Vase d'expansion du système de chauffage : structure, calcul et sélection de la meilleure option

Un vase d'expansion correctement sélectionné et installé pour un système de chauffage évitera sa panne et maintiendra la pression au niveau nécessaire. Il est nécessaire comme réserve pour l'eau qui se dilate lors du chauffage. Selon le type de système, l'expandeur intégré peut être de type ouvert ou fermé.

Nous vous expliquerons comment sélectionner un réservoir de réserve en fonction du schéma de chauffage créé. Dans notre article, nous décrivons les caractéristiques structurelles et les spécificités d'installation des expandeurs. Des recommandations sont fournies dont le respect garantira un fonctionnement idéal du circuit de chauffage de tout type.

Réservoirs d'expansion de type ouvert

La particularité constructive des expandeurs de type ouvert est le contact du caloporteur avec l'atmosphère. La circulation dans les systèmes avec un expandeur de ce type est par convection. Lors du chauffage, le volume du liquide augmente, son excès est absorbé par le réservoir.

Lorsque la température baisse, le liquide retourne par gravité.

En raison de la pression nulle dans le réservoir, l'appareil ne nécessite pas de structure métallique solide, donc :

• dans la fabrication du boîtier, tout métal peut être utilisé ;
• un réservoir prêt à l'emploi en plastique thermorésistant peut être utilisé ;
• la forme du réservoir n'est pas essentielle.

Dans les maisons de campagne, un tel équipement peut être assemblé avec des moyens de fortune. Comme réservoir, on peut utiliser un bidon ou un tonneau en plastique équipé d'un tuyau d'arrivée et d'une sortie de trop-plein.

Les expandeurs de type ouvert peuvent être fabriqués sous la forme d'un réservoir rectangulaire avec un couvercle non étanche sur le plan supérieur

Extérieurement, il s'agit d'un réservoir métallique ordinaire dont le plan supérieur est muni d'une ouverture d'entretien et de remplissage de liquide. La protection contre les obstructions est assurée par un couvercle non étanche. Des points de fixation sont prévus dans la partie inférieure ou sur le plan latéral.

Les systèmes de chauffage ouverts sont utilisés dans les bâtiments de faible hauteur, où le volume de fluide caloporteur et la longueur des canalisations de chauffage sont relativement faibles.

Les exigences d'installation sont simples :

• le vase d'expansion est placé au point le plus haut, sur la ligne de départ ;
• l'alimentation est raccordée au réservoir par un raccord ;
• pour l'évacuation de l'excès de liquide, un trop-plein est installé au-dessus du niveau calculé.

Pour assurer une circulation par gravité, il est recommandé d'utiliser des tuyaux de plus grande section pour l'installation.

La structure ouverte est placée au point le plus haut, d'où le liquide s'écoule par gravité

En général, on essaie d'installer le réservoir dans une pièce chauffée, dans un grenier isolé aménagé. Si cela n'est pas possible, le réservoir devra être isolé. La présence d'isolant empêchera le gel du liquide et la perte de fonctionnalité du système.

Réservoirs d'expansion de type fermé

La spécificité constructive des modifications fermées du réservoir est l'étanchéité totale, ce qui permet de maintenir la pression nécessaire à la circulation en tout point du système.

Le réservoir est divisé intérieurement par une membrane en une partie air et une partie liquide. Chacun des compartiments est totalement étanche – le mélange azoté du compartiment air ne se mélange jamais au fluide caloporteur qui remplit le compartiment liquide.

Le principe de fonctionnement du vase d'expansion fermé est que le liquide chauffé du système est poussé dans la partie liquide du réservoir et commence à exercer une pression de son côté sur la membrane étanche. La cloison se déforme et agit sur la partie air, la comprimant.

En conséquence, le volume de la chambre d'air du réservoir diminue et le gaz qu'elle contient se comprime. Cette situation contribue à l'augmentation de la pression dans le système. Dès que la pression se normalise, le fluide caloporteur est repoussé hors du compartiment liquide.

Si la pression augmente rapidement, lorsque le volume critique de liquide dans le réservoir est atteint, la soupape de sécurité se déclenche. En conséquence, l'excès de fluide caloporteur sera évacué du réservoir.

La conception fermée est totalement hermétique ; dans sa partie inférieure se trouve une bride avec un tuyau d'admission, et dans sa partie supérieure un nipple pour le remplissage de gaz.

Selon la forme, tous les réservoirs d'expansion fermés pour installation dans un système de chauffage se répartissent en types suivants :

1. Sphériques – un type de construction à membrane avec une cloison élastique. Lorsque le liquide entre, elle s'étire et prend tout le volume excédentaire. Le réservoir lui-même a l'aspect d'une capsule sphérique.
2. Ovale – un autre type de compensateurs hydrauliques à membrane. Le ballon du réservoir d'expansion est traditionnellement divisé par une membrane flexible en chambres de gaz et de liquide, mais la configuration du boîtier a une forme quelque peu allongée verticalement.

Extérieurement, les réservoirs d'expansion ovales sont un ballon de forme cylindrique, peint en rouge. D'un côté, un nipple est prévu pour créer une pression dans la chambre à gaz ; de l'autre, un tuyau par lequel se fait le raccordement au système.

Des unités de fixation sont soudées sur le corps, qui assurent le montage suspendu de l'équipement et peuvent supporter son poids de travail. La modification sphérique du réservoir ne diffère de la modification ovale que par la forme.

Selon les variétés, les vases d'expansion fermés à membrane se divisent en modifications à diaphragme et à ballon.

Dans les systèmes de type fermé, la circulation par gravité ne peut pas assurer le niveau de pression nécessaire. C'est pourquoi on intègre dans la conception une pompe de circulation.

Le vase d'expansion lui-même peut être placé à n'importe quel point du système, mais lors de l'installation, il est souhaitable de prendre en compte les recommandations suivantes :

• le meilleur emplacement est la conduite de retour, avant le point de raccordement de la pompe ;
• il est préférable d'alimenter le fluide caloporteur par le haut, ce qui réduit la pénétration de l'air et maintient le fonctionnement en cas de dommage de la membrane ;
• le manque de volume principal peut être compensé par l'installation d'un vase d'expansion supplémentaire de plus petite capacité.

Lors de l'installation, il n'est pas interdit de prendre en compte l'intérieur de la pièce si nécessaire. Pour contrôler le niveau de pression dans le système de chauffage, le vase d'expansion doit être équipé d'un manomètre.

Le vase d'expansion fermé est généralement placé avant la chaudière, avant le point d'installation du circulateur

La possibilité de le placer près de la chaudière supprime la question de l'isolation du réservoir. L'équipement se trouve dans une pièce chaude, ce qui assure la commodité d'utilisation.

Quelle conception est la meilleure ?

Les systèmes, selon la conception et le matériau du vase d'expansion, diffèrent par une liste d'avantages et d'inconvénients. Mais, selon les experts et les utilisateurs expérimentés, les avantages fonctionnels penchent en faveur des options fermées.

Avantages et inconvénients du réservoir ouvert

Un système à circulation gravitaire nécessite des tuyaux de plus grand diamètre, ce qui augmente directement les coûts. Le budget d'aménagement d'un système de chauffage ouvert avec un vase d'expansion non étanche augmente légèrement, tout en restant relativement faible.

Les principaux avantages de cette option sont la simplicité, ainsi que le faible coût des composants et de l'installation. Une autre caractéristique positive est l'absence de nécessité de contrôler le niveau de pression.

Un vase d'expansion de type ouvert pour les petits systèmes peut être assemblé à partir de matériaux de récupération, et son installation sera également simple.

Cependant, les inconvénients sont beaucoup plus nombreux :

• l'utilisation d'antigel est dangereuse en raison des vapeurs toxiques ;
• les possibilités d'installation sont limitées au point le plus haut du système ;
• le contact constant avec l'atmosphère augmente le risque de poches d'air et de corrosion ;
• chauffage lent ;
• les variations de température accompagnant la circulation par convection accélèrent l'usure de l'équipement ;
• utilisé dans le chauffage de bâtiments de faible hauteur, deux étages maximum ;
• des pertes de chaleur élevées et une consommation d'énergie pour le chauffage.

Un autre inconvénient du système ouvert est les pertes par évaporation et débordement. Par conséquent, lors de l'installation du réservoir, il faut veiller à l'accessibilité de l'orifice de remplissage.

Avantages et inconvénients du réservoir fermé

Si les vases d'expansion ouverts l'emportent en termes de prix et de simplicité de montage, la fonctionnalité est le point fort du réservoir fermé, également appelé vase d'expansion à membrane. Ce sont eux qui sont utilisés dans la construction de systèmes de chauffage fermés, sans contact direct avec l'atmosphère.

Les vases d'expansion à membrane présentent les avantages suivants :

• L'étanchéité totale permet d'utiliser de l'antigel ;
• L'emplacement du vase d'expansion n'affecte pas le fonctionnement du système ;
• L'isolation de l'espace intérieur du réservoir minimise le risque de formation de poches d'air et de corrosion ;
• Après le démarrage, le système chauffe plus rapidement et est plus sensible au réglage des températures ;
• Une plus petite différence entre les conditions de fonctionnement des lignes d'alimentation et de retour, ce qui augmente la durée de vie opérationnelle ;
• Ne nécessite pas l'installation de tuyaux de grand diamètre, ce qui permet d'économiser sur la construction ;
• Ne nécessite pas une attention constante au niveau et à l'état du liquide ;
• Possibilité d'application dans des systèmes conçus pour plusieurs étages ;
• De faibles pertes de chaleur, réduisant les coûts d'exploitation de l'équipement.

Lors du choix de vases d'expansion de ce type, on peut rencontrer des ballons étanches de construction non démontable. En cas de défaillance de la membrane, le ballon devra être remplacé par un neuf.

Pour contrôler le niveau de pression de service, un manomètre est monté sur la bouteille ; pour évacuer l'excès d'air, un purgeur d'air automatique ou mécanique est installé.

Parmi les inconvénients, il est important de noter la complexité de la conception et les exigences particulières en matière de matériaux, qui augmentent le coût de l'équipement. À cela s'ajoute la nécessité d'un contrôle constant de la pression et de son rétablissement si nécessaire.

Règles de calcul de la capacité du réservoir

Un vase d'expansion de tout type ne sera efficace que si le volume est correctement choisi. Pour cela, il faut tenir compte de la capacité du liquide à se dilater pendant le chauffage. L'eau dans les circuits de chauffage se dilate d'au moins 3 % du volume total du système d'eau, l'antigel – de presque 5 %.

Les liquides sont considérés comme des milieux incompressibles, donc le réservoir doit leur fournir une réserve suffisante pour la dilatation thermique avec une certaine marge. Si le circuit est complètement rempli de fluide caloporteur, même la dilatation thermique dans les volumes calculés peut entraîner une évacuation du liquide via la soupape de sécurité et un déversement du fluide caloporteur sur le sol.

Par conséquent, pour éviter que l'excès de volume du fluide caloporteur en expansion ne provoque des accidents, les réservoirs fermés pour les petits circuits dans les maisons individuelles sont achetés de manière à ce que leur volume soit égal à 10 % du volume total du fluide caloporteur circulant dans le système. Cette règle est valable pour les systèmes d'une capacité allant jusqu'à 150 l.

Si plus de 150 l de fluide caloporteur circulent dans le circuit de chauffage, la capacité du réservoir fermé est calculée en multipliant le volume total du liquide par son coefficient de dilatation pour des valeurs spécifiques de la température de service dans le système.

À la valeur obtenue, il faut ajouter la taille du joint hydraulique, c'est-à-dire le volume de fluide caloporteur formé dans le réservoir en raison de la pression statique standard du liquide. Pour les grands circuits de chauffage, cet indicateur est généralement égal à 0,5 % du volume total du fluide caloporteur ; pour les petits circuits d'une capacité allant jusqu'à 150 l, il est considéré comme étant de 20 %.

La somme obtenue est multipliée par un coefficient de correction déterminé par les valeurs de pression initiale et finale dans le système de chauffage. La pression initiale est considérée comme étant de 1 bar pour 10 m de hauteur du circuit. La pression finale est générée par le fonctionnement du système.

Le calcul du volume d'un réservoir de type fermé pour les grandes structures de chauffage complexes est le suivant :

Dans les calculs, on a utilisé : Vn – le volume nominal du vase fermé ; Ve – le volume du fluide caloporteur en dilatation thermique (calculé par la formule V système × n %, où n est le coefficient de dilatation thermique du fluide) ; Vv – la garde d'eau ; po – la pression de précharge ; pe – l'indicateur de pression finale, égal à la valeur de la pression limite de la soupape de sécurité moins 0,5 bar.

La capacité du vase de type ouvert n'est pas strictement réglementée par les normes, mais il existe une règle : le volume du vase ouvert jusqu'au raccord de trop-plein doit représenter 3,5 à 4 % du volume total du fluide caloporteur dans le circuit de chauffage.

Cette évaluation est suffisante pour une petite maison de campagne, mais une construction destinée à une résidence permanente nécessitera un calcul plus précis. Il faudra d'abord déterminer le volume total du système de chauffage.

Options de calcul de la capacité totale de chauffage

Cet indicateur peut être déterminé avec différents degrés de précision selon trois méthodes principales. Premièrement, sur la base des données de la plaque signalétique de la chaudière. Ainsi, pour une unité de puissance de l'équipement de la chaudière, il faut environ 15 litres de liquide. Pour obtenir les données nécessaires, il faut multiplier 15 par la puissance de la chaudière indiquée dans sa fiche technique.

Deuxièmement, vous pouvez déterminer le volume à l'aide d'un compteur d'eau lors du remplissage du système. Au fur et à mesure du remplissage, la quantité de liquide utilisé est prise en compte. Il s'agit d'une option plus précise mais plus fastidieuse.

La troisième méthode consiste à calculer le volume total de tous les éléments du système de chauffage. C'est l'option la plus précise. La capacité de l'échangeur de chaleur de la chaudière, des radiateurs, des convecteurs et des instruments de mesure peut être déterminée à partir des caractéristiques de la plaque signalétique. Pour calculer la capacité des tuyaux, on utilise les données du tableau.

Le tableau indique les dimensions des tuyaux en pouces et leur volume en litres par mètre, utilisé pour sommer le volume total.

Le tableau indique le volume des tuyaux par mètre de longueur, fabriqués dans les matériaux les plus courants et modernes. Le diamètre intérieur est indiqué en pouces de 0,5 à 1,5 unité.

Une autre méthode prétendant à une grande précision est le calcul par formule :

V total = π x D2 x L/4,

où :

• π – est égal à 3,14 ;
• D – désigne les paramètres du diamètre intérieur des tuyaux ;
• L – indique la longueur de la tuyauterie du système.

Après avoir obtenu les données nécessaires, on les additionne et on obtient le volume total du système, qui est utilisé dans les calculs ultérieurs.

Les étapes et formules du cycle complet de calculs pour la conception et l'organisation du chauffage d'une maison individuelle sont présentées ici. Nous vous recommandons de consulter ces informations utiles.

Sélection du vase d'expansion selon un tableau

En disposant des données nécessaires, vous pouvez choisir la variante optimale du vase d'expansion à l'aide du tableau des volumes et de la pression de calcul.

Le volume total du système est calculé selon la méthode indiquée ; les paramètres de pression ne sont valables que pour les modifications fermées et sont indiqués dans les données de la plaque signalétique de l'équipement.

Les données du tableau permettent de choisir un volume de vase d'expansion de 4 à 300 litres

Cette option ne nécessite pas de calculs spéciaux, à l'exception du calcul du volume total du système. L'utilisation du tableau facilite et accélère considérablement le choix du vase d'expansion avec la capacité de réservoir nécessaire.

Utilisation de formules pour le calcul

Si les données du tableau sont insuffisantes, il est possible de calculer vous-même l'indicateur de volume nécessaire.

Pour cela, utilisez la formule suivante :

Vb = Vc x k/D,

où :

• Vb – désigne la capacité recherchée du vase d'expansion ;
• Vc – la capacité totale du système ;
• k – le coefficient de dilatation du fluide lors du chauffage ;
• D – le coefficient d'efficacité du vase d'expansion.

Parmi les données nécessaires au calcul, les coefficients k et D restent inconnus. Le premier est une valeur tabulaire, et le second se calcule selon une formule distincte.

Il existe également et on utilise un tableau de dilatation thermique. Il permet de déterminer le coefficient pour les systèmes à eau ou à antigel. La valeur n'est pas linéaire, elle change lors du chauffage, en fonction de la présence et de la concentration de glycol dans le fluide.

À l'aide de ces données, vous pouvez déterminer les paramètres du coefficient de dilatation du fluide lors du chauffage (k), nécessaires au calcul du volume du vase d'expansion.

Pour l'eau, la concentration d'éthylène glycol est considérée comme « 0 », pour l'antigel, la concentration est déterminée selon les données déclarées par le fabricant. La température de chauffage est considérée comme la température d'exploitation pour le système spécifique.

Pour calculer vous-même le coefficient d'efficacité du vase d'expansion, on applique la formule :

(Qm – Qb) : (Qm + 1),

où :

• Qm – la pression maximale du système selon le seuil de déclenchement de la soupape de sécurité indiqué dans le passeport ;
• Qb – la pression préliminaire dans la chambre d'air du vase d'expansion selon la fiche technique.

Si ce dernier paramètre est inconnu, on le mesure lors du gonflage ou en purgeant par le nipple du réservoir.

Autres méthodes de calcul

Outre les calculs personnels à l'aide de formules et de tableaux, il existe d'autres méthodes. Une option de calcul accessible est l'aide d'un calculateur en ligne.

Les ressources en ligne proposant de calculer la valeur recherchée ne manquent pas. Il suffit de les trouver par une requête clé.

Une autre option pour obtenir les données nécessaires est de s'adresser à des concepteurs professionnels. C'est la méthode la plus fiable, mais la précision des informations obtenues coûtera assez cher.

Les règles d'installation et de raccordement des vases d'expansion de type fermé et ouvert sont présentées dans l'article suivant, consacré à ces questions.

Comment choisir correctement un vase d'expansion ?

Il est recommandé de déterminer le type de système de chauffage dès la phase de planification. Le choix du réservoir est généralement reporté après la construction de l'enveloppe du bâtiment, lorsque le système est installé et que son volume est connu.

Lors du choix de la variante optimale du vase d'expansion, il est recommandé :

• de se baser sur un volume du vase d'expansion fermé supérieur à la valeur de dilatation thermique du caloporteur ;
• lors de l'achat, il faut prêter attention au raccordement, à la forme du réservoir et à l'emplacement des connecteurs de fixation – cela permettra d'éviter les surprises lors de l'installation ;
• il est important de prêter attention aux instructions sur le boîtier, qui contiennent des informations utiles sur l'installation et les paramètres techniques.

Lors de l'achat, il est préférable de se tourner vers un fabricant de confiance, même si ses réservoirs coûtent plus cher. Cela garantira la longévité du système de chauffage, à condition d'une utilisation correcte et d'un entretien régulier.

Avant le raccordement, la pression préliminaire dans le compartiment à gaz du vase à membrane est réglée à une valeur égale à la pression statique de la colonne de caloporteur dans le circuit de chauffage. Le réglage s'effectue à l'aide d'une pompe automobile ordinaire, contrôlé par un manomètre.

L'important est de ne pas acheter un réservoir de chauffe-eau pour le système de chauffage – ils sont totalement différents par leurs caractéristiques techniques.

Il ne faut pas confondre les vases d'expansion pour systèmes de chauffage et les accumulateurs hydrauliques pour les réseaux d'eau froide. Ils diffèrent par leur apparence et leurs caractéristiques de construction. Les premiers sont peints en rouge et généralement non démontables, les seconds sont de couleur bleue et sont munis d'une bride amovible pour la réparation de la membrane.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

La vidéo vous aidera à déterminer les paramètres du vase d'expansion de type fermé, à comprendre les différences entre les réservoirs de chauffage et ceux des systèmes de chauffe-eau :

Le principe de fonctionnement et les caractéristiques du choix du réservoir dans la vidéo :

Le système de chauffage d'une maison individuelle peut être réalisé selon un schéma ouvert ou fermé, ce qui nécessite l'installation d'un vase d'expansion de la structure correspondante. Le facteur clé de son bon fonctionnement est le volume, qui peut être calculé vous-même ou confié à des concepteurs professionnels.

Un équipement correctement sélectionné permet de maintenir le volume de liquide nécessaire dans un système ouvert, et dans un chauffage hermétique, de maintenir le niveau de pression de service.

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