Calcul d'un système de chauffage monotube : quoi prendre en compte lors du calcul + exemple pratique

Le système de chauffage monotube est l'une des solutions pour la distribution des tuyaux à l'intérieur des bâtiments avec raccordement des appareils de chauffage. Ce schéma semble être le plus simple et le plus efficace. La construction d'une branche de chauffage selon le principe du « tube unique » coûte moins cher aux propriétaires que les autres méthodes.

Pour garantir le fonctionnement du schéma, il est nécessaire d'effectuer un calcul préliminaire du système de chauffage monotube – cela permettra de maintenir la température souhaitée dans la maison et d'éviter une perte de pression dans le réseau. Il est tout à fait possible de réaliser cette tâche par vous-même. Doutez-vous de vos capacités ?

Nous allons vous expliquer quelles sont les particularités de la conception d'un système monotube, vous donner des exemples de schémas de fonctionnement, et vous expliquer quels calculs doivent impérativement être effectués lors de la phase de planification du circuit de chauffage.

Conception d'un schéma de chauffage monotube

La stabilité hydraulique du système est traditionnellement assurée par le choix optimal du diamètre nominal des canalisations (DN). Il est assez simple de réaliser un schéma stable en sélectionnant les diamètres, sans réglage préalable des systèmes de chauffage avec thermostats.

Ce sont précisément ces systèmes de chauffage auxquels se rapporte directement le schéma monotube, avec un montage vertical ou horizontal des radiateurs et en l'absence totale de vannes de régulation sur les colonnes montantes (branchements vers les appareils).

Exemple illustré de l'installation d'un élément radiateur dans un schéma organisé selon le principe de circulation par un seul tube. Dans ce cas, des tuyaux métal-plastique avec des raccords métalliques sont utilisés.

En modifiant les diamètres des tubes dans le schéma monotube en boucle, on peut équilibrer assez précisément les pertes de pression. La gestion des flux de fluide caloporteur à l'intérieur de chaque appareil de chauffage individuel est assurée par l'installation d'un thermostat.

Généralement, dans le cadre du processus de conception d'un système de chauffage selon un schéma monotube, les nœuds de raccordement des radiateurs sont d'abord établis. Dans un second temps, la liaison des boucles de circulation est réalisée.

Solution schématique classique où un seul tuyau est utilisé pour l'écoulement du fluide caloporteur et la distribution de l'eau vers les radiateurs thermiques. Ce schéma fait partie des options les plus simples (+).

La conception du nœud de raccordement d'un appareil individuel implique la détermination des pertes de pression au niveau du nœud. Le calcul est effectué en tenant compte de la répartition uniforme du débit du fluide caloporteur par le thermostat par rapport aux points de branchement sur ce tronçon.

Dans le cadre de la même opération, on calcule le coefficient de débit, ainsi que la détermination de la plage des paramètres de distribution des débits sur le tronçon de fermeture. En s'appuyant sur la plage calculée des branches, on établit l'anneau de circulation.

Liaison des boucles de circulation

Pour effectuer correctement l'équilibrage des boucles de circulation d'un schéma monotube, on calcule au préalable les pertes de pression possibles (∆Ro). On ne tient pas compte des pertes de pression sur la vanne de réglage (∆Rk).

Ensuite, selon la valeur du débit du fluide caloporteur sur le tronçon final de la boucle de circulation et selon la valeur de ∆Rk (graphique dans la documentation technique de l'appareil), on détermine la valeur de réglage de la vanne de réglage.

Cet indicateur peut également être déterminé par la formule :

Kv=0,316G / √∆Rk,

où :

• Kv – valeur de réglage ;
• G – débit du fluide caloporteur ;
• ∆Rk – pertes de pression sur la vanne de réglage.

Des calculs analogues sont effectués pour chaque vanne de réglage individuelle du système monotube.

Cependant, la plage des pertes de pression sur chaque VR est calculée par la formule :

∆Rko = ∆Ro + ∆Rk – ∆Rn,

où :

• ∆Ro – pertes de pression possibles ;
• ∆Rk – pertes de pression sur la VR ;
• ∆Rn – pertes de pression sur le tronçon n de la boucle de circulation (sans tenir compte des pertes dans la VR).

Si, à la suite des calculs, les valeurs nécessaires pour le système de chauffage monotube dans son ensemble n'ont pas été obtenues, il est recommandé d'utiliser une variante de système monotube qui comprend des régulateurs automatiques de débit.

Régulateur automatique de débit installé sur la ligne de retour du fluide caloporteur. L'appareil régule le débit total du fluide caloporteur pour l'ensemble du schéma monotube.

Ces dispositifs, tels que les régulateurs automatiques, sont montés sur les tronçons d'extrémité du schéma (nœuds de raccordement sur les colonnes montantes, branches de dérivation) aux points de raccordement à la ligne de retour.

Si l'on modifie techniquement la configuration du régulateur automatique (en intervertissant le robinet de vidange et le bouchon), l'installation des appareils est également possible sur les lignes d'alimentation du fluide caloporteur.

À l'aide de régulateurs automatiques de débit, l'équilibrage des boucles de circulation est effectué. On détermine alors les pertes de pression ∆Rs sur les tronçons d'extrémité (colonnes montantes, branches d'appareils).

Les pertes de pression résiduelles dans les limites de la boucle de circulation sont réparties entre les tronçons communs de canalisations (∆Rmr) et le régulateur de débit commun (∆Rr).

La valeur du réglage temporaire du régulateur commun est choisie en fonction des graphiques présentés dans la documentation technique, en tenant compte du ∆Rmr des tronçons d'extrémité.

On calcule les pertes de pression sur les tronçons d'extrémité par la formule :

∆Rs = ∆Rpp – ∆Rmr – ∆Rr,

où :

• ∆Pp – valeur calculée ;
• ∆Ppp – différence de pression définie ;
• ∆Pmr – pertes Prab sur les tronçons de canalisations ;
• ∆Pp – pertes Prab sur le PV général.

Le réglage du régulateur automatique de la boucle de circulation principale (à condition qu'aucune différence de pression ne soit initialement définie) s'effectue en tenant compte de la valeur minimale possible de la plage de réglage dans la documentation technique de l'appareil.

La qualité de la contrôlabilité des flux par l'automatisme du régulateur général est contrôlée par la différence des pertes de pression sur chaque régulateur de colonne montante ou de branche d'appareil.

Application et justification économique

L'absence d'exigences relatives à la température du fluide caloporteur refroidi est le point de départ pour la conception de systèmes de chauffage monotubes avec thermostats, avec l'installation d'un TR sur les conduites d'alimentation des radiateurs. Dans ce cas, il est obligatoire d'équiper le poste de chauffage d'une régulation automatique.

Thermostat installé sur la conduite qui amène le fluide caloporteur au radiateur de chauffage. Pour le montage, des raccords métalliques ont été utilisés, car ils sont pratiques pour travailler avec des tubes en polypropylène.

Les solutions de schéma où les dispositifs thermostatiques sur les conduites d'alimentation des radiateurs sont absents sont également utilisées dans la pratique. Mais l'application de tels schémas est motivée par des priorités quelque peu différentes en matière de régulation du microclimat.

Généralement, les schémas monotubes sans régulation automatique sont utilisés pour les groupes de pièces conçues pour compenser les pertes thermiques (50 % et plus) au moyen de dispositifs supplémentaires : ventilation mécanique, climatisation, chauffage électrique.

De plus, la conception de systèmes monotubes se rencontre dans les projets où les normes autorisent une température du fluide caloporteur dépassant la valeur limite de la plage de fonctionnement du thermostat.

Les projets d'immeubles collectifs où l'exploitation du système de chauffage est liée à la comptabilité de la chaleur consommée via des compteurs sont généralement conçus sur un schéma monotube périphérique.

Le schéma monotube périphérique – une sorte de « classique du genre », souvent utilisé dans la pratique de la construction de logements municipaux et privés. Il est considéré comme simple et économique pour différentes conditions (+).

L'emplacement des colonnes montantes principales à différents points de la structure fait l'objet d'une justification économique pour la mise en œuvre de ce schéma.

Les principaux critères de calcul sont le coût des deux matériaux principaux : les tubes de chauffage et les raccords.

Selon des exemples pratiques de mise en œuvre du système monotube périphérique, le doublement du diamètre nominal Du de la section de passage des canalisations entraîne une augmentation des coûts d'achat des tubes de 2 à 3 fois. Et les coûts des raccords augmentent jusqu'à 10 fois selon le matériau dont sont fabriqués les raccords.

Base de calcul pour l'installation

Le montage d'un schéma monotube, du point de vue de l'emplacement des éléments de travail, ne diffère pratiquement pas de celui des systèmes bitube. Les colonnes montantes principales sont généralement placées à l'extérieur des pièces habitables.

Les règles du SNiP recommandent de réaliser le passage des colonnes à l'intérieur de gaines ou de goulottes spéciales. La branche d'appartement est traditionnellement disposée en périphérie.

Exemple de placement des canalisations de chauffage dans des saignées spécialement réalisées. Cette option d'installation est souvent utilisée dans la construction moderne.

La pose des canalisations s'effectue à une hauteur de 70 à 100 mm du bord supérieur de la plinthe de sol. Ou bien l'installation se fait sous une plinthe décorative d'une hauteur de 100 mm ou plus, d'une largeur allant jusqu'à 40 mm. La production moderne propose des cachets spécialisés pour l'installation de réseaux sanitaires ou électriques.

Le raccordement des radiateurs se fait selon un schéma « haut-bas » avec l'arrivée des tubes d'un côté ou des deux côtés. L'emplacement des thermostats « d'un côté spécifique » n'est pas critique, mais si l'installation de l'appareil de chauffage est effectuée près d'une porte-fenêtre, l'installation du thermostat doit impérativement se faire du côté le plus éloigné de la porte.

La pose des tuyaux derrière la plinthe semble préférable d'un point de vue décoratif, mais rappelle les inconvénients lorsqu'il s'agit de traverser des zones où se trouvent des portes intérieures.

Canalisations posées sous une plinthe décorative. On peut dire que c'est une solution classique pour les systèmes monotubes installés dans les nouveaux bâtiments de différentes catégories.

Le raccordement des appareils de chauffage (radiateurs) aux colonnes monotubes s'effectue selon des schémas permettant une légère dilatation linéaire des tuyaux ou selon des schémas avec compensation de la dilatation des tuyaux due aux variations de température.

La troisième variante de solutions schématiques, qui implique l'utilisation d'un régulateur trois voies, n'est pas recommandée pour des raisons d'économie.

Si la conception du système prévoit la pose de colonnes cachées dans des saignées murales, il est recommandé d'utiliser comme raccords de liaison des thermostats d'angle de type RTD-G et des vannes d'arrêt similaires aux appareils de la série RLV.

Options de raccordement : 1,2 – pour les systèmes permettant la dilatation linéaire des tuyaux ; 3,4 – pour les systèmes conçus pour l'utilisation de sources de chaleur supplémentaires ; 5,6 – les solutions avec vannes trois voies sont considérées comme désavantageuses (+)

Le diamètre du branchement de tuyau vers les appareils de chauffage est calculé selon la formule :

D >= 0.7√V,

où :

• 0,7 – coefficient ;
• V – volume intérieur du radiateur.

Le branchement est réalisé avec une certaine pente (au moins 5 %) en direction de la sortie libre du caloporteur.

Choix de la boucle de circulation principale

Si la solution de conception prévoit la mise en place d'un système de chauffage basé sur plusieurs boucles de circulation, il est nécessaire de choisir la boucle de circulation principale. Théoriquement (et pratiquement), le choix doit être effectué en fonction de la valeur maximale de transfert thermique du radiateur le plus éloigné.

Ce paramètre influence dans une certaine mesure l'évaluation de la charge hydraulique globale qui incombe à la boucle de circulation.

Boucle de circulation sous forme de schéma structurel. Pour différentes variantes de conception, il peut y avoir plusieurs de ces boucles. Cependant, une seule boucle est principale (+).

Le transfert thermique du dispositif éloigné est calculé par la formule :

Atp = Qv / Qop + ΣQop,

où :

• Atp – transfert thermique calculé du dispositif éloigné ;
• Qv – transfert thermique nécessaire du dispositif éloigné ;
• Qop – transfert thermique des radiateurs vers la pièce ;
•  ΣQop – somme des transferts thermiques nécessaires de tous les dispositifs du système.

Cependant, le paramètre de la somme des transferts thermiques nécessaires peut être constitué de la somme des valeurs des dispositifs destinés à desservir l'ensemble du bâtiment ou seulement une partie du bâtiment. Par exemple, lors du calcul de la chaleur séparément pour les pièces couvertes par une seule colonne montante ou pour des zones distinctes desservies par une branche de dispositifs.

D'une manière générale, le transfert thermique calculé de tout autre radiateur de chauffage installé dans le système est calculé par une formule légèrement différente :

Atp = Qop / Qpom,

où :

• Qop – transfert thermique nécessaire pour un radiateur individuel ;
• Qpom – besoin thermique pour une pièce spécifique où un schéma monotube est utilisé.

Le plus simple est de comprendre les calculs et l'application des valeurs obtenues à l'aide d'un exemple concret.

Exemple pratique de calcul

Pour une maison d'habitation, un système monotube avec régulation par thermostat est requis.

La valeur du débit nominal du dispositif à la limite de réglage maximale est de 0,6 m³/h/bar (k1). La caractéristique de débit maximale possible pour cette valeur de réglage est de 0,9 m³/h/bar (k2).

La chute de pression maximale possible du TR (à un niveau sonore de 30 dB) ne dépasse pas 27 kPa (ΔP1). La hauteur de refoulement de la pompe est de 25 kPa (ΔP2). La pression de service pour le système de chauffage est de 20 kPa (ΔP).

Il faut déterminer la plage de pertes de pression pour le TR (ΔP1).

La valeur du transfert thermique interne est calculée ainsi : Atr = 1 – k1/k2 (1 – 06/09) = 0,56. De là, on calcule la plage de pertes de pression requise sur le TR : ΔP1 = ΔP * Atr (20 * 0,56…1) = 11,2…20 kPa.

Si les calculs indépendants aboutissent à des résultats inattendus, il est préférable de consulter des spécialistes ou d'utiliser un calculateur informatique pour vérification.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Analyse détaillée des calculs à l'aide d'un programme informatique avec des explications sur l'installation et l'amélioration de la fonctionnalité du système :

Il convient de noter que le calcul à grande échelle, même des solutions les plus simples, s'accompagne d'une multitude de paramètres à calculer. Bien sûr, calculer tout sans exception est justifié à condition que la conception du système de chauffage soit proche d'une structure idéale. Mais en réalité, rien n'est parfait.

C'est pourquoi on se fie souvent aux calculs en tant que tels, ainsi qu'aux exemples pratiques et aux résultats de ces exemples. Cette approche est particulièrement populaire pour la construction de maisons individuelles.

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