La maîtrise des débits d’un réseau ECS, l’assurance d’une température souhaitée en tout point du réseau.

Tout d’abord, de façon à appréhender le fonctionnement hydraulique d’un réseau ECS, il est important de considérer l’ensemble de ses constituants et de maîtriser les notions d’hydraulique de base.

Le réseau : il est constitué de l’ensemble des canalisations et de ses accessoires.

L’installation d’eau chaude sanitaire : elle comprend la production d’eau chaude et le réseau d’eau chaude.

Le réseau aller : il distribue l’eau chaude depuis la production jusqu’aux différents points d’usage.

Le réseau retour : il ramène l’eau chaude à la production.

Illustration du réseau aller (en rouge) et du réseau retour (en vert)

Le bouclage : lorsque les points de puisage sont éloignés de la production d’ECS, une canalisation « retour » permet d’éviter le refroidissement du réseau grâce à une circulation permanente de l’eau chaude. On parle de réseaux bouclés ou de bouclage des réseaux. La circulation dans les boucles, même les plus éloignées, permet d’obtenir une eau chaude dans un délai très court.

Une boucle comprend :

Illustration des boucles (jaune, rouge, vert, bleu)

• une canalisation aller avec

- une vanne d’arrêt équipée d’un robinet de vidange. Cette vanne permet de vidanger la colonne ;

• une canalisation retour avec

-un organe de réglage,

-une vanne d’isolement pour assurer la maintenance de l’organe de réglage.

Une antenne terminale correspond au tube final d’alimentation. Elle ne fait pas partie de la boucle. Elle est piquée sur le collecteur aller. Chaque piquage est équipé d’un ensemble de protections EA (vanne d’arrêt et clapet EA).

Un collecteur : un collecteur aller (distributeur) est une canalisation depuis laquelle partent au moins deux canalisations aller. Un collecteur retour est une canalisation dans laquelle viennent se rejoindre au moins deux canalisations retour. Le point de départ du collecteur est l’endroit où se rejoignent deux boucles.

Le collecteur retour général désigne le collecteur où se rejoint l’ensemble des canalisations retour. Il est situé immédiatement en amont de la pompe de circulation.

Illustration des collecteurs aller (rouge) et collecteurs retour (vert)

Un circuit : il se compose d’une boucle et des collecteurs qui la relient à la production.

Illustration d’un des quatre circuits (rouge) composant le réseau à quatre boucles

Un tronçon : un réseau se découpe en tronçons qui correspondent à une canalisation de même diamètre et de même nature sans piquage.

La pompe de circulation : le rôle de la pompe est d’assurer un débit permanent dans les canalisations. Elle est caractérisée par une courbe de fonctionnement : hauteur manométrique totale (HTM) en fonction du débit.

Les organes de réglage : ils permettent de répartir les débits dans l’installation. Un organe de réglage, appelé « vanne de compensation », doit être mis en place sur le collecteur retour général. Cet organe de réglage équipé de points de mesure de pression peut éventuellement servir de mesureur de débit.

S’agissant des notions d’hydraulique :

Le débit

Le débit s’exprime en m3/s (mètre cube par seconde) ou plus communé- ment L/h (litre par heure) : il s’agit de la quantité d’eau qui circule dans une canalisation pendant un temps donné. Il est lié à la vitesse de circulation de l’eau.

La formule de calcul du débit dans une canalisation peut s’exprimer par :

Q (m3/s) = v (m/s) x S (m2) (Équation 1)

Q (L/h) = v x S x 3,6 x 106 

 

Où :

Q est le débit de l’eau dans la boucle en litre par heure (L/h) ; v est la vitesse (m/s) ; S est la section de la canalisation (m2).

Pour un même diamètre interne, plus la vitesse de l’eau augmente, plus le débit est important.

Diamètre de canalisation (cuivre en mm)	Vitesse (m/s)	Débit (L/h)
14	0,06	35
14	0,2	110
14	0,5	277

Illustration du calcul du débit en fonction de la vitesse

 

Le débit dépend également du diamètre de la canalisation : pour une même vitesse, plus le diamètre intérieur de canalisation est grand, plus le débit est important.

Vitesse (m/s)	Diamètre de canalisation (cuivre en mm)	Débit (L/h)
0,2	12	80
0,2	14	110
0,2	16	145

Illustration du calcul du débit en fonction du diamètre    

 

Débit de bouclage :

La température est une conséquence directe du débit, plus le débit augmente plus l’écart de température entre le départ et le retour de boucle diminue.

La relation entre le débit et l’écart de température d’une boucle est donnée par la formule suivante :

Q (L/h) = P (W) / 1,16 x ΔT (°C) (Équation 2)

Où :

P est la somme des déperditions thermiques (puissance totale dissipée) de la boucle en Watt (W) ;

Q est le débit de l’eau dans la boucle en litre par heure (L/h) ;

ΔT est l’écart de température en °C entre l’aller et le retour de la boucle.

Cette équation n’est pas suffisante pour calculer le débit de bouclage minimal nécessaire. Le débit de chaque boucle est fixé en prenant la plus grande valeur de débit entre :

− le débit calculé en fonction des déperditions thermiques ;

− le débit permettant une vitesse minimale de circulation de 0,2 m/s dans la canalisation retour ;

− le débit résultant d’une distance de passage suffisante dans l’organe de réglage. Cette distance doit permettre le passage de particules de 1 mm de diamètre.

Il faut noter que les débits de bouclage doivent couvrir les déperditions des collecteurs. En général, les débits liés aux contraintes de vitesse et distance de passage minimum dans les organes de réglage donnent des débits supérieurs aux besoins. Dans ces conditions, l’écart de température global est inférieur à 5 °C.

Dans le cas de collecteurs déperditifs, il y a lieu de contrôler que l’écart de température global soit au moins égale à la valeur souhaitée - 5 °C en général.

Dans le cas contraire, il est nécessaire de prendre un écart de température de l’ordre de 2,5 °C pour calculer le débit des bouclages (la mise à jour du DTU traitera ce point).

Il est important de ne pas confondre les valeurs de calcul du dimensionnement, en général 55 °C au retour pour un départ à 60 °C et la réglementation qui impose une température supérieur à 50 °C en tout point du réseau. Une installation neuve doit donc avoir une température égale ou supérieure à 55 °C en tout point du réseau.

Répartition des débits dans un réseau à quatre boucles - 

Perte de charge du réseau

La perte de charge (Pdc) du réseau est notée ΔP et s’exprime en Pa (Pascals) ou plus communément en mmCE (millimètres de colonne d’eau).

On distingue les pertes de pression par frottements continus (pertes de pression régulières) et les pertes de pression singulières. Les premières sont dues aux caractéristiques du fluide (viscosité et turbulence) ainsi qu’à la rugosité des parois du tube tandis que les secondes sont dues aux décollements de la veine fluide et aux tourbillons provoqués par les accidents divers (coudes, réductions, robinets, tés, etc.).

Des abaques combinant débit, vitesse, diamètre de canalisation permettent de déterminer les pertes de charge pour un tronçon de 1 mètre de canalisation ; c’est la perte de charge linéique notée « j » (mmCE/m).

Pour un tronçon d’une longueur donnée, il suffit de multiplier la perte de charge linéique par la longueur du tronçon (L, en mètres), on obtient alors l’expression de J (appelé « grand j ») :

J (mmCE) = j (mmCE/m) x L(m) (Équation 3)

Dans l’exemple, la perte de charge est majorée de 15 % afin de tenir compte de la perte de charge singulière dans la boucle. Un calcul est nécessaire pour définir précisément la majoration liée aux pertes de charge singulière.

Dans l’exemple, la perte de charge totale de la boucle correspond à la somme des pertes de charge de chaque tronçon de canalisation de la boucle majoré de 15 %.

ΔP(mmCE)=Σ(j×L) ×1,15  (Équation 4)

Plus le débit dans une canalisation est important, plus la perte de charge augmente.

Diamètre interne d’une canalisation en cuivre (mm)	Vitesse (m/s)	Débit (L/h)	j (mmCE/m) Extrait abaque
14	0,06	33	0,6
14	0,2	110	5
14	0,5	277	27

Illustration de la correspondance entre la perte de charge d’une canalisation en cuivre et le débit circulant 

 

Pour un même débit, plus la canalisation est importante, plus les pertes de charge diminuent. 

Diamètre interne d’une canalisation en cuivre (mm)	Vitesse (m/s)	Débit (L/h)	j (mmCE/m) Extrait abaque
12	0,28	110	11
14	0,2	110	5
16	0,15	110	2,5

Illustration de la correspondance entre la perte de charge d’une canalisation en cuivre et le diamètre d’une canalisation en cuivre à débit constant

 

Perte de charge d’un organe de réglage

L’organe de réglage permet d’absorber un excédent de pression. Il se caractérise par le coefficient de perte de charge noté « Kv » et correspond à un débit (m3/h) pour une perte de charge de 1 bar.

Le Kvs d’un organe de réglage est le débit qui traverse un organe de réglage lorsqu’il est grand ouvert (c’est-à-dire le Kv à grande ouverture).

L’équation (5) valable pour un écoulement turbulent dans la vanne, indique la relation entre le débit, la perte de charge et le Kv de la vanne considérée.

 Kv = Q(m3/h) / √ΔP(bar) (Équation 5)

Le Kv est un orifice de passage d’une surface et d’une forme permettant de créer une chute de pression pour un débit précis.

En pratique, pour choisir un organe de réglage, le Kv doit être calculé. Un Kv correspond à une valeur d’ouverture, soit un nombre de tours ou une position de réglage dans un organe de réglage, ou soit à un orifice pour un diaphragme.

Par exemple, pour une pression absorbée de 2m CE (0,2 bar) et un débit de 110 L/h, on obtient un Kv de 0,24. On peut dire que cet orifice permet d’obtenir un débit de 240 L/h pour une perte de charge ramenée à 1 bar.

Une fois le Kv calculé, un organe de réglage est choisi à partir des abaques fournis par le fabricant, afin que le Kvs de l’organe choisi soit le plus proche du Kv calculé.

Les valeurs Kv des vannes, auxquelles correspondent des distances de passage, sont données sous forme d’abaques ou de tableaux par les fabri- cants. Les valeurs Kv dépendent de la technologie utilisée, du diamètre de la vanne et de la position de réglage. De la même façon, le Kvs de chaque vanne est une donnée du fabriquant.

Le Kv calculé conduit à un orifice de très petite taille. Un kv trop faible ou le choix d’un organe inadapté entraînent un excès de bridage des organes de réglage et son éventuel colmatage.

Pour une pression absorbée de 2mCE et un débit de 110 L/h, on obtient un Kv de 0,24. Pour ce même Kv, la distance de passage dans l’organe de réglage varie en fonction du choix du matériel :

 

Organe de réglage (OR)	OR A	OR B	OR C	OR D	OR E
Distance de passage (mm)	0.1	0.3	0.5	1	>3

 Exemples de distance de passage dans différents organes de réglage du marché pour le même Kv 

 

Exemple d’une opération d’équilibrage sur un réseau composé de quatre boucles :

Cet exemple décrit un cas réel de réhabilitation d’un réseau ECS composé de quatre boucles d’ECS. Quatre étapes sont nécessaires pour réaliser l’opération d’équilibrage et ainsi assurer un fonctionnement hydraulique satisfaisant :

− la remise en conformité du réseau avec la réglementation thermique et notamment l’isolation des canalisations qui doivent être maintenues en température ;

− le calcul des pertes de charge des circuits, à partir des débits, des vitesses et des diamètres des canalisations ;

− l’opération d’équilibrage ; − le choix de la pompe.

Calcul des pertes de charge

Le débit de chaque bouclage sera fixé en prenant la plus grande valeur calculée entre les déperditions thermiques, la vitesse minimale et la distance de passage minimale imposée. Cette dernière valeur varie en fonction du modèle choisi.

Dans notre exemple, les débits de bouclage retenus sont les suivants :

− Boucle 1 : 180 L/h, nécessaire pour obtenir une distance de passage de 1 mm dans l’organe de réglage

− Boucle 2 : 110 L/h, nécessaire pour imposer une vitesse de circulation de 0,2 m/s pour un DN 14/16 de canalisation

− Boucle 3 : 110 L/h, nécessaire pour imposer une vitesse de circulation de 0,2 m/s pour un DN 14/16 de canalisation

− Boucle 4 : 140 L/h, nécessaire pour compenser les déperditions thermiques importantes en raison de la longueur de la boucle

Identification des tronçons du réseau

 

La perte de charge totale de chaque tronçon est calculée à partir des diamètres, des débits, des longueurs des canalisations et des pertes de charge linéique des tronçons. Le tableau 10 rassemble l’ensemble des données calculées.

 

Tronçon	Diamètre interne de la canalisation en mm (cuivre)	Débit passant dans le tronçon (L/h)	Vitesse (m/s)	Longueur (m)	Perte de charge linéique j a (mmCE/m) Abaque	Perte de charge du tronçon J (mmCE) J = j x L	Perte de charge totale du tronçon b ΔP = J x 1,15
1	26	540		10	4,4	44	50,6
1’	20	540	0,48	10	15,2	152	174,8
2	26	360		48	2,1	100,8	115,9
2’	16	360	0,5	48	21,6	1036,8	1192,3
3	20	140		45	1,4	67,5	77,6
3’	14	140	0,25	45	7,8	351	403,6
4	20	180		8	2,3	18,4	21,6
4’	14	180	0,32	8	12,1	96,6	111,3
5	20	220		3	3,3	9,9	11,4
5’	14	220	0,4	3	17,3	51,9	59,7
6	14	110		50	5,2	260	299
6’	14	110	0,2	50	5,2	260	299
7	16	110		10	2,8	28	32,2
7’	14	110	0,2	10	55,2	52	59,8
a : La valeur de j indiquée est déterminée à l’aide d’un abaque liant la nature de la canalisation, son diamètre, le débit et la vitesse. b : Les pertes de charge régulières sont majorées de 15 % pour tenir compte des pertes de charge singulières

Calcul des pertes de charge totales de chaque tronçon

 

Puis, les pertes de charge par circuit sont calculées : il s’agit d’additionner les pertes de charge des tronçons, c’est-à-dire du collecteur aller, des canalisations aller et retour de la boucle et du collecteur retour composant le circuit.

Circuit	Tronçons constituant le circuit	Perte de charge ΔP (mmCE)
1	1+4+4’+1’	358,3
2	1+2+5+6+6’+5’+2’+1’	2 202,7
3	1+2+5+7+7’+5’+2’+1’	1 696,7
4	1+2+3+3’+2’+1’	2 014,8

Calcul des pertes de charge totales de chaque circuit

 

La perte de charge du réseau est la perte de charge du circuit le plus défavorisé, c’est le circuit présentant la perte de charge la plus importante.

Par conséquent, la perte de charge de référence est donc de 2 202,7 mmCE, correspondant au circuit le plus défavorisé, c’est-à-dire le circuit n° 2.

Dans le cas où les pertes de charge de quelques bouclages sont trop importantes, deux solutions sont possibles :

− créer des pertes de charge en ajustant le diamètre des canalisations dans le respect des vitesses imposées. Il est nécessaire de simplifier les réseaux autant que faire se peut. Dans le cas contraire, intégrer par secteur des vannes de compensation avec un réglage qui soit le plus près possible du Kvs (grande ouverture) ;

− augmenter le débit dans le(s) bouclage(s) concerné(s) pour obtenir le Kv désiré.

 

L’équilibrage d’un réseau

L’objectif de l’équilibrage est de créer pour chaque circuit une perte de charge équivalente à celle du circuit le plus défavorisé afin de répartir rationnellement le débit total dans chaque boucle.

Cette répartition du débit dans chaque boucle est opérée en créant des pertes de charge à l’aide des organes de réglage et/ou des sections des canalisations.

Le rôle des organes de réglage est d’absorber l’excédent de pression équivalent à la différence entre la perte de charge de référence et la perte de charge du circuit considéré. En théorie, un réseau équilibré peut être obtenu en ajustant les diamètres. C’est l’auto équilibrage qui facilite la mise au point de l’équilibrage.

Le calcul des pertes de charge des circuits a montré que toutes les boucles doivent avoir au final une perte de charge de 2 202,7 mmCE pour assurer dans chaque boucle le débit souhaité.

Circuit	Perte de charge sans organe de réglage (mmCE)	Perte de charge souhaitée par circuit (mmCE)	Perte de charge à créer par l’organe de réglage (mmCE)
1	358,3	2 202,7	1 844,4
2	2 202,7	2 202,7	0
3	1 696,7	2 202,7	506
4	2 014,8	2 202,7	187,9

Calcul des pertes de charge à créer dans chaque circuit

 

À titre d’information, afin d’obtenir une « autorité » de réglage, les pertes de charge des organes de réglage doivent être au minimum de 200 mmCE, si aucune mesure sur l’accessoire n’est possible. Pour les vannes équipées d’une mesure de pression, il faudra 300 mmCE pour des raisons de précision.

Les positions de réglage de ces organes sont déterminées à partir des caractéristiques hydrauliques calculées (Kv) et des abaques fournis par le constructeur. Ces derniers doivent aussi indiquer la distance de passage au regard du Kv.

 

Circuit	Débit (L/h)	Perte de charge à absorber (mmCE)	Kv	Position de réglagea (nbre de tours)	Distance de passageb (en mm)
1	180	1 844,4	0,42	2,2	1
2	110	0	Ouvert	4	2
3	110	506	0,49	2,3	1,15
4	140	187,9	1,02	4	2

Positions de réglage et distances de passage des organes de réglage

 

Choix de la pompe

Les caractéristiques d’une pompe sont représentées sous la forme de plusieurs courbes, chacune correspondant à une vitesse de rotation de la pompe. Comme la pompe, le réseau se caractérise par une courbe liant le débit et la perte de charge. Plus le débit augmente et la plus la perte de charge augmente. Le point d’intersection entre la courbe de la pompe et la courbe du réseau correspond au point de fonctionnement du réseau.

La pompe de circulation doit pouvoir compenser la perte de charge de l’installation, c’est-à-dire la perte de charge du réseau (calculée ci-dessus) plus la perte de charge de la production (échangeur à plaques, clapet anti-retour, etc.), et fournir un débit de circulation égale à la somme des débits souhaités dans chacune des boucles.

Exemple de courbes de fonctionnement d’une pompe de circulation (schéma extrait des techniques de l’ingénieur)

 

PdC installation = PdC réseau + PdC production

Q installation = Somme Q bouclage

Pour rappel dans l’exemple, les débits souhaités dans les boucles sont de :

− Boucle 1 : 180 L/h

− Boucle 2 : 110 L/h

− Boucle 3 : 110 L/h

− Boucle 4 : 140 L/h

Soit au total Q installation = 540 L/h

Les pertes de charge de l’installation dues :

− au réseau sont de 2 202 mmCE ;

− à la production5 (pour un ballon ou une capacité) sont de 500 mmCE. Il faut y ajouter 300 mmCE correspondant à celle du clapet en aval de la pompe.

 

Soit au total PdC installation = 3 002 mmCE

En conséquence, les caractéristiques techniques minimales de la pompe sont :

−HMT : 3 002 mmCE ;

− débit de la pompe : 540 L/h.

Dans la réalité, le point théorique de fonctionnement du réseau ne coïncide pas avec la courbe caractéristique d’une pompe. Ainsi, il est nécessaire de choisir une pompe dont les caractéristiques sont au moins égales aux paramètres calculés.

 

 

Dans l’exemple, la pompe 1 sera retenue. Le débit correspondant au point de fonctionnement (B) avec la pompe 1 donnera un débit supérieur au point de fonctionnement calculé (A). Une vanne de réglage, appelée « vanne de compensation », doit être placée sur le collecteur retour général pour absorber l’excédent de pression et ainsi amener la pompe au débit calculé. Dans notre exemple, l’excédent absorbé par la vanne de compensation est de 1,5 mCE.

 

Différentes configurations de bouclages et distributions

De manière générale, plusieurs configurations sont possibles. Elles sont représentées ci-dessous sans les accessoires.

Ces bouclages peuvent être mis en œuvre selon différents types de distribution. Classiquement, le retour de boucle suit l’aller, mais il existe des solutions différentes comme l’illustrent les schémas suivants.

Les différents types de bouclage 

 

Dans le cas de réseaux complexes, il peut s’avérer nécessaire d’organiser le réseau en secteur et d’installer des organes de réglage supplémentaires sur les collecteurs retour de chaque secteur. L’objectif est d’obtenir des ouvertures maximales des organes de réglage du secteur contrôlé, de simplifier l’opération d’équilibrage et de faciliter le diagnostic du fonctionnement du réseau ECS (mesures de débits et de températures). Ces vannes doivent être le plus proche possible du Kvs pour faciliter le nettoyage de l’ensemble des organes de réglage.

 

Dangers du multibouclage

Les configurations de bouclages représentées au paragraphe 3.4 sont schématiques et simplistes. Dans la réalité et la complexité des bâtiments existants, le nombre de boucles est de plus en plus important. De plus, la préoccupation des maîtres d’œuvre et d’ouvrage est de boucler au plus près des points d’usage (antenne < 3 m) ; cela a pour conséquence de multiplier le nombre de boucles par 3 ou 4. On parle d’installations « multi- bouclées ».

Les installations de distribution d’ECS multibouclées présentent un réel danger sanitaire à moyen terme. En effet, même dans l’hypothèse où celles-ci ont fait l’objet d’une étude hydraulique (calcul des débits, Kv déterminés) et sont équipées d’organes de réglage adaptés, le fonctionnement de l’installation entraîne le colmatage des organes de réglage en raison des dépôts, du sable ou du tartre présents naturellement dans l’eau. Une maintenance régulière sur ces organes (à manœuvrer tous les 2 à 12 mois selon le type d’établissement) est indispensable pour assurer un bon fonctionnement de l’hydraulique du réseau. Dans le cas d’installations dont le nombre de boucles est très important, 100, 500 voire 1 000, la mise en place d’une maintenance est irréaliste compte tenu des coûts et des moyens humains disponibles.

Dans le cas où elles n’ont pas fait l’objet d’une étude hydraulique (calcul des débits, Kv déterminés), l’installation ne pourra être équilibrée. Le cumul des débits de bouclage peut être supérieur au débit admissible dans la canalisation aller (cf. Tableau 15).

Il est fréquent de constater, par exemple, que l’aller peut supporter un débit de 4 m3/h et que le besoin du retour soit de 15 m3/h. Dans ces cas, l’hydraulique du réseau sera à corriger et le maître d’ouvrage devra gérer l’ensemble des opérations et des conséquences liées à ces travaux.

La perte de charge du réseau est trop importante pour être maîtrisée par les organes de réglage du marché. Ce défaut de conception doit être corrigé, car ils présentent un risque majeur de développement des légionelles.

  Les différents types de distribution d’un réseau ECS bouclé :

Configuration A : Distribution classique où les canalisations aller suivent le retour

Configuration B : Distribution appelée « parapluie », le collecteur aller distribue par le haut du bâtiment les différentes canalisations aller et rejoignent un collecteur retour en partie basse du bâtiment

Configuration C et D : Distribution horizontale, le collecteur chemine au plus près des points de puisage

 

Outre les problèmes de maintenance et de conception du réseau de distribution, des difficultés apparaissent avec la capacité de la production ECS à répondre aux besoins en eau chaude. Il est important de mettre en parallèle le débit de recyclage nécessaire pour faire fonctionner correctement l’installation et le débit que peut fournir la production d’ECS, tout cela en tenant compte des pertes de charge à compenser par les différentes pompes (pompe de charge et pompe de recyclage). Dans le cas contraire, le débit de recyclage vient perturber le fonctionnement des productions semi instantanées et instantanées.

 

Aspects énergétiques

Le Grenelle de l’environnement a fixé une consommation d’énergie primaire inférieure à 50 kWh/m2/an en moyenne pour les bâtiments de type basse consommation (BBC). Actuellement, le poste ECS représente 25 % de la consommation globale, mais ce chiffre pourrait augmenter jusqu’à 50 % dans les projets BBC.

L’équilibrage des réseaux d’ECS contribue à réduire cette part à travers la diminution des consommations électrique et en eau. Un calcul précis devra être mené en fonction notamment de la typologie des réseaux et des profils de consommation d’eau pour évaluer le gain énergétique potentiel.

 

Par ailleurs, il conviendra de vérifier que la somme des débits des boucles permettra de garantir une température suffisante en tout point du réseau et plus particulièrement dans le cas de collecteurs de grandes longueurs. Pour cela, il est nécessaire de mettre en place un calorifugeage adapté dans le respect de la réglementation thermique.

 

Conclusion : maîtriser les débits dans un réseau ECS, c’est obtenir la température souhaitée en tout point du réseau.