Les systèmes de distribution de chaleur à eau chaude

Il existe deux types de systèmes à eau chaude selon le moyen utilisé pour faire circuler le fluide: les systèmes à gravité et les systèmes à circulation forcée.

Les systèmes à gravité

L’eau circule et distribue la chaleur dans toute la maison. Dans ce système, la circulation de l’eau s’effectue grâce à une différence de densité entre l’eau d’alimentation et l’eau de retour. Ce système ne nécessite pas de pompe et la circulation de l’eau à travers le système se fait de manière toute naturelle.

L’eau chauffée dans la chaudière se dilate (sa densité diminue) permettant ainsi son élévation dans les conduits. La chaleur est cédée à l’espace à chauffer par l’intermédiaire des radiateurs. L’énergie échangée à la pièce via les calorifères fait baisser la température de l’eau qui se contracte (sa densité augmente). Cette eau refroidie plonge alors naturellement vers la chaudière et un cycle démarre à nouveau.

La figure qui suit illustre le principe. À noter le vase d’expansion qui permet d’absorber en toute sécurité l’augmentation de volume de l’eau dans la tuyauterie lorsque celle-ci est chauffée.

La force motrice des systèmes à gravité est faible comparativement aux systèmes à circulation forcée décrits ci-après. Les diamètres des tuyaux seront donc plus importants [3].

En pratique, ces systèmes tendent à être délaissés au profit des systèmes à circulation forcée. Ce sont les questions de l’efficacité énergétique et du confort qui sont mises en jeu dans les systèmes à gravité : une circulation lente d’eau chaude peut entraîner des fluctuations importantes de la température entre deux périodes de combustion [4].

Un autre défaut majeur est associé au système d’eau chaude par gravité : il est impossible d’assurer une circulation d’eau chaude au sous-sol. L’eau chaude, moins dense, s’élève nécessairement au-dessus du niveau de la chaudière. Ceci exclut la possibilité d’aménager le sous-sol ou du reste contraint à attendre une homogénéisation de la température par le haut. Si vous avez ce genre de système et que vous songez à aménager votre sous-sol, vous pourriez en profiter pour améliorer votre système de distribution de chaleur.

Les systèmes à circulation forcée

Ces systèmes sont les plus courants. La circulation d’eau est assurée par un système de pompes. Dans le secteur résidentiel, la puissance thermique de chauffage peut aller jusqu’à 1,5 MW (immeubles). Dans ce cas, la température maximale de chauffage de l’eau n’excède pas 120 °C et la pression maximale relative dans la tuyauterie ne dépasse pas 1 100 kPa. Toutefois, dans la plupart des cas, cette pression est voisine de 200 kPa. La figure ci-contre illustre le système complet. À noter : l’utilisation d’un vase d’expansion en amont de la pompe afin d’éviter le phénomène de cavitation, lequel pourrait gravement endommager la pompe.

Les systèmes à circulation forcée les plus courants

On peut  définir 4 classes de systèmes à eau chaude en fonction de la tuyauterie.

Les systèmes à boucle (voir la figure 4 ci-dessous)

• Un unique tuyau parcourt l’édifice et traverse chaque élément chauffant ;
• Ces systèmes sont utilisés dans les petits édifices ou comme sous-circuit d’un plus grand système ;
• Les unités terminales (radiateurs, plinthes radiantes) font partie du système de distribution principal, c’est-à-dire que toute l’eau chaude doit emprunter chaque radiateur en route vers le suivant ;
• La température de l’eau est progressivement réduite le long du circuit. La chute de température dépend de la puissance (proportionnelle à la longueur) du radiateur ;
• Les coûts d’installation sont faibles : l’isolation des conduits n’est pas nécessaire puisque la pose de la tuyauterie se fait près du plancher ;
• La capacité d’un système à boucle est limitée, entre autre, par le diamètre du tuyau d’eau chaude des plinthes (3,5 mm environ) ;
• Il n’est pas possible de réguler la puissance d’un corps de chauffe du circuit sans affecter tous les autres ;
• La perte de charge peut-être assez importante. Les pertes de charge sont des pertes de pression qu’il faut compenser par une pompe de plus grande puissance. Mais qui dit pompe de plus grande puissance dit consommation électrique plus importante.

Les systèmes à un tuyau : un seul conduit principal (se référer à la figure 5 qui suit)

• Les unités terminales (plinthes, radiateurs, aérothermes) sont raccordées au conduit principal par deux tuyaux : la branche d’alimentation et la branche de retour ;
• Pour raccorder le tuyau principal aux branches d’alimentation et de retour, on utilise un « T » qui assure une baisse de pression par effet Venturi afin de provoquer la circulation dans les branches ;
• Contrairement à un système à boucle, il est possible de réguler chaque unité de chauffage à l’aide d’un robinet de contrôle. La baisse de température dans chaque unité terminale limite l’application des systèmes à boucle et à un tuyau aux petits édifices et aux sous-circuits d’un gros système (impossible pour le chauffage urbain).

Systèmes à deux tuyaux à retour direct ou à retour renversé

Ce type de système comprend deux conduits : un tuyau pour amener l’eau chaude aux unités terminales et un tuyau pour amener l’eau refroidie vers la chaudière

• Système à retour direct

Le raccordement de retour se fait via un tuyau supplémentaire qui ramène l’eau refroidie directement vers la chaudière en empruntant un chemin parallèle au conduit d’approvisionnement. Cette configuration est difficile à équilibrer de sorte qu’il est essentiel de munir chaque corps de chauffe d’une vanne de régulation.

• Système à retour renversé

Le raccordement de retour se fait via un tuyau supplémentaire qui court parallèlement au conduit d’approvisionnement en eau chaude. Cette configuration offre l’avantage d’être plus facile à balancer, chaque convecteur étant fourni en eau chaude à la même température et la perte de charge dans les conduits de chaque radiateur est la même. Il nécessite cependant une portion de tuyau supplémentaire.

Qu’est-ce que « l’effet Venturi » ?

Ce phénomène est créé par une variation de diamètre dans la tuyauterie. Cette variation se répercute nécessairement sur la pression à l’intérieur de la tuyauterie, en vertu de la loi de conservation de l’énergie dans la tuyauterie, plus connu sous le nom de Théorème de Bernoulli.

Ainsi, si le diamètre d’un tuyau diminue, la vitesse du fluide augmente et la pression dans la tuyauterie diminue. On parle de dépression. Les fluides se déplaçant des zones de hautes pressions vers les zones de basse pression (de la même manière que l’eau des montagnes s’écoule des hautes altitudes vers les basses altitudes), un raccord avec une constriction va donc permettre le passage du fluide dans les branches.