Calcul hydraulique d'un système de chauffage sur un exemple concret

Le chauffage par circulation d'eau chaude est l'option la plus courante pour aménager une maison individuelle. Pour une conception correcte du système, il est nécessaire de disposer de résultats d'analyse préliminaires, ce que l'on appelle le calcul hydraulique du système de chauffage, qui relie la pression dans toutes les sections du réseau aux diamètres des tuyaux.

Dans cet article, la méthode de calcul est décrite en détail. Pour mieux comprendre l'algorithme, nous avons examiné la procédure de calcul sur un exemple concret.

En suivant la séquence décrite, vous pourrez déterminer le diamètre optimal de la canalisation, le nombre d'appareils de chauffage, la puissance de la chaudière et les autres paramètres du système nécessaires à la mise en place d'un chauffage individuel efficace.

Notion de calcul hydraulique

Le facteur déterminant du développement technologique des systèmes de chauffage est devenu l'économie d'énergie. La volonté d'économiser oblige à aborder avec plus de soin la conception, le choix des matériaux, les méthodes d'installation et l'exploitation du chauffage domestique.

Par conséquent, si vous avez décidé de créer un système de chauffage unique et surtout économique pour votre appartement ou votre maison, nous vous recommandons de vous familiariser avec les règles de calcul et de conception.

Avant de donner une définition du calcul hydraulique d'un système, il est nécessaire de comprendre clairement et précisément qu'un système de chauffage individuel d'un appartement ou d'une maison se situe, toutes proportions gardées, à un niveau supérieur par rapport au système de chauffage central d'un grand bâtiment.

Un système de chauffage personnel repose sur une approche fondamentalement différente des concepts de chaleur et de ressource énergétique.

L'essence du calcul hydraulique réside dans le fait que le débit du fluide caloporteur n'est pas défini à l'avance avec une approximation importante des paramètres réels, mais est déterminé en ajustant les diamètres des canalisations avec les paramètres de pression dans tous les anneaux du système.

Il suffit de faire une comparaison triviale de ces systèmes selon les paramètres suivants.

1. Le système de chauffage central (chaufferie - maison - appartement) repose sur des types standards de vecteurs énergétiques – charbon, gaz. Dans un système autonome, on peut utiliser pratiquement n'importe quelle substance ayant un pouvoir calorifique élevé, ou une combinaison de plusieurs matériaux liquides, solides ou granulaires.
2. Le système de chauffage central est construit avec des éléments ordinaires : des tubes métalliques, des radiateurs “rudimentaires”, des vannes d'arrêt. Quant au système de chauffage individuel, il permet de combiner les éléments les plus variés : des radiateurs à plusieurs sections avec une bonne dissipation thermique, des thermostats de haute technologie, différents types de tubes (PVC et cuivre), des robinets, des bouchons, des raccords et bien sûr des chaudières plus économiques et des pompes de circulation.
3. Si l'on entre dans un appartement typique d'une maison préfabriquée construite il y a 20 à 40 ans, on constate que le système de chauffage se résume à la présence d'un radiateur à 7 sections sous la fenêtre de chaque pièce de l'appartement, plus un tuyau vertical traversant tout l'immeuble (colonne montante), grâce auquel on peut “communiquer” avec les voisins du dessus/dessous. Il en va tout autrement avec le système de chauffage autonome (SCA) – il permet de construire un système de toute complexité en tenant compte des souhaits individuels des occupants de l'appartement.
4. Contrairement au SCC, un système de chauffage individuel prend en compte une liste assez impressionnante de paramètres qui influencent le transfert, la consommation d'énergie et les pertes de chaleur. Le régime de température ambiante, la plage de température requise dans les locaux, la superficie et le volume des pièces, le nombre de fenêtres et de portes, la destination des pièces, etc.

Ainsi, le calcul hydraulique du système de chauffage (GRSO) – est un ensemble conditionnel de caractéristiques calculées du système de chauffage, qui fournit des informations exhaustives sur des paramètres tels que le diamètre des tubes, le nombre de radiateurs et de vannes.

Ce type de radiateur était installé dans la plupart des maisons en panneaux de l'espace post-soviétique. Les économies de matériaux et le manque d'idée de conception sont “évidents”.

Le CHSC permet de choisir correctement la pompe à anneau d'eau (de la chaudière de chauffage) pour transporter l'eau chaude vers les éléments finaux du système de chauffage (radiateurs) et, en fin de compte, d'avoir un système parfaitement équilibré, ce qui influence directement les investissements financiers liés au chauffage du logement.

Un autre type de radiateur de chauffage pour le système de chauffage central. Il s'agit d'un produit plus universel qui peut avoir n'importe quel nombre d'ailettes. Ainsi, on peut augmenter ou diminuer la surface d'échange thermique.

Séquence des étapes de calcul

En ce qui concerne le calcul du système de chauffage, nous notons que cette procédure est la plus ambiguë et la plus importante en matière de conception.

Avant d'effectuer le calcul, il est nécessaire de réaliser une analyse préliminaire du futur système, par exemple :

• établir le bilan thermique dans toutes les pièces de l'appartement, et plus précisément dans chaque pièce ;
• sélectionner les thermostats, les vannes et les régulateurs de pression ;
• déterminer les sections du système avec un débit maximal et minimal du fluide caloporteur.

En outre, il faut déterminer le schéma général de transport du caloporteur : le circuit complet et le circuit réduit, le système monotube ou la conduite bitube.

À la suite du calcul hydraulique, nous obtenons plusieurs caractéristiques importantes du système hydraulique, qui répondent aux questions suivantes :

• quelle doit être la puissance de la source de chauffage ;
• quel est le débit et la vitesse du fluide caloporteur ;
• quel diamètre est nécessaire pour la canalisation principale du circuit de chauffage ;
• quelles sont les pertes de chaleur possibles et la perte de masse du fluide caloporteur elle-même.

Un autre aspect important du calcul hydraulique est la procédure d'équilibrage (de liaison) de toutes les parties (branches) du système pendant les régimes thermiques extrêmes à l'aide d'appareils de régulation.

On distingue plusieurs types principaux d'appareils de chauffage : les radiateurs en fonte et en aluminium à plusieurs sections, les radiateurs en acier à panneaux, les radiateurs bimétalliques et les convecteurs. Mais les radiateurs en aluminium à plusieurs sections sont les plus courants.

La zone de calcul de la canalisation principale est la section avec un diamètre constant de la conduite elle-même, ainsi qu'un débit d'eau chaude invariable, déterminé par la formule du bilan thermique des pièces. L'énumération des zones de calcul commence à partir de la pompe ou de la source de chaleur.

Conditions initiales de l'exemple

Pour une explication plus détaillée de tous les détails du calcul hydraulique, prenons un exemple concret d'un logement ordinaire. Nous disposons d'un appartement classique de 2 pièces dans un immeuble à panneaux, d'une superficie totale de 65,54 m², qui comprend deux chambres, une cuisine, des toilettes et une salle de bains séparées, un double couloir et un balcon jumelé.

Après la mise en service, nous avons obtenu les informations suivantes concernant l'état de préparation de l'appartement. L'appartement décrit comprend des murs en béton armé monolithique traités avec un enduit de lissage et une couche d'accrochage, des fenêtres à profilé avec vitrage à double chambre, des portes intérieures en aggloméré pressé, et un carrelage en céramique sur le sol de la salle de bains.

Immeuble typique à panneaux de 9 étages avec quatre entrées. À chaque étage, il y a 3 appartements : un de 2 pièces et deux de 3 pièces. L'appartement est situé au cinquième étage.

De plus, ce logement est déjà équipé d'un câblage en cuivre, de répartiteurs et d'un tableau électrique séparé, d'une cuisinière à gaz, d'une baignoire, d'un lavabo, de toilettes, d'un sèche-serviettes et d'un évier.

Et surtout, dans les pièces à vivre, la salle de bains et la cuisine, des radiateurs de chauffage en aluminium sont déjà installés. La question des tuyaux et de la chaudière reste ouverte.

Comment sont collectées les données

Le calcul hydraulique du système repose principalement sur des calculs liés au calcul du chauffage par surface de la pièce.

Il est donc nécessaire de disposer des informations suivantes :

• La superficie de chaque pièce ;
• Les dimensions des ouvertures de fenêtres et de portes (les portes intérieures n'affectent pratiquement pas les pertes de chaleur) ;
• Les conditions climatiques, les particularités de la région.

Partons des données suivantes. La superficie de la pièce commune – 18,83 m², la chambre – 14,86 m², la cuisine – 10,46 m², le balcon – 7,83 m² (total), le couloir – 9,72 m² (total), la salle de bains – 3,60 m², les toilettes – 1,5 m². La porte d'entrée – 2,20 m², la baie vitrée de la pièce commune – 8,1 m², la fenêtre de la chambre – 1,96 m², la fenêtre de la cuisine – 1,96 m².

La hauteur des murs de l'appartement – 2 mètres 70 cm. Les murs extérieurs sont en béton de classe B7 avec un enduit intérieur, d'une épaisseur de 300 mm. Les murs intérieurs et les cloisons – porteurs de 120 mm, ordinaires – 80 mm. Le sol et le plafond sont en dalles de béton de classe B15, d'une épaisseur de 200 mm.

L'agencement de cet appartement permet de créer une seule branche de chauffage traversant la cuisine, la chambre et la pièce commune, ce qui assurera une température moyenne de 20-22⁰C dans les pièces (+)

En ce qui concerne l'environnement ? L'appartement se trouve dans un immeuble situé au milieu d'un quartier d'une petite ville. La ville est située dans une plaine, à une altitude de 130 à 150 m. Le climat est continental tempéré avec un hiver frais et un été assez chaud.

Température annuelle moyenne : +7,6 °C. Température moyenne en janvier : -6,6 °C, en juillet : +18,7 °C. Vent : 3,5 m/s, humidité moyenne : 74 %, précipitations : 569 mm.

En analysant les conditions climatiques de la région, il faut noter que nous avons affaire à une grande variation de températures, ce qui influe sur les exigences particulières en matière de réglage du système de chauffage de l'appartement.

Puissance du générateur de chaleur

L'un des éléments principaux du système de chauffage est la chaudière : électrique, gaz, mixte – à ce stade, cela n'a pas d'importance. Ce qui importe, c'est sa caractéristique principale – la puissance, c'est-à-dire la quantité d'énergie par unité de temps qui sera utilisée pour le chauffage.

La puissance de la chaudière elle-même est déterminée par la formule ci-dessous :

Wchaudière = (Spièce * Wspécifique) / 10,

où :

• Spièce – la somme des surfaces de toutes les pièces qui nécessitent du chauffage ;
• Wspécifique – la puissance spécifique tenant compte des conditions climatiques du lieu (c'est pourquoi il fallait connaître le climat de la région).

Typiquement, pour les différentes zones climatiques, nous avons les données suivantes :

• régions du nord – 1,5 – 2 kW/m² ;
• zone centrale – 1 – 1,5 kW/m² ;
• régions du sud – 0,6 – 1 kW/m².

Ces chiffres sont assez approximatifs, mais ils donnent néanmoins une réponse numérique claire concernant l'influence de l'environnement sur le système de chauffage de l'appartement.

Sur cette carte sont présentées les zones climatiques avec différents régimes de température. La position du logement par rapport à la zone détermine la quantité d'énergie en kW nécessaire pour chauffer un mètre carré (+).

La surface totale de l'appartement à chauffer – est égale à la surface totale de l'appartement, soit – 65,54 - 1,80 - 6,03 = 57,71 m² (moins le balcon). La puissance spécifique de la chaudière pour la région centrale avec un hiver froid – 1,4 kW/m². Ainsi, dans notre exemple, la puissance de chauffage calculée de la chaudière est équivalente à 8,08 kW.

Paramètres dynamiques du caloporteur

Passons à l'étape suivante des calculs – l'analyse de la consommation du fluide caloporteur. Dans la plupart des cas, le système de chauffage d'un appartement diffère des autres systèmes – cela est dû au nombre de panneaux de chauffage et à la longueur de la tuyauterie. La pression est utilisée comme une “force motrice” supplémentaire pour le flux vertical dans le système.

Dans les maisons individuelles et les immeubles de plusieurs étages, les anciens immeubles d'habitation en panneaux, on utilise des systèmes de chauffage à haute pression, ce qui permet de transporter le fluide caloporteur vers toutes les parties du système de chauffage ramifié à plusieurs boucles et d'élever l'eau sur toute la hauteur (jusqu'au 14e étage) du bâtiment.

En revanche, un appartement classique de 2 ou 3 pièces avec chauffage autonome ne possède pas une telle diversité d'anneaux et de branches du système ; il comprend au maximum trois circuits.

Ainsi, le transport du caloporteur se fait par le processus naturel d'écoulement de l'eau. Mais on peut aussi utiliser des pompes de circulation, le chauffage étant assuré par une chaudière à gaz/électrique.

Nous vous recommandons d'utiliser une pompe de circulation pour chauffer des pièces de plus de 100 m². Vous pouvez monter la pompe aussi bien avant qu'après la chaudière, mais on la place généralement sur le “retour” – la température du fluide est plus basse, moins d'air dans le système, durée de vie de la pompe plus longue.

Les spécialistes dans le domaine de la conception et de l'installation des systèmes de chauffage définissent deux approches principales pour le calcul du volume de fluide caloporteur :

1. Selon la capacité réelle du système. Tous les volumes des cavités où le flux d'eau chaude circulera sont additionnés sans exception : somme des sections individuelles de tuyaux, des sections de radiateurs, etc. Mais c'est une option assez laborieuse.
2. Selon la puissance de la chaudière. Ici, les avis des spécialistes divergent fortement : certains disent 10, d'autres 15 litres par unité de puissance de la chaudière.

D'un point de vue pragmatique, il faut tenir compte du fait que le système de chauffage fournira probablement non seulement de l'eau chaude pour la pièce, mais chauffera également l'eau pour la salle de bain/la douche, le lavabo, l'évier et le sèche-serviettes, et peut-être aussi pour l'hydromassage ou le jacuzzi. Cette option est plus simple.

Par conséquent, dans ce cas, nous vous recommandons d'installer 13,5 litres par unité de puissance. En multipliant ce nombre par la puissance de la chaudière (8,08 kW), nous obtenons le volume calculé de la masse d'eau – 109,08 l.

La vitesse calculée du fluide caloporteur dans le système est précisément le paramètre qui permet de choisir un diamètre de tuyau spécifique pour le système de chauffage.

Elle se calcule selon la formule suivante :

V = (0,86*W*k)/t-to,

où :

• W – puissance de la chaudière ;
• t – température de l'eau fournie ;
• to – température de l'eau dans le circuit de retour ;
• k – rendement de la chaudière (0,95 pour une chaudière à gaz).

En substituant les données calculées dans la formule, nous obtenons : (0,86 * 8080 * 0,95) / 80-60 = 6601,36 / 20 = 330 kg/h. Ainsi, en une heure, 330 l de fluide caloporteur (eau) se déplacent dans le système, et la capacité du système est d'environ 110 l.

Détermination du diamètre des tuyaux

Pour déterminer définitivement le diamètre et l'épaisseur des tuyaux de chauffage, il reste à discuter de la question des pertes de chaleur.

La plus grande quantité de chaleur s'échappe de la pièce par les murs – jusqu'à 40%, par les fenêtres – 15%, par le sol – 10%, le reste par le plafond/toit. Pour un appartement, les pertes se font principalement par les fenêtres et les modules de balcon.

Il existe plusieurs types de pertes de chaleur dans les locaux chauffés :

1. Pertes de charge dans le flux de la canalisation. Ce paramètre est directement proportionnel au produit de la perte de charge unitaire par frottement à l'intérieur du tuyau (fournie par le fabricant) par la longueur totale du tuyau. Cependant, compte tenu de la tâche actuelle, ces pertes peuvent être ignorées.
2. Pertes de charge locales dans les résistances de tuyauterie – pertes de chaleur au niveau des raccords et à l'intérieur des équipements. Mais compte tenu des conditions de la tâche, le faible nombre de coudes de raccords et de radiateurs permet de négliger ces pertes.
3. Pertes thermiques selon l'emplacement de l'appartement. Il existe un autre type de pertes thermiques, mais elles sont davantage liées à l'emplacement de la pièce par rapport au reste du bâtiment. Pour un appartement ordinaire situé au milieu de l'immeuble et adjacent à gauche/droite/au-dessus/en dessous à d'autres appartements, les pertes thermiques à travers les murs latéraux, le plafond et le sol sont pratiquement nulles.

Seules les pertes par la partie façade de l'appartement – le balcon et la fenêtre centrale de la pièce commune – sont à prendre en compte. Mais cette question est résolue en ajoutant 2 à 3 sections à chacun des radiateurs.

Le diamètre des tuyaux est choisi en fonction du débit du fluide caloporteur et de sa vitesse de circulation dans le circuit de chauffage.

En analysant les informations ci-dessus, il convient de noter que pour la vitesse calculée de l'eau chaude dans le système de chauffage, la vitesse tabulaire du déplacement des particules d'eau par rapport à la paroi du tuyau en position horizontale est de 0,3 à 0,7 m/s.

Pour aider le technicien, nous présentons la liste de contrôle dite pour effectuer les calculs d'un calcul hydraulique typique d'un système de chauffage :

• collecte des données et calcul de la puissance de la chaudière ;
• volume et vitesse du fluide caloporteur ;
• pertes de chaleur et diamètre des tuyaux.

Parfois, lors du calcul, on peut obtenir un diamètre de tuyau suffisamment grand pour couvrir le volume calculé de fluide caloporteur. Ce problème peut être résolu en augmentant la contenance de la chaudière ou en ajoutant un vase d'expansion supplémentaire.

Sur notre site, il y a une section d'articles consacrés au calcul du système de chauffage, nous vous conseillons de les consulter :

1. Calcul thermique du système de chauffage : comment effectuer correctement le calcul de la charge sur le système
2. Calcul du chauffage à eau : formules, règles, exemples de mise en œuvre
3. Calcul thermique du bâtiment : spécificités et formules de calcul + exemples pratiques

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Caractéristiques, avantages et inconvénients des systèmes de circulation naturelle et forcée du fluide caloporteur pour les systèmes de chauffage :

En résumant les résultats du calcul hydraulique, nous avons obtenu des caractéristiques physiques concrètes du futur système de chauffage.

Naturellement, il s'agit d'un schéma de calcul simplifié qui donne des données approximatives concernant le calcul hydraulique pour le système de chauffage d'un appartement typique de deux pièces.

Essayez-vous de réaliser vous-même le calcul hydraulique du système de chauffage ? Ou peut-être n'êtes-vous pas d'accord avec le contenu présenté ? Nous attendons vos commentaires et questions – le bloc de feedback se trouve ci-dessous.