tuyauterie. Prévoir un minimum de 50 mm (2") de coupure d'air entre la tuyauterie et cette couche réfléchissante. On peut utiliser à cet effet une isolation en nappe revêtue d'un feuillard ou encore l'isolation à bulles mentionnée auparavant. Cette isolation à bulles est différente de celle que l'on utilise avec le béton. En effet, la couche d'aluminium est apparente sur au moins un côté et orientée face à la tuyauterie. La couche d'isolation peut comprendre une ou deux couches en plastique à bulles, selon le degré d'isolation exigé. CHAUFFAGE ENTRE LES SOLIVES TUYAUTERIE EN DESSOUS DU PLANCHER plancher fini adhésif (mortier fin durci) tuyauterie composite agrafée au plancher solive de plancher isolation en dessous sous-plancher surface réfléchissante sur l'isolation Figure 4-9 52
SECTION 4 MÉTHODES DE CHAUFFAGE PAR RAYONNEMENT DANS LE PLANCHER Lorsque l'espace situé en dessous du plancher chauffant est également chauffé, prévoir une isolation d'une résistance thermique minimale R-11. Lorsque l'espace sous plancher n'est que partiellement chauffé, installer une isolation d'une résistance minimale R-19. Lorsque l'espace sous plancher tient lieu de vide technique non chauffé, installer une isolation par en dessous d'une résistance minimale R-30. Bien que les valeurs de résistance thermique de l'isolation suggérée offrent une bonne marge de sécurité, il est bon que l'installateur vérifie si ces valeurs satisfont aux exigences des codes locaux relatifs aux économies d'énergie. Pour le tirage de la tuyauterie, on utilise une méthode identique à celle décrite dans la section traitant du chauffage dans les espaces entre solives avec plaques de transfert thermique. Dans ce cas, la fixation de la tuyauterie est cependant différente. On peut utiliser trois méthodes de fixation : agrafage en dessous du sous-plancher, supportage de la tuyauterie par des pendards dans l'espace entre solives ou encore fixation de la tuyauterie au moyen de colliers à clouer sur la paroi de la solive. La méthode par agrafage au plancher est très simple, mais la tuyauterie se trouve très près de la surface et il y a alors risque de perforation par le dessus. Les deux autres méthodes ne présentent pas cet inconvénient, mais il faut utiliser des composants supplémentaires : pendards de tuyauterie ou colliers à clouer. Dans une installation de forte puissance, l'agrafage direct en dessous du sous-plancher peut se traduire par l'apparition de «lignes» de haute et de basse températures sur le plancher. La méthode d'installation la plus rapide et la plus simple consiste à utiliser des colliers cloués. Chacune de ces méthodes possèdent donc ses avantages et inconvénients. plancher fini sous-plancher Il est possible d'agrafer les tuyauteries Kitec directement contre le dessous du sous-plancher sans utiliser de plaques de transfert thermique. Comme nous l'avons mentionné ci-dessus, cette solution n'est recommandée que pour des demandes de chauffage faible, correspondant par exemple à une pièce très peu en contact avec l'extérieur. En l'absence de dalles ou de plaques de transfert thermique en aluminium, il y a limitation de la diffusion latérale de la chaleur dans le plancher à partir des tuyauteries. Cependant, lorsque la puissance thermique nominale de l'espace à chauffer ne dépasse pas 47,32 w/h/m 2 (15 BTU/h/pi 2 ), cette méthode d'instaltuyau couche réfléchissante coupure d'air min. 50 mm (2") solive de plancher isolation en dessous CHAUFFAGE ENTRE LES SOLIVES tuyauterie agrafée sous plancher plancher fini sous-plancher tuyauterie dans pendard pendard couche réféchissante min. 2" air gap solive de plancher isolation en dessous CHAUFFAGE ENTRE LES SOLIVES tuyauterie suspendue sous plancher 53
MANUEL D HYDRONIQUE MODERNE DE IPEX plancher fini sous-plancher tuyauterie dans pendard pendard couche réfléchissante coupure d'air min. de 50 mm (2") solive de plancher isolation en dessous, agrafée dans l'espace entre les solives feuillard isolant réfléchissant CHAUFFAGE ENTRE LES SOLIVES tuyauterie suspendue sous plancher plancher fini sous-plancher tuyauterie dans pendard pendard floor joist couche réfléchissante isolation en dessous, agrafée au bas des solives feuillard isolant réfléchissant CHAUFFAGE ENTRE LES SOLIVES tuyauterie suspendue sous plancher plancher fini sous-plancher distance de 25 à 50 mm (1 à 2") du plancher tuyauterie montée avec collier cloué couche réfléchissante coupure d'air min. de 50 mm (2") solive de plancher isolation en dessous CHAUFFAGE ENTRE LES SOLIVES tuyauterie suspendue sous plancher et fixée aux solives par des colliers 54
isolation en fibre de verre de 100 mm (4") isolation en fibre de verre de 100 mm (4") SECTION 4 MÉTHODES DE CHAUFFAGE PAR RAYONNEMENT DANS LE PLANCHER lation assure un apport de chaleur adéquat température d'eau raisonnable. à une Dans ce chapitre, nous avons montré comment la méthode de construction d'un plancher pouvait influencer un système de chauffage par rayonnement. Nous pouvons affirmer en résumé que la tuyauterie peut s'installer sur n'importe quelle surface de plancher et qu'on dispose de nombreuses variantes répondant aux exigences des divers projets. Il est également clair qu'il existe d'importantes différences d'une méthode d'installation à l'autre, et que certaines d'entre elles assurent un transfert de chaleur plus efficace. L'illustration suivante (Figure 4-10) montre le processus de transfert de chaleur, pour une installation dans les espaces entre solives, avec plaques de transfert thermique ou par agrafage direct. Ces images sont suffisamment explicites et montrent qu'il y a de très bonnes raisons d'envisager dans la mesure du possible des plaques de transfert thermique. Comparaison entre les températures de surface de plancher, avec et sans plaques de transfert thermique, pour une tuyauterie de 12 à 200 mm (½ à 8 ) d'entraxe, et des températures d'eau de 38 C et de 60 C (100 F et 140 F). tuyauterie à 200 mm (8") d'entraxe temp. d'eau de 60 C (140 F) (avec plaques) TEMPÉRATURES DE SURFACE DE PLANCHER C ( F) 32 (90) 31 (88) C ( F) 32 (90) 31 (88) temp. d'eau de 60 C (140 F) (sans plaques) temp. d'eau de 37 C (100 F) (avec plaques) 30 (86) 29 (84) 30 (86) 29 (84) temp. d'eau de 37 C (100 F) (sans plaques) 28 (82) 28 (82) air à 21 C (70 F) 27 (80) 26 (78) 27 (80) 26 (78) 24 (76) 24 (76) 23 (74) 23 (74) 22 (72) 22 (72) 21 (70) 21 (70) carreau de céramique de 9 mm (3/8") contre-plaqué de 20 mm (3/4") avec plaques de transfert thermique en aluminium de 150 mm (6") carreau de céramique de 9 mm (3/8") contre-plaqué de 20 mm (3/4") agrafage sans plaques air à 21 C (70 F) Figure 4-10 55