L'EQUILIBRAGE HYDRAULIQUE PERMET D'EVITER LES PROBLEMES
Sept questions sur l'équilibrage hydraulique des installations de chauffage
Pour amener une pièce à la température désirée, il est crucial que les unités finales thermiques (radiateurs, convecteurs, …) soient dotées des bons débits. En effet, un débit trop élevé entraînera une pièce trop chaude, tandis qu'avec un débit trop faible, la pièce restera froide. Mais comme l'eau suit toujours le chemin opposant le moins de résistance, l'équilibre hydraulique d'une installation n'est pas forcément garanti. Mon installation est-elle bien équilibrée? Voici la réponse à cette question, ainsi qu'à six autres concernant l'équilibrage hydraulique.
A PROPOS DE L'AUTEUR
Le dr. ing. Roel Vandenbulcke est le fondateur et CTO de Hysopt NV. Cette entreprise anversoise propose le logiciel spécialisé Hysopt pour les installations HVAC et organise formations et webinaires sur l'équilibrage et l'hydraulique.
1. POURQUOI L'EQUILIBRE HYDRAULIQUE EST-IL AUSSI IMPORTANT?
L'eau suit le chemin offrant le moins de résistance. Par conséquent, les radiateurs à proximité de la pompe centrale ont souvent un plus gros débit que ceux situés au dernier étage. En effet, l'eau rencontre beaucoup plus de résistance pour atteindre ces radiateurs éloignés.
Ce déséquilibre entraîne des problèmes de confort, lesquels débouchent souvent sur beaucoup de traficotage. Pour être capable de satisfaire les utilisateurs, on alourdit inutilement les pompes, on augmente la température de la chaudière, … Mais il s'agit là d'interventions inutiles qui ne font qu'augmenter la consommation d'énergie et aggraver le problème.
Par conséquent, la seule solution est de procéder à un équilibrage hydraulique de l'installation. Il n'y a que ça pour augmenter le confort tout en économisant l'énergie.
2. QUE SE PASSE-T-IL LORS DE L'EQUILIBRAGE HYDRAULIQUE?
Pour équilibrer une installation sur le plan hydraulique, on crée une résistance hydraulique supplémentaire à l'aide de vannes de régulation afin que l'eau soit toujours confrontée à la même résistance hydraulique, quel que soit le chemin emprunté.
Distance jusqu'à la pompe centrale
Ainsi, les vannes d'équilibrage situées dans les circuits près de la pompe centrale devront créer plus de résistance et cette dernière devra diminuer à mesure que les circuits seront éloignés. Dans l'exemple de la Figure 1, cela signifie que les vannes d'équilibrage des radiateurs 1, 3, 4 et 5 devront être réglées avec une résistance hydraulique décroissante.
Puissance de sortie
Mais il n'y a pas que la distance jusqu'à la pompe centrale qui joue un rôle. Les unités finales thermiques ont une puissance de sortie différente et nécessitent par conséquent un débit différent.
Dans la Figure 1, les radiateurs 1 et 2 sont aussi éloignés l'un que l'autre de la pompe centrale, mais la plus grande puissance de conception du radiateur 2 suppose un plus gros débit. Si l'on part du principe que les deux radiateurs ont la même résistance hydraulique, ils laisseront passer le même débit tous les deux. Pour équilibrer les radiateurs, il faut donc prévoir une résistance hydraulique supplémentaire dans tous les autres radiateurs (1, 3, 4, 5).
3. QUELLE QUANTITE D'ENERGIE PEUT-ON ECONOMISER?
Il s'agit d'une question fréquente. Hélas, on ne peut pas y répondre de manière univoque. En effet, le potentiel d'économie dépend fortement de la conception des dispositifs techniques de régulation dans l'installation, c'est-à-dire de la manière dont les flux d'eau sont réglés dans l'installation.
Sans post-réglage
La Figure 2a montre un concept de réglage fréquent où les flux d'eau sont exclusivement réglés par un 'préréglage'. La température de l'eau est rendue dépendante de la température extérieure via une courbe de chauffe en guise d'estimation brute des besoins.
Bien sûr, il ne s'agit que d'un réglage très approximatif et en l'absence de post-réglage, ce concept de réglage est extrêmement sensible au déséquilibre hydraulique dans le système. Les problèmes de confort dus à un déséquilibre hydraulique passent inaperçus avant le réglage et ne peuvent donc pas être corrigés.
Dans certains cas, l'équilibrage hydraulique peut faire gagner jusqu'à 25% de frais d'énergie dans ce type d'installation.
Avec post-réglage
Mais les installations sont de plus en plus souvent dotées d'un post-réglage supplémentaire, où les flux d'eau sont adaptés dès le départ aux besoins individuels en intervenant au niveau du débit sur toutes les unités finales (Figure 2b). Les éventuels problèmes de confort dus à un déséquilibre hydraulique deviennent ainsi perceptibles grâce au réglage et peuvent donc être corrigés (mais pas entièrement).
L'économie d'énergie due à l'équilibrage hydraulique reste plutôt limitée à 5% dans ces installations hydrauliques.
Moins d'énergie de pompage
Remarquez aussi qu'une installation équilibrée hydrauliquement consomme moins d'énergie de pompage. En effet, dans une installation déséquilibrée, on pompe toujours trop d'eau. Dans une installation équilibrée, le débit de pompe est beaucoup plus faible, ce qui permet d'économiser jusqu'à 55% d'énergie de pompage.
Hausse de consommation
Dans certaines situations – plutôt rares, on ne constate pas d'économie après l'équilibrage, mais une hausse de la consommation. Imaginons par exemple une aile d'hôpital qui restait complètement froide auparavant, parce qu'on ne prévoyait quasiment pas de débit. Eh bien, après l'équilibrage hydraulique, lorsqu'elle pourra être amenée à la température souhaitée, cette aile va forcément générer une demande de chauffage supplémentaire et donc une consommation énergétique accrue. L'objectif premier de l'équilibrage hydraulique est d'atteindre le confort souhaité.
4. J'AI UN POST-REGLAGE, POURQUOI EQUILIBRER ENCORE?
Autrement dit: “Ai-je besoin d'un vanne d'équilibrage si j'ai une vanne de régulation dans chaque pièce?” La réponse est oui. En effet, il y a une grosse différence entre une vanne de régulation et une vanne d'équilibrage:
• Une vanne de réglage règle le débit en continu en fonction du besoin;
• Une vanne de paramétrage doit veiller à ce que le débit de conception (avec une charge maximale, dans des conditions climatiques extrêmes) puisse être atteint. En principe, elle n'est réglée qu'une seule fois en fonction du débit de conception souhaité.
Une vanne de réglage est sélectionnée sur la base de l'autorité de vanne minimale requise. En outre, elle est sélectionnée parmi une petite gamme de valeurs Kvs (conductivité hydraulique de la vanne). La sélection de la vanne n'a donc rien à voir avec la garantie du débit de conception.
Pour obtenir un réglage de débit précis et stable, et amener la vanne de réglage dans sa plage de fonctionnement, il faut toujours accompagner la vanne de réglage d'une vanne d'équilibrage.
5. MON INSTALLATION EST-ELLE HYDRAULIQUEMENT EQUILIBREE?
En principe, chaque installation de chauffage doit être équilibrée. Pourtant, dans la pratique, ce n'est pas toujours le cas.
Les symptômes de déséquilibre hydraulique sont des radiateurs froids, des pièces qui chauffent trop, des températures ambiantes instables ou des bruits d'écoulement. En outre, la ∆T sur les circuits donne une indication rapide et facile de la qualité de l'équilibre hydraulique. Lorsqu'on visite une chaufferie, il faut donc toujours examiner la différence de température entre les conduites de départ et celles de retour.
Si les radiateurs sont dimensionnés à un régime 70/50/20 °C, on s'attend à une différence entre la température d'arrivée et la température de retour d'environ 20 °C (un peu moins avec une charge partielle). Mais si la différence de température n'est que de 1 ou 2 °C, cela signifie que l'installation n'est pas (correctement) équilibrée: on pompe trop d'eau, si bien que cette eau a moins de temps pour dégager sa chaleur. Notez toutefois que la ∆T et le comportement avec une charge partielle dépendent beaucoup de la stratégie de réglage appliquée et des couplages hydrauliques utilisés (couplage en mélange, couplage en distribution, couplage en étranglement, bouteille de découplage).
6. QUELLE EST LA DIFFERENCE ENTRE EQUILIBRAGE STATIQUE ET EQUILIBRAGE DYNAMIQUE?
L'équilibrage hydraulique d'une installation de chauffage peut se faire de manière statique ou dynamique.
Equilibrage statique
On utilise ici des vannes d'équilibrage qui sont réglées une seule fois afin de créer une résistance hydraulique fixe et d'équilibrer ainsi les débits à pleine charge. Mais lorsque les vannes de réglage sont fermées pendant le fonctionnement de l'installation, l'équilibre hydraulique d'origine n'est plus garanti. Comme illustré dans la Figure 3a, le débit augmente dans le radiateur le plus bas et le radiateur le plus haut, lorsqu'on ferme les deux radiateurs du milieu de respectivement 18 et 37%. Quand on ferme les radiateurs du milieu, les autres radiateurs ont une trop grosse part de pression de pompage à traiter, si bien qu'au final, le débit augmente.
Equilibrage dynamique
Dans le cas de l'équilibrage dynamique, cette hausse de débit est supprimée grâce à la vanne d'équilibrage dynamique. Cela se fait via un système de membrane-ressort qui élimine la hausse de pression entraînée par la hausse de débit. Résultat: on obtient un débit constant.
Afin de garantir à tout moment l'équilibre hydraulique, une vanne d'équilibrage dynamique adapte la situation en continu. Dans la Figure 3b, les changements de débit dans le radiateur inférieur et dans le radiateur supérieur se limitent donc à -3 et -4%.
Pour ce qui est des vannes d'équilibrage dynamiques, on distingue les versions DPCV (Differential Pressure Control Valve), PICV (Pressure Independant Control Valve) et Autoflow (limitateur de débit):
• Une DPCV est typiquement utilisée pour maintenir une pression différentielle constante dans une partie de l’installation afin de préserver les vannes de post-réglage et d'équilibrage (statiques) situées en aval des variations de température qui sont provoquées ailleurs dans l'installation;
• Une PICV combine dans un seul composant une vanne de réglage, une vanne d'équilibrage et une DPCV. La DPCV intégrée maintient la pression constante sur la vanne de réglage et la vanne d'équilibrage internes afin de garantir un équilibre hydraulique à tout moment. Un avantage encore plus important est que le débit souhaité peut être réglé directement sur la PICV, alors que, dans le cas d'une vanne d'équilibrage statique, il n'est possible de le régler que via une mesure.
Le principe PICV est aussi disponible en version miniature et est même intégré dans des vannes de thermostat. Toutefois, tenez compte qu'une PICV a besoin d'une pression de travail minimale d'environ 10 à 40 kPa et doit donc être prise en compte dans le calcul de la hauteur de relevage de la pompe;
• Un Autoflow ou limitateur de débit est utilisé pour limiter le débit à une certaine valeur. En dessous de cette limite de débit, le composant ne fait rien. Au-dessus, il va créer une chute de pression plus importante afin de limiter le débit. Les limitateurs de débit ne peuvent pas être réglés. Ils sont sélectionnés parmi une petite gamme de valeurs.
7. COMMENT LES INSTALLATIONS SONT-ELLES EQUILIBREES?
L'équilibrage hydraulique fait partie de la mise en service et s'effectue après la composition de l'installation.
Dynamique
Dans le cas d'un équilibrage dynamique, il faut régler les débits souhaités sur le dispositif d'équilibrage dynamique. En principe, ça s'arrête là. Toutefois, la hauteur de relevage de la pompe doit être calculée de manière à respecter la pression de travail des PICV, DPCV et Autoflows.
Statique: un processus itératif
Dans le cas d'un équilibrage statique, la procédure d'équilibrage est beaucoup plus compliquée. En effet, le débit souhaité ne peut être réglé qu'au moyen d'une mesure du différentiel de pression sur la vanne d'équilibrage. De plus, l'équilibrage statique est un processus itératif, où les actions d'équilibrage effectuées sur une vanne perturbent l'équilibre hydraulique de toutes les autres vannes déjà équilibrées.
Ces procédures d'équilibrage itératives demandent donc beaucoup de travail et la pratique nous montre que la qualité finale de l'équilibre hydraulique est à l'avenant. Mais il existe une solution. Certains logiciels permettent de calculer automatiquement les positions d'équilibrage des vannes d'équilibrage statique (voir aussi encadré Equilibrage statique avec Hysopt).
EQUILIBRAGE STATIQUE AVEC HYSOPT
Le logiciel Hysopt reprend en détail toutes les résistances hydrauliques pour l'ensemble de l'installation afin que les positions des vannes d'équilibrage statique soient automatiquement calculées. Ainsi, l'installateur peut toujours régler la bonne position sur la vanne d'équilibrage au moment de l'installation. Cela fait gagner énormément de temps dans la phase de mise en service et beaucoup de cas pratiques montrent un meilleur équilibre hydraulique par rapport aux procédures d'équilibrage itératives.
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