Comment réaliser un chauffage par poêle dans une maison individuelle avec des circuits d'air ou d'eau

Il existe de nombreuses façons de chauffer une maison individuelle, liées à l'utilisation du gaz et de l'électricité. Mais malgré l'abondance des méthodes modernes, le chauffage au poêle reste encore pertinent pour l'aménagement des maisons de campagne et des datchas.

Convenez que rien ne souligne autant le caractère d'une isba russe qu'un poêle à bois. De plus, le chauffage au bois est considéré comme l'une des options économiques.

L'organisation du système de chauffage commence par le choix de l'équipement du poêle et la détermination du type de circuit de chauffage. Nous vous proposons de comprendre la conception et les principes de fonctionnement du chauffage à eau et à air basé sur un poêle. Pour une meilleure compréhension du sujet, nous avons complété le matériel par des schémas et des photos explicites.

Chauffage par système à air

La raison de la préférence constante que les propriétaires de maisons individuelles accordent au chauffage par poêle réside dans l'économie d'utilisation – la disponibilité du bois, des briquettes de combustible ou du charbon.

L'inconvénient réside dans la limitation de l'espace traité, qui peut être éliminée en installant un système à eau et à air basé sur un appareil en brique.

Les spécificités de l'installation du chauffage par poêle dans les bâtiments de faible hauteur sont présentées dans la sélection de photos :

Le principe de fonctionnement du chauffage à air basé sur un poêle ou une cheminée consiste à transmettre un flux d'air chaud, chauffé à la température de travail dans un échangeur de chaleur ou dans une chaudière. L'air entre soit directement dans la pièce, soit par des conduits d'air.

Grâce à un trajet relativement court, il n'a pas le temps de perdre de la température. En conséquence, une répartition uniforme de la chaleur dans la maison est obtenue.

La chambre de chauffage de l'air est disposée au-dessus du foyer afin que la surface supérieure chaude du foyer et la cheminée lui transfèrent le maximum de chaleur. La circulation de l'air se fait naturellement ou à l'aide de ventilateurs.

Un poêle en acier de fabrication industrielle pour chauffer une pièce de 120 m² à l'aide de flux d'air coûte environ 120 €.

La circulation naturelle se produit en raison de la différence de densité de l'air froid et chaud. L'air froid, en entrant dans la chambre de chauffage, chasse l'air chaud vers les conduits d'air.

Cette méthode ne nécessite pas d'électricité, mais si le mouvement de l'air à travers la chambre de chauffage n'est pas assez rapide, il s'échauffe fortement, ce qui peut poser des problèmes.

Le chauffage à air avec mouvement naturel de l'air chauffé implique l'installation de conduits d'air pour un mouvement dirigé. Dans les versions forcées, un ventilateur stimule le mouvement de l'air (+).

La circulation forcée se fait à l'aide de ventilateurs ou de pompes. Cependant, le chauffage des pièces se fait plus rapidement et de manière plus uniforme. Avec la ventilation forcée, en réglant son mode, vous pouvez facilement contrôler le volume d'air fourni aux différentes pièces, déterminant ainsi le microclimat des pièces individuelles de la maison.

Selon le type d'alimentation en air froid, les systèmes se divisent en deux variétés :

• Avec recirculation complète. Les masses d'air chauffées alternent avec les masses d'air refroidies à l'intérieur d'une même pièce.  L'inconvénient de ce schéma est que la qualité de l'air diminue à chaque cycle de chauffage/refroidissement.
• Avec récupération partielle. Une partie de l'air frais est prélevée à l'extérieur et mélangée à une partie de l'air intérieur. Après chauffage, le mélange des deux portions d'air est fourni à l'utilisateur. Avantage : qualité de l'air stable, inconvénient : dépendance énergétique.

Il est clair que le premier groupe comprend les systèmes à conduits avec mouvement naturel du caloporteur d'air. Le deuxième groupe comprend les variantes à déplacement forcé d'air, pour lesquelles il n'est pas nécessaire d'installer un réseau de conduits.

L'apport d'air extérieur donne une impulsion supplémentaire au système à circulation naturelle, ce qui permet de se passer de ventilateurs.

Principaux avantages du chauffage par air par rapport au chauffage par eau :

• rendement élevé ;
• absence de panne ;
• absence de radiateurs dans les pièces.

La mise en place d'un circuit à mouvement forcé permet d'éviter la construction d'un système de conduits. De plus, cette variante peut être combinée avec la climatisation, l'humidification et l'ionisation de l'air.

Si l'installation d'un dispositif stimulant le mouvement de l'air chauffé n'est pas prévue, les méthodes suivantes sont utilisées pour augmenter le rendement du poêle :

L'augmentation du rendement augmentera spontanément la vitesse du flux d'air : plus l'air chauffe vite, plus l'échange entre l'air refroidi et l'air chauffé est intense.

Principaux inconvénients du chauffage par air par rapport au chauffage par eau :

• lors de l'utilisation d'un poêle, la température de l'air fourni a une plage importante, contrairement à l'utilisation d'autres moyens de chauffage ;
• les conduits d'air ont un grand diamètre, donc l'installation doit être effectuée lors de la phase de construction ;
• il est préférable de placer le poêle dans une cave, sinon il est nécessaire d'utiliser des ventilateurs qui produisent du bruit.

Le mouvement de l'air dans la pièce a un inconvénient : il soulève la poussière, mais l'utilisation de filtres à la sortie du conduit permet de capturer efficacement cette poussière, réduisant ainsi la quantité totale de poussière dans la maison.

Une autre caractéristique du chauffage à air, qui a des aspects positifs et négatifs, est la vitesse de transfert de chaleur. D'un côté, les pièces chauffent plus rapidement qu'avec un chauffage à circuit d'eau, de l'autre, il n'y a pas d'inertie thermique : dès que le poêle ou la cheminée s'éteint, la pièce commence à refroidir immédiatement.

Pour assurer une pression uniforme dans les branches latérales du conduit, il faut éviter de les raccorder dans le dernier demi-mètre du conduit principal.

Contrairement au chauffage à eau, l'installation d'un système de chauffage à air ne présente aucune difficulté. Tous les éléments (tuyaux, coudes, grilles de ventilation) peuvent être simplement assemblés sans travaux de soudure. Il existe des conduits flexibles qui peuvent prendre n'importe quelle forme en fonction de la géométrie des pièces.

Malgré cela, les systèmes de chauffage à air basés sur des poêles ou des cheminées ne se sont pas encore largement répandus. Bien plus souvent, dans la construction individuelle de faible hauteur, on utilise le circuit d'eau pour chauffer les pièces.

À partir d'un poêle ou d'une cheminée avec un foyer en brique ou en acier, on peut installer un chauffage à air ou à eau.

Conception d'un chauffage à eau basé sur un poêle

Les principes de fonctionnement de tout chauffage à eau sont basés sur la distribution de la chaleur d'une source locale dans toute la pièce, grâce au mouvement de l'eau dans le circuit de chauffage.

Éléments principaux du chauffage à eau

Pour un schéma de chauffage par poêle avec circuit d'eau, les éléments principaux sont :

• un poêle ou une cheminée avec un échangeur de chaleur, dans lequel l'eau est chauffée ;
• le circuit de chauffage, où la chaleur est restituée dans la pièce ;
• un vase d'expansion pour éviter d'endommager le système en raison de l'augmentation de la pression ;
• une pompe de circulation pour assurer le mouvement de l'eau dans le circuit.

Il existe des règles générales de fonctionnement du chauffage à eau, telles que les schémas de distribution, qui sont bien connus et doivent être respectés. Cependant, lors de l'utilisation d'un poêle comme source de chaleur, il existe des exigences spécifiques liées aux particularités du régime de température.

Le principe de fonctionnement du chauffage à eau basé sur un poêle ou une cheminée est simple, mais il est nécessaire de calculer précisément les paramètres de tous les éléments du système.

Les poêles ne chauffent pas rapidement et refroidissent lentement, la libération de chaleur est inégale, et seule une installation correcte de tous les composants du système permettra d'éviter des problèmes de chauffage de qualité des pièces de la maison.

Types d'échangeur de chaleur et méthodes d'installation

Pour fabriquer un échangeur de chaleur pour poêles, on utilise de l'acier “noir” en tôle ou de l'acier inoxydable résistant à la chaleur. L'utilisation de la fonte comme matériau de fabrication est difficile, mais on peut utiliser des produits en fonte prêts à l'emploi, tels que des radiateurs en fonte.

Il est possible d'utiliser du cuivre, qui a une meilleure conductivité thermique par rapport à l'acier, mais le prix d'un tel dispositif sera élevé. Il est recommandé de fabriquer l'échangeur de chaleur en acier d'une épaisseur d'au moins 3 mm. À des températures de poêle élevées, qui se produisent lors de l'utilisation de charbon ou, a fortiori, de coke, il est nécessaire d'utiliser de l'acier d'une épaisseur de 5 mm.

Les échangeurs de chaleur peuvent être classés en trois types :

• registres, serpentins et radiateurs, constitués d'un ensemble de tubes ;
• chemises (chaudières), soudées en tôle d'acier ;
• une version combinée sous forme de parois verticales reliées par des tubes (ce qu'on appelle des “livres”).

Les chemises en tôle d'acier sont plus faciles à fabriquer et plus faciles à nettoyer des produits de combustion du combustible, mais les constructions tubulaires ont une plus grande surface de chauffage. Lors de la fabrication d'une chemise, il faut tenir compte de la surpression d'eau qui se produit lors de l'utilisation d'un vase d'expansion à membrane ou de la montée d'eau à une grande hauteur.

Un échangeur de chaleur pour chauffage à eau à base de poêle peut être réalisé à partir de matériaux de récupération :

Dans ce cas, il est nécessaire d'utiliser de l'acier d'une épaisseur d'au moins 5 mm et de renforcer en outre les parois avec des nervures de rigidification pour éviter leur déformation.

Les formes des constructions tubulaires peuvent varier, mais il est nécessaire de respecter la condition que le diamètre intérieur des tubes soit d'au moins 3 cm. Dans le cas contraire, en cas de vitesse de circulation lente ou de température trop élevée, une ébullition de l'eau est probable.

Les registres sont généralement fabriqués à partir de tubes profilés plutôt que de tubes ronds, afin de faciliter les travaux de soudage.

Il est possible de fabriquer soi-même un échangeur de chaleur de la taille souhaitée. Dans ce cas, il faut accorder une attention particulière à la qualité de la soudure. En cas de fuite de l'échangeur de chaleur, toute l'eau se déversera dans le poêle.

De plus, pour résoudre ce problème, vous devrez effectuer un grand volume de travail : démonter le poêle, retirer, souder et remettre en place l'échangeur de chaleur, puis remonter le poêle.

Il existe deux options pour l'emplacement de l'échangeur de chaleur. Dans le premier cas, on le place directement dans le foyer, ce qui réduit considérablement son espace. Dans le second – les registres sont installés dans la cloche des poêles sans retour, mais le poêle lui-même a dans ce cas une structure plus complexe.

Si vous disposez d'un poêle à cloche, il est préférable de placer l'échangeur de chaleur dans la cloche : il y fait également très chaud et l'espace du foyer reste inchangé.

Lors de l'installation d'un échangeur de chaleur de type tubulaire, vous devez laisser un espace entre celui-ci et la paroi du poêle. Ceci est nécessaire pour un meilleur chauffage du caloporteur, ainsi que pour la possibilité de nettoyer le registre. Il est nécessaire de nettoyer périodiquement les chemises et les registres, car en cas d'encrassement important par les cendres, l'efficacité de l'échange thermique diminue.

Si vous disposez d'une plaque de cuisson, le nettoyage s'effectue après son retrait. Si le poêle n'a qu'une fonction de chauffage, le nettoyage s'effectue par la porte du foyer.

Circulation de l'eau dans le circuit de chauffage

Les principes de base de l'organisation de la circulation naturelle de l'eau dans le système consistent à modéliser un “collecteur d'accélération” à la sortie de l'échangeur de chaleur et à créer une pente constante des tuyaux du circuit de chauffage de 3 à 5°.

Le sens général du “collecteur d'accélération” est que l'eau chauffée monte verticalement depuis le poêle, puis se distribue dans le circuit de chauffage.

La circulation se produit en raison de la différence de poids spécifique entre l'eau froide et l'eau chaude. L'eau froide est plus lourde que l'eau chaude et, en s'écoulant vers l'échangeur de chaleur, elle pousse l'eau chaude vers le haut dans le tuyau. Le point d'entrée du “retour” doit être situé en dessous des sorties d'eau des radiateurs de chauffage, sinon la circulation de l'eau sera très lente, voire inexistante.

Un collecteur d'accélération est nécessaire même pour les circuits de chauffage de faible longueur en cas d'utilisation de la circulation naturelle.

Pour augmenter la vitesse de déplacement de l'eau dans le circuit de chauffage, on installe une pompe de circulation. Ainsi, la chaleur est distribuée plus rapidement et uniformément dans la maison. On peut utiliser plusieurs pompes simultanément pour différents circuits de chauffage.

En cas de fluctuations de tension, il est nécessaire d'utiliser un stabilisateur de tension, car une défaillance de la pompe peut entraîner de graves conséquences pour l'ensemble du système.

Les pompes peuvent être divisées en deux groupes selon la position du moteur : à “rotor sec” et à “rotor humide”. Par type de tension : les modèles fonctionnant sur secteur 220 V et les pompes fonctionnant sur des sources d'alimentation de 12 V.

Le moteur des pompes à “rotor sec” est isolé de la turbine immergée dans l'eau par des joints toriques. Par rapport aux pompes à moteur immergé, les pompes “sèches” ont un rendement plus élevé.

Cependant, parmi les inconvénients, on peut citer un niveau de bruit élevé, la nécessité d'un entretien régulier et une durée de vie plus courte. C'est pourquoi, dans une maison individuelle, on utilise généralement des pompes de circulation à “rotor humide”.

Le choix du type d'alimentation de la pompe dépend de la possibilité de circulation naturelle de l'eau dans le système. Si celle-ci est impossible sans la pompe, vous devez choisir une option supportant une tension de 12 V et une alimentation sans interruption.

Sinon, en cas de coupure de courant, l'eau pourrait bouillir et le système tomber en panne. Si la circulation naturelle est possible, vous feriez mieux d'acheter l'option plus courante et moins chère avec une alimentation sur secteur 220 V.

En connectant une pompe de 12 volts à une alimentation sans interruption, vous n'avez pas à craindre pour le fonctionnement du système de chauffage.

Lors de l'installation d'une pompe alimentée en 220 V, vous devez prévoir la possibilité de fonctionnement du système de chauffage en cas de coupure de courant. Pour ce faire, vous installez un robinet d'arrêt sur le tuyau, et en dérivation, vous montez un tuyau de dérivation avec une pompe (appelé “bypass”).

Sur le tuyau de dérivation, avant la pompe, vous installez un robinet-filtre, et après, un robinet d'arrêt. En réglant la position des robinets d'arrêt sur le tuyau principal et le tuyau de dérivation, vous pouvez activer le mode de circulation forcée ou naturelle.

Généralement, vous installez la pompe sur le retour près du poêle, afin que la température du liquide passant par l'appareil soit la plus basse. Cela prolongera considérablement la durée de vie de la pompe.

De plus, vous devez placer autant d'éléments de commande du système de chauffage que possible au même endroit, afin qu'en cas de situation d'urgence, vous puissiez prendre rapidement des mesures pour y remédier.

Le montage d'un tuyau de dérivation (bypass) permet au système de chauffage de fonctionner en cas de coupure de courant, et vous permet également de retirer la pompe sans vidanger l'eau.

Règles d'utilisation du vase d'expansion

Le liquide se dilate lorsqu'il est chauffé, et si cela se produit dans un système fermé, la pression à l'intérieur augmente considérablement, ce qui risque de provoquer une rupture de l'eau. L'utilisation d'une soupape de sécurité n'est pas recommandée, car après le refroidissement de l'eau et la diminution de son volume, de l'air sera introduit dans le système.

Par conséquent, dans les circuits de chauffage à circulation forcée, on utilise des vases d'expansion spéciaux, qui peuvent être de type ouvert ou fermé. Leur volume est calculé en tenant compte non seulement de la dilatation thermique maximale du liquide (5-7 %), mais aussi de la possibilité d'ébullition du système.

Un vase de type ouvert équipe le circuit d'eau du chauffage par poêle de type gravitaire, c'est-à-dire avec un transport naturel du caloporteur. Il s'agit d'un réservoir métallique de forme quelconque, situé tout en haut du circuit de chauffage. Il communique directement avec l'atmosphère, ce qui provoque une évaporation partielle du caloporteur.

La canalisation est raccordée au fond ou au quart inférieur du réservoir, et un tuyau est soudé en haut pour évacuer l'eau en cas de débordement et permettre la sortie de l'air du système. La pratique montre que le volume d'un vase de type ouvert doit représenter au moins 15 % du volume d'eau dans le système de chauffage.

Le vase d'expansion de type ouvert est généralement placé dans une salle technique et son apparence n'a aucune importance.

Le vase de type fermé ou à membrane est un récipient fermé avec une membrane à l'intérieur. En chauffant, l'eau augmente la pression, étire la membrane et entre dans le réservoir. En cas de dépassement de pression, l'automatisme se déclenche et l'excès de caloporteur est évacué vers l'égout.

Après la première purge, il n'y a généralement plus de raison de la répéter, car le volume du caloporteur devient égal au volume du système.

Le petit vase à membrane fermé est installé avant la pompe. Un tel réservoir, contrairement au vase de type ouvert, ne peut pas se débarrasser de l'air tout seul, c'est pourquoi il est nécessaire d'installer une purge d'air manuelle (purgeur d'air mécanique) ou son équivalent automatique en haut du circuit de chauffage.

Le seul élément du vase à membrane qui peut tomber en panne avec le temps est la membrane, il est donc préférable d'acheter un réservoir avec possibilité de la remplacer.

Lors de l'achat d'un vase de type fermé, parfois appelé accumulateur hydraulique, il est important de ne pas le confondre avec un accumulateur hydraulique pour l'alimentation en eau.

Pour un vase à membrane utilisé dans le chauffage, la température de service peut atteindre 120 °C et la pression jusqu'à 3 bars. Pour l'alimentation en eau, on utilise des réservoirs avec une température jusqu'à 70 °C et une pression jusqu'à 10 bars.

Choix entre les tuyaux et les radiateurs

Comme circuit d'eau pour un chauffage par poêle, on peut utiliser un système de tuyaux en plastique avec des radiateurs (ou des batteries) ou un système de tuyaux métalliques. Le principal avantage de l'utilisation de radiateurs est qu'ils sont plus esthétiques que les volumineux conduits d'air.

La distribution en plastique peut être facilement cachée dans le sol, car elle ne dégage pas de chaleur. Bien que selon les règles, la distribution du chauffage à eau doive être apparente. Cependant, les canalisations en polymère ont des limitations : elles ne peuvent pas être installées là où il y a un risque de fusion et d'exposition directe aux UV.

L'avantage des tuyaux métalliques réside dans le prix plus bas de l'ensemble du circuit de chauffage, la simplicité d'installation et des problèmes moins fréquents lors de l'exploitation du système.

L'utilisation de tuyaux de chauffage métalliques au lieu d'un système de radiateurs avec des raccords en métal-plastique est justifiée si l'aspect esthétique de la conception de la pièce n'est pas important.

Un avantage significatif du système avec radiateurs est la simplicité de réglage de la température. Même les calculs les plus précis du régime de température d'une pièce peuvent être ajustés. Par exemple, pour un jeune enfant de moins de 6 mois, une température de 19-21 °C est recommandée, tandis que la température de confort dans le reste de la maison est considérée comme étant de 25 °C.

Pour assurer une telle température pendant une longue période dans la pièce, il faut fermer complètement ou partiellement le robinet d'alimentation en chaleur de l'un des radiateurs. Dans le cas d'un tuyau métallique, le problème peut également être résolu, mais d'une manière plus complexe : réduire le transfert de chaleur d'un segment de tuyau à l'aide d'une coque en polyuréthane expansé ou en aluminium.

Un autre type de circuit de chauffage peut être le plancher chauffant à eau. C'est un mode de diffusion de chaleur très confortable pour l'homme, mais l'installation d'un plancher chauffant est nettement plus laborieuse que les options précédemment examinées.

De plus, lors de l'utilisation d'un plancher chauffant, il n'est pas possible de prévoir une pente pour la circulation naturelle de l'eau, ce qui, combiné au petit diamètre des tuyaux du plancher chauffant, rend obligatoire l'utilisation d'une pompe de circulation.

Pour forcer l'eau à passer à travers les tuyaux du plancher chauffant, il est nécessaire d'utiliser une pompe ; la circulation naturelle ne fonctionnera pas avec une telle géométrie du système de chauffage.

Prévention du gel du système de chauffage

L'utilisation de l'eau comme caloporteur présente un inconvénient : en cas de gel du système de chauffage, les canalisations et les appareils seront endommagés. Il est particulièrement difficile de restaurer dans ce cas l'échangeur de chaleur intégré au poêle.

Ce problème concerne les maisons qui peuvent ne pas être chauffées pendant de longues périodes en hiver. L'un des moyens d'éviter d'endommager le système est d'utiliser de l'antigel destiné aux systèmes de chauffage au lieu de l'eau.

Pour les locaux d'habitation, on utilise comme antigel des liquides à base de propylène glycol, une substance non toxique contrairement à l'éthylène glycol.

Cependant, l'idée d'utiliser de l'antigel a ses inconvénients :

• L'antigel à base de propylène glycol coûte cher (à partir de 0,8 €/litre);
• La capacité thermique spécifique de l'antigel est inférieure à celle de l'eau (d'environ 15 %), donc une puissance de poêle plus élevée et une plus grande surface des dispositifs de chauffage des pièces sont nécessaires ;
• L'antigel a une viscosité dynamique plus élevée que l'eau, donc une pompe de circulation plus puissante est nécessaire, et la circulation naturelle est impossible ;
• Lorsqu'il est chauffé, l'antigel se dilate jusqu'à 40 %, il est donc nécessaire d'utiliser un grand vase d'expansion de type fermé ;
• Le propylène glycol est très fluide, donc il pénètre à travers les raccords du système de chauffage par lesquels l'eau ne passe pas ;
• Le propylène glycol est incompatible avec les tuyaux galvanisés car au contact, les additifs de l'antigel perdent leurs propriétés ;
• Lorsque l'antigel bout (ce qui est probable avec l'utilisation de poêles), une réaction chimique irréversible se produit, ce qui obligera à vidanger tout le système et à le remplir à nouveau d'antigel.

Pour l'antigel, le système de chauffage doit être calculé à l'avance – son utilisation dans des projets conçus pour l'eau est assez problématique.

De plus, un projet utilisant de l'antigel sera beaucoup plus coûteux qu'un système de chauffage à eau. Par conséquent, son utilisation ne s'est pas encore généralisée dans les maisons individuelles avec chauffage par poêle, et d'autres méthodes sont utilisées pour éviter le gel.

Lors du choix du liquide pour le système de chauffage, il faut prendre en compte non seulement les caractéristiques physico-chimiques, mais aussi son danger pour l'entourage.

La vidange de l'eau du circuit et de la chemise ou du registre du poêle est la solution la plus courante au problème en cas d'absence prolongée des propriétaires. Outre le travail supplémentaire, les inconvénients de cette méthode incluent l'accès de l'air aux éléments métalliques du système par l'intérieur et, par conséquent, la propagation de la corrosion.

De plus, comme solution à court terme, on intègre une petite chaudière électrique dans le circuit de chauffage. Son fonctionnement au niveau minimal de consommation d'énergie peut temporairement maintenir une température positive de l'eau.

Une petite chaudière électrique raccordée au système de chauffage peut maintenir une température positive de l'eau en cas d'absence prolongée des propriétaires.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Un système de chauffage fonctionnel basé sur un poêle et un circuit d'eau dans une maison individuelle d'une superficie de 80 mètres carrés :

L'apport de chaleur au système de chauffage depuis les poêles et les cheminées se fait par portions, ce qui complique la tâche de calcul des paramètres des éléments du circuit de chauffage. Effectuer des travaux de modification du circuit est assez problématique, donc en cas de manque d'expérience dans ce domaine, il est préférable de faire appel à des spécialistes ayant les compétences nécessaires pour résoudre ces problèmes.

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