Système de chauffage à circulation naturelle : schémas courants de circuits d'eau

La construction d'un réseau de chauffage autonome de type gravitaire est choisie lorsqu'il n'est pas opportun, et parfois même impossible, d'installer une pompe de circulation ou de se raccorder à l'alimentation électrique centralisée.

Un tel système est moins coûteux à mettre en place et totalement indépendant de l'électricité. Cependant, son bon fonctionnement dépend en grande partie de la précision de la conception.

Pour qu'un système de chauffage à circulation naturelle fonctionne sans interruption, il est nécessaire de calculer ses paramètres, d'installer correctement les composants et de choisir judicieusement le schéma du circuit d'eau. Nous vous aidons à résoudre ces questions.

Nous avons décrit les principes clés de fonctionnement du système gravitaire, fourni des conseils pour le choix des canalisations, défini les règles d'assemblage du circuit et de disposition des organes de travail. Nous avons accordé une attention particulière aux particularités de conception et de fonctionnement des schémas de chauffage monotube et bitube.

Principes du processus de circulation naturelle

Le mouvement de l'eau dans le circuit de chauffage sans utilisation de pompe de circulation se produit en raison des lois physiques naturelles.

Comprendre la nature de ces processus vous permettra de développer correctement un projet de système de chauffage pour les cas standard et non standard.

Différence maximale de pression hydrostatique

La principale propriété physique de tout fluide caloporteur (eau ou antigel) qui favorise son mouvement dans le circuit en circulation naturelle est la diminution de sa densité lorsque la température augmente.

La densité de l'eau chaude est inférieure à celle de l'eau froide, ce qui crée une différence de pression hydrostatique entre les colonnes de liquide chaude et froide. L'eau froide, en s'écoulant vers l'échangeur de chaleur, pousse l'eau chaude vers le haut dans la tuyauterie.

La force motrice de l'eau dans le circuit en circulation naturelle est la différence de pression hydrostatique entre les colonnes de liquide froide et chaude.

Le circuit de chauffage de la maison peut être divisé en plusieurs segments. Dans les segments “chauds”, l'eau se déplace vers le haut, et dans les segments “froids”, elle descend. Les limites des segments sont le point le plus haut et le point le plus bas du système de chauffage.

Votre tâche principale lors de la modélisation d'un système à circulation naturellede l'eau est d'atteindre la différence maximale possible entre la pression de la colonne de liquide dans les fragments “chaud” et “froid”.

L'élément classique d'un circuit d'eau pour la circulation naturelle est le collecteur d'accélération (colonne montante principale) – un tuyau vertical dirigé vers le haut à partir de l'échangeur de chaleur.

Le collecteur d'accélération doit avoir une température maximale, c'est pourquoi il est isolé sur toute sa longueur. Cependant, si la hauteur du collecteur n'est pas grande (comme pour les maisons à un étage), il est possible de ne pas l'isoler, car l'eau n'aura pas le temps de refroidir à l'intérieur.

Habituellement, vous concevez le système de manière à ce que le point le plus haut du collecteur d'accélération coïncide avec le point le plus haut de l'ensemble du circuit. Vous y installez une sortie vers un vase d'expansion ouvert ou une vanne de purge d'air, si vous utilisez un vase à membrane.

La longueur du segment “chaud” du circuit est alors la plus courte possible, ce qui réduit les pertes de chaleur dans cette section.

Il est également souhaitable que le segment “chaud” du circuit ne soit pas combiné avec un long tronçon transportant le fluide caloporteur refroidi. Idéalement, le point le plus bas du circuit d'eau coïncide avec le point le plus bas de l'échangeur de chaleur placé dans l'appareil de chauffage.

Plus la chaudière est située bas dans le système de chauffage, plus la pression hydrostatique de la colonne de liquide dans la partie chaude du circuit est faible.

Pour le segment “froid” du circuit d'eau, il existe également ses propres règles qui augmentent la pression du liquide :

• plus les pertes de chaleur sont importantes sur la section “froide” du réseau de chauffage, plus la température de l'eau est basse et plus sa densité est élevée, donc le fonctionnement des systèmes à circulation naturelle n'est possible qu'avec un dégagement de chaleur significatif ;
• plus la distance entre le point bas du circuit et le raccordement des radiateurs est grande, plus la section de la colonne d'eau avec la température minimale et la densité maximale est importante.

Afin de respecter cette dernière règle, on installe souvent le poêle ou la chaudière au point le plus bas de la maison, par exemple au sous-sol. Cette disposition de la chaudière permet d'obtenir la plus grande distance possible entre le niveau inférieur des radiateurs et le point d'entrée de l'eau dans l'échangeur thermique.

Cependant, la hauteur entre les points bas et haut du circuit d'eau en circulation naturelle ne doit pas être trop grande (en pratique pas plus de 10 mètres). Le poêle ou la chaudière ne chauffe que l'échangeur thermique et la partie inférieure du collecteur d'accélération.

Si cette partie est négligeable par rapport à la hauteur totale du circuit d'eau, alors la chute de pression dans la partie “chaude” du circuit sera insignifiante et le processus de circulation ne sera pas lancé.

L'utilisation de systèmes à circulation naturelle pour les bâtiments de deux étages est tout à fait justifiée, mais pour une plus grande hauteur, une pompe de circulation sera nécessaire.

Minimisation de la résistance au mouvement de l'eau

Lors de la conception d'un système à circulation naturelle, il est nécessaire de prendre en compte la vitesse de déplacement du fluide caloporteur dans le circuit.

Premièrement, plus la vitesse est rapide, plus le transfert de chaleur dans le système “chaudière – échangeur thermique – circuit d'eau – radiateurs de chauffage – pièce” sera rapide.

Deuxièmement, plus la vitesse du fluide à travers l'échangeur thermique est rapide, moins il y a de risque d'ébullition, ce qui est particulièrement important pour le chauffage par poêle.

L'ébullition de l'eau dans le système peut coûter très cher – le coût du démontage, de la réparation et de la réinstallation de l'échangeur thermique nécessite beaucoup de temps et de ressources.

Dans les systèmes de chauffage à circulation forcée, la vitesse de déplacement de l'eau dépend principalement des paramètres de la pompe de circulation.

Dans le chauffage à eau à circulation naturelle, la vitesse dépend des facteurs suivants :

• de la différence de pression entre les parties du circuit à son point bas
• de la résistance hydrodynamique du système de chauffage.

Les méthodes pour assurer une différence de pression maximale ont été examinées ci-dessus. La résistance hydrodynamique d'un système réel ne peut être calculée avec précision en raison de la complexité du modèle mathématique et du grand nombre de données d'entrée dont la précision est difficile à garantir.

Néanmoins, il existe des règles générales dont le respect permettra de réduire la résistance du circuit de chauffage.

Les principales causes de la diminution de la vitesse de l'eau sont la résistance des parois des tuyaux et la présence de rétrécissements dus aux raccords ou aux vannes d'arrêt. À faible vitesse d'écoulement, la résistance des parois est pratiquement inexistante.

Font exception les longs et fins tuyaux typiques du chauffage par plancher chauffant. En règle générale, vous lui consacrez des circuits séparés à circulation forcée.

Lors du choix des types de tuyaux pour un circuit à circulation naturelle, vous devrez tenir compte des rétrécissements techniques lors du montage du système. Par conséquent, il est déconseillé d'utiliser des tuyaux métal-plastique en circulation naturelle de l'eau en raison de leur raccordement par des raccords avec un diamètre intérieur nettement plus petit.

Les raccords des tubes métal-plastique réduisent quelque peu le diamètre intérieur et constituent un obstacle sérieux à l'écoulement de l'eau en cas de faible pression (+)

Règles de choix et d'installation des tuyaux

Le choix entre des tuyaux en acier ou en polypropylène pour toute circulation se fait selon le critère de leur possibilité d'utilisation pour l'eau chaude, ainsi que du point de vue du prix, de la facilité de montage et de la durée de vie.

La colonne montante d'alimentation est installée en tube métallique, car l'eau à la température la plus élevée y circule, et en cas de chauffage au poêle ou de dysfonctionnement de l'échangeur de chaleur, un passage de vapeur est possible.

En circulation naturelle, il est nécessaire d'utiliser un diamètre de tuyaux légèrement plus grand que dans le cas d'une pompe de circulation. Généralement, pour le chauffage de locaux jusqu'à 200 m², le diamètre du collecteur d'accélération et du tuyau d'entrée du retour dans l'échangeur de chaleur est de 2 pouces.

Cela est dû à la vitesse d'eau plus faible par rapport à la circulation forcée, ce qui entraîne les problèmes suivants :

• la réduction du volume de chaleur transportée par unité de temps de la source vers la pièce chauffée ;
• l'apparition de bouchons ou de poches d'air qu'une faible pression ne pourra pas résoudre.

Une attention particulière doit être accordée, lors de l'utilisation de la circulation naturelle avec un schéma d'alimentation inférieur, au problème de l'évacuation de l'air du système. Il ne peut pas être complètement éliminé du fluide caloporteur par le vase d'expansion, car l'eau bouillante arrive d'abord dans les appareils par une conduite située en dessous d'eux.

En circulation forcée, la pression de l'eau chasse l'air vers le collecteur d'air installé au point le plus haut du système – un dispositif à commande automatique, manuelle ou semi-automatique. À l'aide des robinets Maïevski, le réglage de l'émission de chaleur est principalement effectué.

Dans les réseaux de chauffage par gravité avec alimentation située en dessous des appareils, les robinets de Maïevski sont utilisés directement pour purger l'air.

Tous les radiateurs de chauffage de type moderne sont équipés de dispositifs d'évacuation d'air ; ainsi, pour éviter la formation de poches d'air dans le circuit, vous pouvez créer une pente en chassant l'air vers le radiateur.

L'air peut également être évacué à l'aide de purgeurs d'air installés sur chaque colonne montante ou sur la ligne d'air située parallèlement aux conduites principales du système. En raison du nombre considérable de dispositifs d'évacuation d'air, les schémas par gravité avec distribution inférieure sont très rarement utilisés.

Sous une faible pression, une petite poche d'air peut arrêter complètement le système de chauffage. Ainsi, selon le SNiP 41-01-2003, il n'est pas autorisé de poser des canalisations de chauffage sans pente lorsque la vitesse de l'eau est inférieure à 0,25 m/s.

En circulation naturelle, de telles vitesses sont impossibles à atteindre. Par conséquent, outre l'augmentation du diamètre des tuyaux, il est nécessaire de respecter des pentes constantes pour évacuer l'air du système de chauffage. La pente est conçue à raison de 2 à 3 mm par mètre ; dans les réseaux d'appartements, la pente atteint 5 mm par mètre linéaire de ligne horizontale.

Vous créez la pente de l'alimentation dans le sens du mouvement de l'eau, afin que l'air se déplace vers le vase d'expansion ou le système de purge d'air situé au point le plus haut du circuit. Il est toutefois possible de créer une contre-pente, mais dans ce cas, vous devez installer en supplément une vanne de purge d'air.

La pente de la conduite de retour est généralement réalisée dans le sens de l'écoulement de l'eau refroidie. Ainsi, le point le plus bas du circuit coïncidera avec l'entrée du tuyau de retour dans le générateur de chaleur.

La combinaison la plus courante de direction de la pente des tuyaux d'alimentation et de retour pour éliminer les poches d'air d'un circuit d'eau à circulation naturelle

Lors de l'installation d'un plancher chauffant de petite surface dans un circuit à circulation naturelle, vous devez éviter que l'air ne pénètre dans les tuyaux étroits et disposés horizontalement de ce système de chauffage. Vous devez installer un dispositif de purge d'air avant le plancher chauffant.

Schémas de chauffage monotube et bitube

Lors de la conception d'un schéma de chauffage domestique à circulation naturelle de l'eau, il est possible de concevoir un ou plusieurs circuits séparés. Ils peuvent différer considérablement les uns des autres. Quelle que soit la longueur, le nombre de radiateurs et d'autres paramètres, ils sont réalisés selon un schéma monotube ou bitube.

Circuit utilisant une seule conduite principale

Un système de chauffage utilisant le même tuyau pour alimenter séquentiellement les radiateurs en eau est appelé monotube. La variante monotube la plus simple est le chauffage avec des tuyaux métalliques sans utiliser de radiateurs.

C'est la méthode la moins chère et la moins problématique pour chauffer une maison lors du choix de la circulation naturelle du fluide caloporteur. Le seul inconvénient notable est l'aspect des tuyaux encombrants.

Dans la variante la plus économique du schéma monotube avec radiateurs de chauffage, l'eau chaude s'écoule successivement à travers chaque appareil. Ici, un nombre minimal de tuyaux et de robinets d'arrêt est nécessaire.

Au fur et à mesure du passage, le caloporteur se refroidit, donc les radiateurs suivants reçoivent une eau plus froide, ce que vous devez prendre en compte lors du calcul du nombre de sections.

Un schéma monotube simple (en haut) nécessite un minimum de travaux d'installation et d'investissement. La variante plus complexe et plus coûteuse en bas permet de couper les radiateurs sans arrêter tout le système.

La méthode la plus efficace pour raccorder les appareils de chauffage à un réseau monotube est considérée comme la variante diagonale.

Selon ce schéma de circuits de chauffage à circulation naturelle, l'eau chaude entre dans le radiateur par le haut, après refroidissement elle est évacuée par le raccord situé en bas. En passant de cette manière, l'eau chauffée dégage une quantité maximale de chaleur.

Avec un raccordement par le bas du radiateur, tant pour le tuyau d'entrée que pour le tuyau de sortie, le transfert de chaleur diminue considérablement, car le fluide caloporteur chauffé doit parcourir le chemin le plus long. En raison d'un refroidissement important, les batteries avec un grand nombre de sections ne sont pas utilisées dans de tels schémas.

La « Leningradka » se caractérise par des pertes de chaleur importantes, qui doivent être prises en compte lors du calcul du système. Son avantage est qu'en utilisant des vannes d'arrêt sur les tuyaux d'entrée et de sortie, les appareils peuvent être sélectivement coupés pour réparation sans arrêter le cycle de chauffage (+)

Les circuits de chauffage avec ce type de connexion des radiateurs sont appelés “Leningradka“. Malgré les pertes de chaleur constatées, ils sont privilégiés dans l'aménagement des systèmes de chauffage d'appartement, en raison de l'aspect plus esthétique de la pose des canalisations.

Un inconvénient majeur des réseaux monotubes est l'impossibilité de couper une des sections de chauffage sans interrompre la circulation de l'eau dans tout le circuit.

C'est pourquoi on utilise généralement une modernisation du schéma classique avec l'installation d'un “bypass” pour contourner le radiateur à l'aide d'une dérivation avec deux robinets à boisseau sphérique ou un robinet à trois voies. Cela permet de réguler l'alimentation en eau du radiateur, jusqu'à son arrêt complet.

Pour les bâtiments de deux étages ou plus, on utilise des variantes du schéma monotube avec des colonnes montantes verticales. Dans ce cas, la répartition de l'eau chaude est plus uniforme qu'avec des colonnes horizontales. De plus, les colonnes verticales sont moins longues et s'intègrent mieux dans l'intérieur de la maison.

Le schéma monotube avec distribution verticale est utilisé avec succès pour le chauffage de locaux à deux étages utilisant la circulation naturelle. Une variante avec possibilité de désactiver les radiateurs supérieurs est présentée.

Variante avec utilisation d'un tuyau de retour

Lorsqu'un tuyau est utilisé pour alimenter les radiateurs en eau chaude et un second pour évacuer l'eau refroidie vers la chaudière ou le poêle, ce schéma de chauffage est appelé bitube. Un tel système, en présence de radiateurs de chauffage, est plus souvent utilisé qu'un système monotube.

Il est plus coûteux car il nécessite l'installation d'un tuyau supplémentaire, mais présente plusieurs avantages significatifs :

• une répartition plus uniforme de la température du fluide caloporteur fourni aux radiateurs ;
• il est plus simple de calculer la dépendance des paramètres des radiateurs par rapport à la surface de la pièce chauffée et aux valeurs de température nécessaires ;
• un réglage plus efficace de l'apport de chaleur à chaque radiateur.

Selon la direction du mouvement de l'eau refroidie par rapport à l'eau chaude, les systèmes à deux tubes sont divisés en systèmes à flux direct et en systèmes à flux inversé. Dans les schémas à flux direct, le mouvement de l'eau refroidie se fait dans la même direction que l'eau chaude, de sorte que la longueur du cycle est la même pour tout le circuit.

Dans les schémas en impasse, l'eau refroidie se déplace à contre-courant de l'eau chaude, de sorte que les longueurs des cycles de rotation du fluide caloporteur diffèrent selon les radiateurs. Comme la vitesse dans le système est faible, le temps de chauffage peut également varier considérablement. Les radiateurs dont la longueur du cycle de circulation de l'eau est plus courte chaufferont plus rapidement.

Lors du choix entre les schémas de chauffage en impasse et à circulation parallèle, on part avant tout de la commodité de l'acheminement du tuyau de retour

Il existe deux types de positionnement de la conduite par rapport aux radiateurs de chauffage : supérieur et inférieur. Dans le cas d'une conduite supérieure, le tuyau alimentant en eau chaude est situé au-dessus des radiateurs de chauffage, et dans le cas d'une conduite inférieure, en dessous.

Avec la distribution par le bas, il est possible d'évacuer l'air par les radiateurs et il n'est pas nécessaire de faire passer les tuyaux en hauteur, ce qui est bénéfique pour l'esthétique de la pièce.

Cependant, sans collecteur d'accélération, la différence de pression sera bien plus faible qu'avec une distribution par le haut. C'est pourquoi la distribution par le bas n'est pratiquement pas utilisée pour le chauffage des pièces par circulation naturelle.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Organisation d'un système monotube basé sur une chaudière électrique pour une petite maison :

Fonctionnement d'un système bitube pour une maison en bois d'un étage basé sur une chaudière à combustible solide à combustion longue :

L'utilisation de la circulation naturelle pour le mouvement de l'eau dans le circuit de chauffage nécessite des calculs précis et une exécution techniquement compétente des travaux d'installation. Si ces conditions sont remplies, le système de chauffage chauffera efficacement les pièces d'une maison individuelle et évitera aux propriétaires le bruit de la pompe et la dépendance à l'électricité.

Si vous avez des questions sur le sujet ou si vous souhaitez partager votre expérience personnelle concernant l'organisation et l'exploitation d'un système de chauffage par gravité, veuillez laisser des commentaires sur cet article. Le bloc de contact se trouve ci-dessous.