Les réseaux de chauffage

1. Définitions et généralités

1.1. Sous station

Lorsque l’on a une installation de grande étendue exemple une installation de chauffage desservant plusieurs immeubles la chaleur est produite dans une chaufferie commune qui alimente en eau chaude les sous stations de chaque immeuble et les émetteurs de chaque immeuble sont ensuite alimentés en eau chaude depuis cette sous-station.

Une sous–station de chauffage à pour fonction principale :- d’assurer le réglage de la température de départ d’eau des différents circuits de chauffage en fonction

des besoins thermiques exprimés par la régulation- d’assurer la production d’ECS nécessaire- de grouper les divers organes de commande, de contrôle, de signalisation des différents appareils

disposés en sous–station.

1.2. Réseau primaire

C’est le réseau de transfert de la chaleur entre la production et les sous – station.

1.3. Réseau secondaire

Le réseau de distribution secondaire permet d’assurer le transport de chaleur entre les sous–stations et les émetteurs.

1.4. Raccordement hydraulique réseau primaire/réseau secondaire

Le raccordement des réseaux primaires et secondaires peut être réalisé de différentes manières :

- Par raccordement directe: Inévitable si le circuit primaire n’est pas équipé de pompe

- Par bouteille de découplage hydrauliqueDestinée à stabiliser la pression d’un circuit primaire très développer, à débit constant et permettre l’autonomie des circuits secondaires.

- Par by-pass : même fonction que la bouteille de découplage hydraulique montée en mélange mais convient pour les réseaux peu développés et qui ont des perturbations de pressions faibles.

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1.5. Régulation

La mise en circulation du fluide dans le réseau primaire comme dans le réseau secondaire peut-être réalisée suivant deux schémas hydrauliques :

- A débit constant et température variable ⇒ on parlera de régulation en température.- A débit variable et température constante. ⇒ on parlera de régulation en débit

Le réseau sur lequel est placé la pompe constitue le réseau à débit constant. La variation de débit ou de température est assurée généralement par une vanne trois voies

Une vanne 3 voies comporte une voie commune, une voie directe et un by-pass. La voie commune est toujours placée en série avec la pompe du réseau (débit constant).

Les tronçons à débit variables sont donc la voie directe dans laquelle le débit est maximum lorsque la vanne est ouverte à 100% et le bipasse dans lequel le débit est alors nul.

Il existe différent montage possible :

- En mélangeDirect Inversé (ou répartition)

Pour l’appellation : on étudie toujours vis à vis de l’émetteur

- En déchargeDirect Inversé

Au niveau des émetteurs (réseau secondaire), lorsque - le débit est constant et la température variable ⇒ on parle de régulation (de la puissance) en température. C’est généralement le cas de régulation adopté pour les émetteurs statiques.- Le débit est variable et la température constante. ⇒ on parle de régulation (de la puissance) en débit. C’est généralement le cas de régulation adopté pour les émetteurs dynamiques, préparateurs d’ECS, etc….

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Remarque : Au niveau des chaudières il faut toujours assurer un débit d’irrigation minimum et une température minimale du retour de l’eau chaude sur des chaudières fioul (fuel domestique Tmin=50°C) afin d’éviter des condensations acides coté fumées.

2. Les différents types de réseau secondaire

2.1. Le réseau monotube

Schéma de principe du réseau monotube série :

Schéma de principe de la distribution monotube dérivée :

2.2. Le réseau bitube

- Montage BITUBES classique :

Les émetteurs sont montés en colonnes, desservant des locaux de déperditions similaires, selon les montages Chandelle ou Parapluie (qui assure un meilleur pré-équilibrage). Les colonnes peuvent être distribuées sur une Boucle de TICHELMAN qui facilite leur équilibrage, en égalisant les longueurs aller + retour.

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B P = 2 kW

90°C70°C

P = 2 kW

P = 3 kW

AC D

BA FEC D

P = 3 kW

P=2kW

P=2kW

90°C70°C

- Montages Chauffage Individuel Centralisé « CIC »

Module thermique d’appartement

Installation avec modules thermiques et chauffage

2.3. Le réseau centralisé ou hydrocablé

Montage en parallèle de type « pieuvre » ou « étoile ».Montage « pieuvre » ou « étoile » Technique de l’hydrocablé

3. Dimensionnement des canalisations

3.1.Détermination des diamètres

Il s’agit de respecter certaines valeurs de vitesse à l’intérieure des canalisations car :- Une vitesse trop élevée génère des bruits dans les canalisations (+vibrations) et crée des pdc trop

importantes.- Une vitesse trop faible : - augmente les risque de dépôt (boue, entartrage, ..).

- empêche une purge correcte de l’air (les bulles d’air ne sont pas entraînées par le flux hydraulique).

- signifie des diamètres importants et donc un coût important.

Ces valeurs sont spécifiées dans les clauses du marché et en l’absence de dispositions particulières, on respecte : 0.3 à 1.2 m/s en intérieur et 1 à 2 m/s en extérieur.qm = ρ qv = ρ V S = ρ V π D2 / 4 D’où Dcalculé = [ 4 qm / (ρ π V) ]1/2Le diamètre retenu doit être voisin de celui calculé.

Remarque : si Dretenu<Dcalculé alors (vitesse réelle)>(vitesse de l’hypothèse).

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Purgeur d’air

Pompe

Compteurthermique Filtre

Vanne d’arrêt

Bouteille de

découplage

Purge

3.2. Calcul des pertes de charge

[ ]Jld

vg

= + ∑∑ ξ Λ .2

2 [en mCE]

ξ est le coefficient de pertes singulières, pour tous les accidents géométriques et organes du réseau :

Λ est le coefficient de pertes régulières, pour les parties linéaires de canalisations.Il est obtenu avec le nombre de Reynolds Re = v.D.ρ/μ [ ]

la rugosité relative des tubes ε/Dl’abaque de Colebrook :

Les pertes de charges linéiques peuvent être obtenues directement par lecture sur les abaques spécifiques page suivante :

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BTS FEE 1 Chap 5 – Réseaux de chauffage 2012/2013

LP Dupuy de Lôme 6/15

3.3. Diamètre normalisés et fréquemment employé

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4. Les équipements hydrauliques annexes

4.1. La bouteille de découplage hydraulique ou casse pression

- Rôle : Observons ce montage :

Si la v3v est fermée, la chaudière n’est plus irriguée (débit trop faible) donc mise en défaut de la chaudière.En demi saison, la température de retour est basse ; donc risque de condensation de la vapeur d’eau des fumées.

Un moyen simple de réduire les interférences hydrauliques entre les circuits primaires et secondaires est d’utiliser :- une bouteille casse-pression,- un bipasse,- un collecteur distributeur monté en court-circuit.

- Principe : Elargissement brusque de section avec débit inchangé donc vitesse diminue et donc pdc faible.La bouteille peut être assimilée à un grand réservoir.Comme les vitesses sont faibles : dégazage et décantation meilleur (les bulles d’air ne sont plus emportées par le fluide en mouvement – id pour les particules en suspension)Le dimensionnement (diamètre mini pour vraiment avoir indépendance hydraulique) impose une vitesse < à 0.1m/s dans le corps de la bouteille ; il suit la loi des 3D :

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Remarques :- Montage toujours verticalement avec les liaisons chaudes en haut.- Les pdc dues à la bouteilles sont souvent négligées devant celles de l’installation (ζbouteille = 1.5).- Ne pas surdimensionner sans limite les bouteilles sinon on risque d’obtenir une bicirculation : la chaleur n’étant pas transmise (le surdébit primaire provoque une circulation de l’eau de haut en bas – la circulation naturelle par thermosiphon se fait en sens contraire).

- Règle des débits : Débit primaire > 1.1 somme des débits du secondaire qv1 < qv2Débit descendant dans le corps de la bouteille Débit ascendant dans le corps de la bouteille

Fonction : réaliser une liaison « sans pression » entre un générateur et un ou plusieurs circuits utilisateurs de la chaleur.

Ces bouteilles sont couramment désignées « bouteille casse-pression ».

Fonction : - toujours de réaliser une liaison « sans pression »,- abaisser la température de départ d’un circuit (recyclage de l’eau de retour et mélange avec celle sortie du générateur.

Ces bouteilles sont couramment désignées « bouteille casse-pression montées en mélange ».

4.2. Les vannes à pression différentielle

Elles autorisent le passage de l’eau dans un bypass si la différence de pression dans les voies « normales » est trop important. Elles protegent donc la pompe et la chaudière d’une absence de débit.

IV.4.3. Les manchons antivibratoires

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4.4. Pompes (ou circulateur)

- Hauteur manométrique totale d’une pompe : C’est la différence de pression entre le refoulement et l’aspiration de la pompe. Elle s’exprime en mètre de colonne d’eau ou en bar et se note Hmt. Elle correspond également à la perte de charge que le fluide doit combattre pour circuler dans l’installation (cas particulier du circuit fermé).

Courbe hydraulique d’une pompe Courbe hydraulique du réseau

- Point de fonctionnement de la pompe :

C’est le point d'intersection entre la courbe hydraulique de la pompe et la courbe hydraulique du réseau.

4.5. Les vannes

- La vanne papillon :

Utilisée comme vanne d’isolement

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PdC[mCE]

Q[m3/h]

Hmt [mCE]

q [m3/h]

H1

H2

q1

q2

Hmt[mCE]

Q[m3/h]

H1

q1

A

A : point de fonctionnement de la pompeq1 : débitH

1 : hauteur manométrique de la pompe

- La vanne à boisseau (ou tournant) sphérique :

- La vanne deux voies à soupape dite aussi à clapet ou à siège :

En fonction de la forme de la soupape, la levée entraîne une modification du débit différente (linéaire, exponentielle ou quadratique).

-La vanne trois voies (à soupape, à secteur et à disque) : A soupape A disque A secteur

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- Dimensionnement de vanne : On détermine dans un premier temps ∆Pv100 en prennant en compte une autorité de 0,5 ⇒ ∆Pv100= ∆PR100. Connaissant le débit on en déduit le Kvs de la vanne. On choisit dans les doc techniques le Kvs qui s’en rapproche. Et on recalcule ensuite l’autorité

Le coefficient Kv ou coefficient de débit de la vanne représente le débit en m3/h qui traverse la vanne sous différence de pression de 1 bar :pour l’eau : qv = Kv (∆pv)1/2 qv en m3/h et ∆pv en bar

On note Kvs : valeur maximum de Kv pour la vanne ouverte à 100% : qv100 = Kvs (∆pv)1/2pour un fluide de masse volumique différente de 1000kg/m3 : qv100 = Kvs (∆pv 1000/ρ)1/2

4.6. La soupape de sécurité

Rôle :Limiter la pression de l’eau dans les installations (en chauffage souvent tarée à 3 bars)

Divers :La pression de tarage est en générale 10% supérieure à la pression maxi de l’installation.Aucune vanne ne doit être placée entre la soupape et la chaudière.

Fonctionnement : Si la pression dans l’installation est supérieure à la pression de tarage du ressort, le clapet s’ouvre et laisse passer une partie de l’eau du circuit de chauffage vers les égouts pour faire chuter la pression dans le réseau.Lorsque la pression est inférieure à celle exercée par le ressort, celui-ci vient plaquer le clapet contre son siège pour assurer l’étanchéité du réseau.

4.7. L’expansion

Les systèmes d’expansion ont une fonction de sécurité : ils permettent la libre dilatation de l’eau dans les installations lors des variations de température.Il existe différents systèmes : vases à l’air libre, vases sous pression d’azote, modules d’expansion.

- Vase d’expansion ouvert :

La capacité utile du vase d’expansion doit être au moins égale au volume correspondant à la dilatation de l’eau entre 0°C et 110°C.

Se rencontre uniquement sur des installations anciennes.

Doit être disposé au point le plus haut de l’installation (5m au-dessus du point le plus haut du réseau) et de préférence en communication directe avec la chaudière.

Doit être protégé du gel (par calorifuge ou addition d’antigel) si placé en combles ou en toiture terrasse.En contact avec l’air, la teneur en oxygène de l’eau sera sensiblement augmentée favorisant ainsi les processus de corrosion.

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- Vase d’expansion fermé (à pression variable) :

Il s’agit d’un ballon qui absorbe les dilatations de l’eau par compression de la poche de gaz isolée de l’eau par une membrane souple en néoprène.La variation de pression de l’eau fait varier la pression à l’intérieur du vase.

Il se rencontre principalement sur des installations récentes dont la pression est inférieure à 4 bar.Il faut prévoir absolument la présence d’une soupape de sécurité.

Doit être disposé de préférence sur le réseau retour (meilleur tenue du matériel à faible température – longévité de la membrane à l’aspiration de la pompe.

Si le vase est insuffisamment gonflé, l’eau froide lors du remplissage pénétrera trop facilement dans le vase à froid. On imagine alors que si à froid, le vase contient déjà beaucoup d’eau, il manquera de place pour laisser pénétrer l’eau de dilatation.La dilatation ne pourra plus entraîner la compression de la poche de gaz, il s’en suivra une ouverture de la soupape.

Si le vase est trop gonflé, l’eau de dilatation ne pénétrera pas dans le vase.Il faudra attendre que la pression atteigne 2.5 bars pour qu’elle commence à pénétrer dans le vase.Très vite, la poche de gaz se comprime de 2.5 à 3 bars sans pour autant laisser place à toute la dilatation.L’excès de pression sera évacué par la soupape.

- Dimensionnement vase d'expansion : Le volume d’expansion est donné par :

01exp VVV −=

où V0 est le volume d’eau à la température de remplissage de l’installation,V1 le volume d’eau de l’installation aux conditions de fonctionnement.

00

01exp 1

VC

CCV ×

+

−=

Avec C0 le coef de dilatation volumique de l’eau à la T° de remplissage de l’instal.,C1 le coef de dilatation volumique de l’eau de l’instal. en fonctionnement.

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Le tableau ci dessous donne les coefficients de dilatation et la masse volumique de l'eau en fonction de la température.Température [°C] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90Coefficient de dilatation 4.10-4 18.10-4 44.10-4 79.10-4 119.10-4 169.10-4 225.10-4 288.10-4 357.10-4Masse volumique [kg/m3] 999,8 999,7 998,2 995,7 992,2 988,0 983,2 977,8 971,8 965,3

On en déduit le volume du vase avec la relation:( ) ( )

( )1

11

+

++=

soupapes

statiquesoupapes

vase

expp

p-pVV

Avec:Vvase le volume total du vase,pstatique la pression statique au niveau du vase : Pstat = ρ.g.h[Pa] en pression relative,h la hauteur de l’installation [m],psoupapes la pression de tarage des soupapes de sécurité en pression relative,

- Groupe de maintient de pression : Ils sont utilisés dans les installations de moyennes et grosses puissances (> 100 kW). Ils maintiennent constante la pression de l’installation en y ajoutant ou en en enlevant de l’eau.

Bâche

Déverseur

Pompe de maintien de pression

Quand la température augmente, la pression augmente. Quand celle-ci atteint la valeur limite haute fixée, le déverseur s'ouvre et évacue le trop-plein d'eau dans la bâche .Quand la pression de fonctionnement est atteinte, le déverseur se referme.Quand la température diminue, la pression diminue. Quand celle-ci atteint la valeur limite basse fixée , la pompe se met en route, aspire l'eau de la bâche et la refoule dans l'installation. Quand la pression de fonctionnement est atteinte , la pompe s'arrête. Le démarrage et l’arrêt de la pompe sont commandés par un pressostat.

En général, le groupe sert d’intermédiaire entre l’installation et le réseau de ville. Il intègre donc tous les accessoires nécessaires au remplissage de l’installation : clapet anti-retour ou disconnecteur, filtre, vanne d’isolement, électrovanne de remplissage.

- Pression de remplissage en eau d’une l’installation : La pression de remplissage en eau d’une installation doit permettre :

- D’assurer une pression suffisante aux points hauts des circuits pour mettre le dégazage naturel ou automatique : 0.5 bar (effectif) au minimum au point le plus haut.

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- D’assurer une pression suffisante sur la pompe, 1 bar au minimum, et éviter ainsi tout risque de cavitation. La cavitation se produit lorsque l’eau très chaude est soumise à une faible pression : il risque alors de se former de la vapeur à l’aspiration de la pompe, sa roue est alors « bombardée » de bulles de vapeur ce qui provoque son usure rapide.

En résumé la pression de remplissage doit être légèrement supérieure à la pression de prégonflage du vase d’expansion d’au moins 0.5 bar de telle sorte qu’à froid, un peu d’eau pénètre dans le vase.

4.8. Le thermostat de sécurité

Le D.T.U 65.11 impose :« Pour éviter que la température n’excède 110°C au départ de la chaudière (ECBT), chaque chaudière doit être équipée d’un thermostat de sécurité indépendant du thermostat de régulation. Il doit couper le fonctionnement du brûleur et le mettre en sécurité (réarmement manuel) + fermer l’alimentation en combustible. Une alarme (voyant ou sonore) doit alors se déclencher. »

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