Chapitre 1 : Principe de fonctionnement !
Cette page a pour but d’aider à comprendre le principe de fonctionnement d’un système de chauffage central ainsi que des accessoires nécessaires à une installation classique.
Cela parait une évidence mais il faut se rappeler qu’un système de chauffage central se compose d’une partie production et d’une partie dissipation, avec éventuellement une partie stockage entre les deux.
La production :
Chaudière fuel, gaz, bois, électrique, pompe à chaleur, système de chauffe eau solaire, insert, foyer fermé, poêle. Ces trois derniers appareils peuvent être équipés de « bouilleurs » internes ou externes.
La dissipation :
Radiateurs, convecteurs, planchers , murs ou plinthes chauffants, etc.
Le stockage :
– Dans certains cas, particulièrement avec les appareils à combustibles solides comme le bois bûche, il peut être intéressant, voir même nécessaire, de mettre en place une unité de stockage. L’eau étant un excellent « stockeur » de chaleur et d’une grande disponibilité, elle devient le moyen le plus courant pour assurer cette fonction.
On a vu depuis quelques années « fleurir » une quantité impressionnante de différents modèles de ballons, appelés de stockage, tampon, etc.
– Dans le chauffage utilisant le bois un autre procédé peut être envisagé, le poêle de masse, la chaleur est stockée dans une matière réfractaire grâce à une combustion du bois très forte et rapide, la chaleur accumulée dans la masse sera restituée durant plusieurs heures. Un poêle de masse bien étudié peut assurer le chauffage d’une habitation durant 24 heures avec une seule flambée par jour, diminuant très fortement la consommation de bûches.
Le fonctionnement :
Inventé par les romains pour les bains-douches (on voit que cela ne date pas d’hier) le principe du chauffage central consiste à faire circuler un liquide caloporteur, le plus souvent de l’eau, chauffé par un « producteur », véhiculé par des canalisations, jusqu’à un ou plusieurs « dissipateurs » afin de chauffer un lieu, une pièce, un local.
– Dans ce principe il est important que les moyens de production et la dissipation soient d’une puissance suffisante et équivalente à la déperdition du local à chauffer. Dans la pratique on choisira de garder une marge de sécurité suffisante de l’ordre de 20 à 30%.
Les déperditions :
– Les déperditions d’une pièce sont la somme de la chaleur perdue par conduction des parois plus celle de la chaleur perdue par renouvellement de l’air.
– Ces déperditions sont compensées par les émetteurs du système de chauffage.
– La puissance des émetteurs d’un local doit évidemment couvrir les déperditions de celui-ci.
– La puissance de la production doit couvrir les déperditions des pièces chauffées par le système.
– Pour le dimensionnement du système, les déperditions sont calculées dans les pires conditions :
a) Température ext minimum.
b) Renouvellement d’air maximum.
Chapitre 2 : La régulation d’un dissipateur !
Il y a deux manières de réguler la puissance d’une installation de chauffage central :
– La régulation par la température du fluide caloporteur.
On peut considérer que la puissance d’un émetteur (radiateur) est directement tributaire de la température du liquide caloporteur qui circule. Si un radiateur est conçu pour produire 2 kWs de chaleur avec une eau circulant à 60°C et une T°C air ambiant à 20°C, il ne produira que 1.5 kW si l’eau chute à 50°C et 1kW à 40°C.
On peut évaluer facilement la puissance d’un dissipateur si l’on connaît la température d’entrée et de sortie du liquide caloporteur et le débit.
exemple avec de l’eau en liquide caloporteur :
Température d’entrée = 55 °C
Température de sortie = 52 °C
Débit du liquide = 300 litres par heure
Puissance du dissipateur = delta T°C (3°C) x débit (300 l/heure) x 1.16 (valeur fixe) = 1044 Watts
Le graphique à gauche montre bien que si la température moyenne de l’eau augmente de manière linéaire (courbe rouge) la puissance dissipée augmente d’une façon quasi linéaire également (courbe noire).
– La régulation par le débit du liquide caloporteur.
On peut également réguler la puissance d’un dissipateur en modifiant le débit de l’eau, en jouant sur la vitesse du circulateur par exemple. Ce moyen est plus complexe à mettre en oeuvre et possède une latitude de réglage faible.
On peut constater sur le graphique représentant la « régulation par le débit » à droite, qu’en faisant varier le débit de 0 à 20% la puissance de dissipation varie de 0 à 85%. De 20 à 100% la puissance de dissipation ne varie que de 15% maximum.
Chapitre 3 : Les accessoires nécessaires !
Le circulateur
– En fait c’est une pompe à eau installée sur le circuit pour permettre une circulation forcée du liquide caloporteur. La pression engendrée par sa mise en route doit être supérieure aux pertes de charge.
– Quand on place un circulateur sur un circuit de chauffage central, il stabilisera sa vitesse (débit) à une valeur pour laquelle la pression qu’il fournit est égale à la résistance du circuit. Ce point d’équilibre définit la hauteur manométrique et le débit fourni par le circulateur.
Cette valeur est généralement appelée : hauteur de refoulement.
– Le débit idéal (réglable) du circulateur sera de Q = puissance / (1.16 x Delta T°C)
Exemple : Chaudière de 20 kW, Delta T°C départ /retour radiateurs de 10°C
Débit idéal = 20 / (1.16 x 10) = 1.72 m³ / heure
Delta T°C généralement constatés :
– 15°C pour des radiateurs haute température.
– 10°C pour des radiateurs basse température.
– 4°C pour un plancher chauffant.
Le vase d’expansion
– Elément indispensable de tous les systèmes de chauffage central, il en existe deux types :
a) Le vase d’expansion fermé
Il travaille sur des circuits fermés et donc sous pression. La pression de gonflage à l’azote la plus fréquente est de 1.5 bar. Sa mission est d’absorber la dilatation du liquide caloporteur du circuit quand il chauffe, le plus souvent de l’eau. Sa capacité doit être calculée en fonction du volume d’eau total de l’installation et de la hauteur totale du circuit, la pression sera plus importante sur un bâtiment de plusieurs étages en comparaison d’une maison de plain pied (du au poids de l’eau).
– La pression de gonflage du ballon devra être ajustée en fonction de la hauteur de l’installation 1m = 0,1 bar
– La pression du circuit à froid devra être légèrement supérieure (0.2 bar ) à la pression de gonflage.
– Le bon sens de montage est de placer le filetage de raccordement en bas et non pas en haut.
Calcul simple du volume du vase d’expansion :
– Coefficient de dilatation de l’eau en fonction de la température = 0.00045
– Dilatation = (Température maxi – température de départ à froid) x volume de l’installation x coefficient.
– Pression de gonflage = (0.1 x hauteur statique) + 0.2
exemple :
– température de l’eau chaude maxi = 70°C
– Température de l’eau à froid (T°C ambiante) = 15°C (T°C moyenne eau du réseau au remplissage)
– Volume total de l’installation = 300 litres
– Hauteur de l’installation = 6 mètres (3 étages)
– Volume de dilatation = (70°C – 15°C) x 300 litres x 0.00045 = 7.42 litres
– Pression de gonflage = (6 m x 0.1 bar) + 0.2 bar = 0.8 bar.
– Capacité totale du vase fermé avec pression de tarage de la soupape de sécurité : 3 bars
= ((3 bars + 1) x volume de dilatation) / ((3 bars + 1) – (pression de gonflage + 1))
Pour notre exemple : Volume du vase = (4 x 7.42) / (4 – 1.8) = 29.68 / 2.2 = 13.49 litres
b) Le vase d’expansion ouvert
Il assure la même fonction que le vase fermé, mais le circuit n’est pas sous pression. Il devra être installé au plus haut point de l’installation hydraulique.
– Son volume sera de minimum 20% du volume d’eau total avec hydro-accumulation.
Le niveau d’eau à froid devra permettre de monter au niveau d’eau après la chauffe sans débordement. Un conduit d’évacuation à l’égout est mis en place, certains vases peuvent être équipés d’un système de remplissage automatique pour pallier au phénomène d’évaporation (fortement déconseillé).
Notions de base pour le calcul d’un vase d’expansion :
• Capacité brute du vase : C’est la capacité totale du vase d’expansion
• Capacité utile (ou nette) du vase : C’est la quantité maximale d’eau qui peut être absorbée
• Hauteur statique : C’est la hauteur de l’installation entre le raccord du vase d’expansion et le point le plus élevé de l’installation, mesurée en mètres de colonne d’eau, (1 mètre = 0,1 bar).
• Pression de gonflage du vase d’expansion : C’est la pression mesurée à l’endroit de la valve de remplissage d’azote à la température ambiante et à la pression atmosphérique. La pression doit correspondre à la hauteur statique + 0.2 bar.
• Pression finale : C’est la pression maximale autorisé de l’installation à l’endroit du vase d’expansion. Elle ne devra pas être supérieure à la pression de tarage de la soupape de sécurité minorée de la différence de fermeture de la soupape (10% de la pression de tarage de la soupape de sécurité). La pression finale ne devra pas dépasser la pression maximum du vase d’expansion
• Volume de réserve : Le vase d’expansion doit contenir une réserve d’eau minimale pour compenser les pertes éventuelles du circuit. Elle devra être de 0.5% de la capacité totale du circuit sans être toutefois inférieure à 3L
Les vannes
Vanne 2 voies : Souvent à boisseau sphérique, elle est utilisée en tant que vanne de remplissage, vanne de purge ou de vidange ou vanne d’isolement pour un secteur du circuit. Dans ce dernier cas elle permet d’effectuer des travaux sur une partie du circuit sans être dans l’obligation de le vidanger dans son intégralité, pour un ballon de stockage par exemple.
Vanne 3 ou 4 voies : D’une utilisation moins évidente, on en retrouve sur pratiquement toutes les installations.
Le schéma de gauche vous montre 3 positions d’une vanne 4 voies :
Figure 1 : Demande maximum de chauffage – La vanne est en position 100% chauffage, l’eau venant de la chaudière est intégralement envoyée dans les radiateurs et le retour radiateurs s’achemine à 100% vers le retour chaudière.
Figure 2 : Demande de chauffage nulle – L’eau circule entre la chaudière et la vanne 4 voies et retourne à la chaudière sans alimenter les radiateurs, la boucle servant de circuit de recyclage la vanne peut aussi être commandée par la température de sortie de la chaudière pour lui permettre de monter plus rapidement en température.
Figure 3 : Demande de chauffage moyenne – La vanne devient vanne mélangeuse, en position milieu 50% de l’eau venant de la chaudière retourne dans le circuit retour chaudière en se mélangeant à 50% avec l’eau de retour radiateurs.
Une vanne trois voies peut prendre n’importe quelle position entre 0 et 100%, manuellement ou avec une commande motorisée.
Quelque soit le type de vanne son diamètre de passage de l’eau doit toujours être légèrement plus faible que le diamètre des conduites pour qu’elle garde la « priorité » sur les débits en fonction de sa position.
Les sécurités
Sécurité à la pression : Souvent équipée d’un manomètre gradué cette soupape de sécurité à la pression est tarée à 3 bars. Attention à respecter le sens de raccordement indiqué par une flèche sur le corps.
En cas de dépassement de cette pression, cette vanne s’ouvre et laisse s’échapper l’eau vers l’égout, évitant ainsi la sur-pression.
Attention l’installation pourrait souffrir d’un manque d’eau après son intervention. De plus une baisse de la pression du circuit diminue la température d’ébullition.
– 100°C pour l’eau à pression atmosphérique.
– 120°C pour l’eau à une pression de 2 bars.
Sécurité à la température : Principalement utilisée pour les chaudières à combustible solide tel que le bois et le charbon, elle est simple ou double.
Tarée aux alentours de 95 à 100°C elle va permettre d’injecter de l’eau du réseau (froide) dans l’appareil de chauffage, tout en évacuant le surplus à l’égout.
Cette sécurité laisse le circuit sans manque d’eau après son action, elle est fréquemment jumelée à un limiteur de pression réseau si le réseau est à plus de 2.5 bars.
Sécurité d’alimentation : La plupart des systèmes de chauffage central nécessitent une alimentation secteur ou basse tension. Si cette source vient à manquer le chauffage ne fonctionne plus, sauf dans le cas de foyer bois (insert, poêle, chaudière bois, etc.) fonctionnant en thermosiphon avec vase d’expansion ouvert.
– Pour pallier à ce problème récurrent il est facile de prévoir un système d’alimentation autonome. L’énergie pourra être fournie par une batterie stationnaire (à décharge lente) de bonne capacité, en direct sur les installations basse tension préconisées avec régulation et circulation en 12 volts et/ou au travers d’un convertisseur 12/230 volts si possible pure sinus. Suivant la puissance du convertisseur une chaudière à énergie fossile pourra être alimentée en sus.
Le purgeur automatique
– Sa mission est de permettre à l’air, qui pourrait rester prisonnier du circuit, de s’échapper.
– Evacuation de l’air lors du remplissage et de l’air initialement dissout dans le fluide.
– Il est indispensable de prévoir sa mise en place sur chaque point haut d’une installation.
– Attention à ne pas oublier de dévisser légèrement le petit bouchon qui se trouve à son sommet.
– il peut être soit à membrane, à ressort ou à flotteur (voir schéma de gauche).
Le clapet anti-retour
– Un clapet anti-retour est un dispositif permettant de contrôler le sens de circulation d’un fluide quelconque. Il permet le passage d’un liquide, d’un gaz, d’air comprimé, … dans un sens et bloque le flux si celui-ci venait à s’inverser.
– La plupart des clapets anti-retour utilisés dans un circuit de chauffage central sont à ressort, une pastille bloque le fluide quand la circulation est inversée. Le ressort est comprimé par la pression induite dans le circuit par le circulateur.
La vanne thermique Termovar
– Dans les installations de chauffage à combustible solide la vanne permet de recycler entièrement l’eau de départ de la chaudière vers le retour, afin d’atteindre rapidement la température idéale de fonctionnement dans la chaudière.
– Lorsque la température de consigne est atteinte l’eau chaude commence à réchauffer progressivement le ballon de stockage. L’eau de retour du ballon est mélangée à l’eau de reclyclage, ce qui permet d’éviter un retour trop froid et la formation du point de rosée dans la chaudière.
– Lors de la chauffe normale, la vanne assure la circulation entre la chaudière et le ballon stockeur.
Température maxi. de fonctionnement : 110°C – Pression maxi. : 6 bars – Tarages courants 45 ,55, 61, 72, 80°C.
Attention : L’entrée se fait par le bas (image de gauche), en dessous de la température de tarage le fluide part vers la droite, à partir de la température de tarage le fluide part vers la gauche. Ce changement de sens de circulation se fait progressivement.
Les radiateurs
– Les radiateurs en fonte sont les radiateurs les plus lourds. Ils absorbent très bien la chaleur, et prennent aussi beaucoup de temps à chauffer et à refroidir : on dit qu’ils ont une grande inertie de chauffage.
Les radiateurs en fonte continuent de chauffer une pièce après les avoir éteints, et pendant très longtemps, car ils sont massifs et emmagasinent beaucoup d’énergie.
Un radiateur en fonte sera plus résistant à l’usure que les autres types de radiateurs. Son prix est un peu plus élevé mais c’est un très bon investissement dans le temps.
– Les radiateurs en acier sont plus minces que les radiateurs en fonte, et peuvent contenir moins d’eau. Ils ont une inertie de chauffage moins grande, et peuvent donc chauffer et refroidir assez rapidement.
Ils occupent généralement moins de place que ceux en fonte. Ils sont moins lourds, et parfois ont un design original. On en trouve de toutes les formes et de toutes les tailles.
C’est un des radiateurs les plus courants car il n’est pas très cher, et c’est un très bon investissement pour les budgets les plus modestes.
– Les radiateurs en aluminium sont les radiateurs les plus légers. Ils ont l’avantage d’être les radiateurs les plus rapides à chauffer sans pour autant refroidir très rapidement.
On trouve des radiateurs en aluminium pour 40 ou 50 euros, et ce sont les radiateurs les moins chers. Ils ont comme principal désavantage de ne pas pouvoir être installé sur un circuit comprenant d’autres types de radiateur, car l’aluminium n’est pas compatible avec la fonte et l’acier.
– Les radiateurs chaleur douce ou basse température est un radiateur qui fonctionne à un DeltaT inférieur à celui normalisé (50°C). En clair il sera plus imposant en taille qu’un radiateur ordinaire et donc plus onéreux.
Le volume d’eau sera également plus important. Une installation basse température a théoriquement un meilleur rendement de l’ordre de 10 à 15%
Le plancher chauffant
– Il peut aussi bien être installé lors d’une rénovation ou d’une construction neuve, et peut fonctionner avec tout type de chauffage et d’énergie.
Le plancher chauffant basse température (maxi 28°C) se compose d’un réseau de conduits encastrés dans le sol dans lesquels circule de l’eau chaude. Le chauffage se faisant par rayonnement, la chaleur ne s’accumule pas au plafond. Il permet d’obtenir une sensation de confort supérieur qu’avec un chauffage conventionnel par radiateur, soit une économie de combustible pouvant atteindre 10 à 15%.
Le plancher peut devenir rafraîchissant ou de climatisation douce, limité à 35 W/m² pour éviter les risques de condensation au sol, s’il est raccordé à une pompe à chaleur réversible. Cela doit être prévu à la conception du projet car les dimensions du réseau s’en trouveront modifiées.
Un plancher chauffant délivre une chaleur douce, homogène et confortable, il permet de supprimer les radiateurs et de libérer les murs afin de profiter pleinement de la surface de la pièce, il pourra être recouvert de la plupart des revêtements de sol, parquet, moquette, carrelage. Enfin il ne provoque pas de brassage d’air donc ne brasse pas de poussière.
Dans le cas où la source de chaleur est haute température un ballon tampon et une régulation adaptée seront nécessaires pour « marier » les deux systèmes.
La résistance électrique
– La plupart du temps dans un ballon de stockage mixte ou dans un ballon ECS on préconisera une relève électrique ne serait ce que pour assurer la production d’eau chaude sanitaire en été.
– Il est d’usage de placer cette résistance au 2/3 (=0.66) du volume total du ballon dans le cas d’un ballon mixte (ECS en bain marie).
– La puissance de cette résistance est évaluée avec la relation :
R en Watts = 0.66 x (1.16 x Delta T°C) / durée en heure) x V (volume du ballon)
Exemple :
– Ballon mixte 650 litres (500 stockage + 150 ECS)
– Delta T°C = 30°C
– Durée de chauffe en tarif de nuit = 8 heures
Puissance de la résistance = 0.66 x ((1.16 x 30) / 8) x 650 = 0.66 x (34.8 / 8) x 650 = 1866 Watts.
Dans la pratique une résistance de 2 kW sera installée, et le temps de chauffe sera légèrement réduit.
Dans un ballon mixte de grande capacité comme 1000 litres stockage + 210 litres ECS, la résistance pourra être placée au 1/3 du ballon afin de ne pas chauffer inutilement une grande quantité d’eau. Dans ce cas 0,66 devient 0,33. Seule la partie haute du ballon où se trouve le réservoir ECS en bain marie sera montée en température.
