Système de chauffage à eau chaude à circulation forcée : schémas, options de mise en œuvre, subtilités techniques

De nombreuses solutions modernes de chauffage à eau des maisons nécessitent l'utilisation d'un groupe de pompage. La conception et l'installation d'un système de chauffage à circulation forcée doivent être effectuées en tenant compte des aspects techniques liés au mouvement rapide du fluide caloporteur.

Une pression élevée dans le circuit de chauffage permet de réaliser de nombreux schémas de distribution. Convenez que c'est un avantage non négligeable d'un système de chauffage à circulation forcée. Cependant, la mise en place d'un tel schéma nécessite une conception compétente.

Nous vous expliquerons quelles sont les caractéristiques pour choisir les principaux nœuds de travail du système, et nous détaillerons les options possibles de distribution de la canalisation et les moyens d'organiser le circuit de chauffage.

Caractéristiques techniques des principaux nœuds du système

Le schéma forcé diffère du schéma naturel par l'ajout d'une ou plusieurs pompes de circulation. En raison de l'augmentation de la pression et de la vitesse du fluide caloporteur, les règles de formation des nœuds et de disposition des éléments du circuit changent.

Ce fait doit être pris en compte pour assurer un chauffage de qualité à circulation forcée.

Exigences générales pour le groupe de pompage

Les circulateurs sont choisis en fonction des exigences de débit d'eau (mètres cubes par heure) et de hauteur manométrique (mètres). Le calcul des deux paramètres dépend du volume du logement chauffé, du mode de chauffage, ainsi que de la longueur du circuit d'eau et du diamètre de ses tuyaux.

Il convient de choisir une pompe dont les paramètres ne sont pas “au plus juste” par rapport aux exigences du système. Cela permettra d'ajouter des éléments au circuit si nécessaire sans avoir à remplacer la pompe.

La plupart des pompes sont conçues pour une tension de 220 volts, mais il en existe également qui supportent 12 volts. En cas de fluctuations de tension, il est nécessaire d'installer un stabilisateur pour éviter que l'appareil ne tombe en panne.

En cas de coupures de courant fréquentes, vous devez veiller à disposer d'un onduleur. Il n'est pas nécessaire de prendre un UPS puissant – pour chauffer des maisons privées, on utilise rarement des appareils consommant plus de 150 Watts par heure.

On peut diviser les circulateurs en deux types selon la position du moteur. Les appareils à rotor sec ont un rendement plus élevé, mais présentent un niveau de bruit plus important et une durée de vie plus courte que ceux à rotor humide.

Si la distribution du système permet une circulation naturelle du fluide caloporteur dans le circuit, la pompe doit être montée via un “bypass”. Dans ce cas, en cas de panne ou de coupure de courant, il est possible de basculer le chauffage en mode circulation gravitaire.

L'eau peut également circuler à travers une pompe à l'arrêt, mais celle-ci créera une forte résistance à son mouvement.

Le choix d'un modèle de pompe pour un système de chauffage spécifique se fait en déterminant le point de fonctionnement et en vérifiant sa conformité aux valeurs requises de débit du fluide caloporteur (+).

Le problème de l'arrêt de la pompe est particulièrement pertinent lors de l'utilisation d'un chauffage par poêle ou cheminée. Dans ce cas, le poêle continue de chauffer l'échangeur de chaleur et il est possible que l'eau y bouille, ce qui pourrait endommager durablement l'ensemble du système.

Il est préférable d'effectuer le montage de la pompe sur le tuyau de retour, car la température plus basse de l'eau permettra de prolonger sa durée de vie. Si vous n'avez pas la possibilité d'installer la pompe ailleurs que sur le tuyau sortant de la chaudière, alors vous devez utiliser une pompe avec des joints en céramique.

Bien qu'elles supportent des températures allant jusqu'à 110°C, en cas d'ébullition du système, elles peuvent également rencontrer des problèmes de fonctionnement.

En montant la pompe dans le circuit via un by-pass, on obtient non seulement des conditions de fonctionnement normales pour la circulation naturelle, mais aussi la possibilité de retirer la pompe sans avoir à vidanger l'eau.

Des informations utiles sur le choix des pompes de circulation pour le système de chauffage sont présentées dans les articles suivants :

1. Choix de la pompe de circulation : dispositif, types et règles de sélection de la pompe de chauffage
2. Pompe de circulation pour chauffage : les dix meilleurs modèles et conseils aux acheteurs

Subtilités du choix des chaudières et des poêles

L'utilisation de chaudières électriques et à gaz, ainsi que de poêles à combustion longue, en tant que générateurs de chaleur est attrayante du point de vue de la simplicité du contrôle de l'apport de chaleur via l'échangeur thermique.

L'utilisation de poêles à combustible solide, en particulier de constructions artisanales, peut entraîner une production de chaleur insuffisante ou excessive. Cependant, leur utilisation est souvent justifiée du point de vue du faible coût et de la disponibilité du combustible.

Actuellement, de nombreux modèles de chaudières électriques et chaudières à gaz avec pompe intégrée sont disponibles. D'un côté, le système de circulation intégré est adapté à la puissance de la chaudière et permet de ne pas avoir à acheter et installer une pompe séparée. De l'autre côté, en cas de panne de la pompe intégrée, il ne sera pas aussi facile de la réparer ou de la remplacer qu'une pompe séparée.

Une chaudière électrique avec pompe intégrée est une solution prête à l'emploi et compacte pour l'intégrer dans un circuit à circulation forcée.

Les exigences pour la chaudière lors de l'utilisation d'une circulation forcée sont les mêmes que pour une circulation naturelle :

• Calcul de la puissance de la chaudière – l'indicateur doit répondre aux besoins de chauffage de la maison dans les conditions les plus rigoureuses pour une région donnée. Il est souhaitable de prévoir une petite marge de puissance (10-20%) en raison d'éventuelles circonstances imprévues qui pourraient survenir dans le système de chauffage.
• Prévention de l'ébullition du fluide caloporteur dans l'échangeur de chaleur. Cette exigence est plus facile à satisfaire avec la combinaison “poêle – pompe” qu'avec un modèle de mouvement gravitaire du fluide.

Pour éviter l'ébullition de l'eau dans l'échangeur de chaleur de la chaudière, il suffit de mettre en place une régulation de la puissance en fonction de la température du fluide sortant. Cette méthode fonctionne pour tout type de circulation.

L'unité de commande du mode de fonctionnement de la chaudière à combustible solide inclut une fonction de démarrage de la pompe lorsque la température atteint des valeurs critiques à la sortie de l'échangeur de chaleur.

Pour les poêles à circulation naturelle, il n'est pas possible d'empêcher l'ébullition du fluide caloporteur en cas de charge excessive de combustible. La seule option, en présence d'une pompe, reste d'augmenter le volume de liquide circulant à travers l'échangeur de chaleur.

De plus, un tel système anti-défaillance peut être rendu automatique à l'aide d'un thermostat et d'un module de régulation de la vitesse de la pompe.

Installation et vérification du circuit d'eau

Avec un système de chauffage à circulation forcée, les vitesses de déplacement de l'eau sont plus élevées que dans un modèle gravitaire. Par conséquent, on peut utiliser des diamètres de tuyaux plus petits pour des paramètres de chauffage du bâtiment identiques. Cela réduit le coût du chauffage à eau en ce qui concerne les dépenses en tuyaux, raccords et vannes.

De plus, les éléments de circuit de plus petit diamètre sont plus faciles à dissimuler dans des niches techniques ou à intégrer dans l'intérieur des pièces.

Par rapport à la circulation naturelle, la pression hydrostatique de la colonne de liquide sera augmentée par la pression hydrodynamique accrue du flux. Par conséquent, pour éviter la formation de fuites, voire une rupture du système, il est nécessaire de respecter certaines règles.

En cas de passage de la circulation gravitaire à la circulation forcée, il faut éliminer toutes les fuites, même mineures, dans le circuit. Lorsque la pression augmente, le débit des fuites s'accroît, ce qui, outre le problème dans la pièce, entraînera une diminution de la quantité de fluide caloporteur et une aération excessive (saturation en air).

Avant le début de la période de chauffage, il est nécessaire d'effectuer des tests hydrauliques de résistance du circuit avec la pression maximale utilisée, voire légèrement supérieure. Cela permettra de détecter les problèmes et de les résoudre avant l'arrivée du froid, lorsqu'un arrêt prolongé du chauffage pour réparation est indésirable.

Une fuite des radiateurs de chauffage peut survenir dans les endroits les plus inattendus et la résolution du problème prendra beaucoup de temps, il est donc préférable de vérifier l'intégrité du système à l'avance.

Étant donné que la vitesse de déplacement du fluide caloporteur sera supérieure à 0,25 m/s, conformément au SNiP 41-01-2003, il n'est pas nécessaire de maintenir une pente constante des tuyaux pour évacuer l'air du circuit. Par conséquent, avec une circulation forcée, l'installation des tuyaux et des radiateurs est un peu plus simple qu'avec un système par gravité.

Options de chauffage à circulation forcée

L'utilisation de la circulation forcée permet de s'écarter du principe de conception du circuit avec prise en compte obligatoire de la différence de pression hydrostatique nécessaire au fonctionnement d'un système par gravité.

Cela ajoute de la variabilité dans la modélisation de la géométrie du circuit d'eau et offre la possibilité d'utiliser des solutions telles que le chauffage collecteur ou le plancher chauffant de grande surface.

Utilisation de la distribution supérieure et inférieure

Tout système de chauffage peut être classé comme distribution supérieure ou inférieure. Dans la distribution supérieure, l'eau chaude monte au-dessus des appareils de chauffage, puis en redescendant, elle chauffe les radiateurs. Dans la distribution inférieure, l'eau chaude est fournie par le bas. Chaque option a ses avantages.

La distribution supérieure est également utilisée dans la circulation naturelle. Par conséquent, les circuits de chauffage de ce type permettent d'utiliser les deux types de circulation. Cela offre d'une part un choix, et d'autre part augmente la fiabilité du système.

En cas de panne de courant ou de panne de la pompe, le mouvement de l'eau dans le circuit se poursuivra, bien qu'à une vitesse réduite.

Une bonne pression permet de choisir entre la distribution supérieure et inférieure, en tenant compte de la commodité d'acheminement des tuyaux qui amènent le fluide caloporteur aux radiateurs (+)

Avec l'utilisation de la distribution inférieure, la longueur totale des tuyaux est moindre, ce qui réduit les coûts de réalisation du système. De plus, il n'est pas nécessaire d'installer des colonnes montantes à l'étage supérieur, ce qui est bénéfique pour la conception des pièces. Le tuyau d'alimentation en eau chaude inférieur est posé soit dans la cave, soit au niveau du sol du premier étage.

Variétés de schémas de raccordement monotube

Le schéma monotube utilise le même tuyau pour amener l'eau chaude aux radiateurs et évacuer l'eau froide vers la chaudière. Avec ce type de distribution, la longueur des tuyaux utilisés est presque réduite de moitié, et le nombre de raccords et de vannes d'arrêt diminue.

Cependant, le chauffage des radiateurs se fait en série, donc lors du calcul du nombre de sections, il est nécessaire de prendre en compte la diminution progressive de la température du fluide caloporteur fourni.

Le raccordement en série des radiateurs à l'aide d'un seul tuyau pour l'alimentation en fluide caloporteur est souvent utilisé dans les maisons modernes pour minimiser les coûts des matériaux et simplifier les travaux d'installation.

Les schémas monotubes peuvent être réalisés en versions horizontale et verticale. En circulation forcée, dans le cas de l'utilisation de colonnes verticales, il est possible d'alimenter en eau chaude non seulement par le haut, mais aussi par le bas.

L'opportunité d'utiliser telle ou telle variante dépend non seulement de la commodité du passage des tuyaux, mais aussi du nombre maximal admissible de radiateurs sur une même colonne du circuit monotube.

Il existe deux façons de connecter les radiateurs de chauffage :

• Connexion en série – le fluide caloporteur traverse tous les radiateurs. Dans ce cas, un nombre minimal de tuyaux est nécessaire, mais en cas de besoin de couper l'un des radiateurs, il faudra arrêter toute la branche du système.
• Connexion par bypass – le fluide caloporteur peut contourner le radiateur via une dérivation installée. À l'aide d'un système de vannes, il est possible de rediriger le flux en dehors du radiateur, ce qui permet sa réparation ou son démontage sans arrêter le chauffage.

Le schéma monotube est souvent utilisé pour le chauffage, mais en présence d'un grand nombre de radiateurs, on utilise une autre variante pour leur chauffage uniforme.

Les schémas monotubes offrent de nombreuses variantes de réalisation en circulation forcée, il est donc assez facile de choisir une solution adaptée à la géométrie spécifique des pièces (+)

Modes d'utilisation de la variante bitube

Le schéma du circuit de chauffage utilisant un deuxième tuyau pour évacuer l'eau refroidie vers la chaudière est appelé système bitube. La longueur des tuyaux augmente, tout comme le nombre de raccords et d'appareils.

Cependant, le système présente un avantage important – chaque radiateur reçoit un fluide caloporteur à la même température. Cela rend la variante bitube très attrayante.

Dans le chauffage à eau à circulation forcée, on utilise des distributions horizontale et verticale. De plus, dans la variante verticale, il est possible d'utiliser une alimentation en eau chaude par le haut ou par le bas.

Le schéma bitube d'alimentation et d'évacuation de l'eau, combiné à la connexion diagonale du radiateur, offre un rendement thermique maximal dans la pièce

Comme la température de l'eau fournie à tous les radiateurs est identique, la géométrie des circuits ne dépend que des facteurs suivants :

• économie de matériaux – minimisation de la longueur des tuyaux et du nombre de raccords ;
• facilité de passage du circuit de chauffage à travers les murs et les planchers ;
• attrait esthétique – possibilité d'intégrer les éléments de chauffage dans l'intérieur des pièces.

En fonction du mouvement de l'eau chaude et de l'eau refroidie, les schémas bitubes sont divisés en deux types :

1. Parallèle. Le mouvement dans les deux tuyaux se fait dans la même direction. Le cycle de circulation du fluide caloporteur a la même longueur pour tous les radiateurs de cette partie du système, donc leur vitesse de chauffage est identique.
2. Impasses. Dans un schéma parallèle, les radiateurs situés plus près de la chaudière chauffent plus vite. Cependant, pour les systèmes à circulation forcée, cela n'a pas une grande importance en raison de la vitesse élevée de l'eau dans le circuit.

Lors du choix entre l'option parallèle et l'option en impasse, on se guide par la facilité de mise en place du tuyau de retour. Dans les schémas verticaux avec distribution inférieure, on obtient un système en impasse, et avec distribution supérieure, un système parallèle.

Utilisation du collecteur de distribution de chauffage

Une autre méthode populaire d'organisation du chauffage actuellement est la création d'un schéma collecteur. Dans une certaine mesure, ce schéma peut être considéré comme une sous-espèce du système bitube, bien qu'il soit également utilisé dans l'organisation de circuits de chauffage monotube.

Seulement, la distribution du fluide caloporteur chaud et la collecte du fluide refroidi ne se font pas à partir de la colonne montante principale, mais à partir de dispositifs nodaux de distribution spéciaux – les collecteurs. Un tel système fonctionne de manière stable uniquement avec une circulation forcée.

La distribution radiale par rapport à la distribution bitube nécessite la présence d'un collecteur, d'une plus grande longueur totale de tuyaux, d'un plus grand nombre de raccords et de vannes d'arrêt.

Le nœud de distribution pour un système bitube est une combinaison complexe de collecteurs d'alimentation et de retour, qui assure une distribution du fluide caloporteur équilibrée en température et en pression.

Chaque branche de l'appareil alimente un élément de chauffage ou un petit groupe de ceux-ci. Les branches sont généralement situées sous le plancher ; chaque étage d'un immeuble à plusieurs niveaux est desservi par un collecteur central installé.

Malgré les avantages évidents de cette option d'organisation du chauffage, le système collecteur présente deux inconvénients majeurs :

• la plus grande longueur des canalisations, par conséquent cette option d'organisation du circuit d'eau nécessite des investissements financiers considérables ;
• la difficulté de modifier le circuit – les tuyaux dans cette option sont généralement situés sous le plancher ou dans les murs, donc en cas d'ajout d'appareils de chauffage, il sera très difficile d'apporter des modifications.

Tous les collecteurs sont généralement montés dans une armoire spéciale, car les vannes d'arrêt y sont également situées et doivent être accessibles. Le placement des robinets au même endroit est très pratique.

En cas de besoin d'activer ou de désactiver les radiateurs ou en cas de situation anormale, il suffit d'avoir accès à l'armoire et il n'est pas nécessaire de visiter toutes les pièces.

Les collecteurs de distribution peuvent avoir une structure simple, composée de deux peignes et d'un minimum de vannes d'arrêt. Les unités complexes peuvent également inclure des thermostats automatiques, des vannes électroniques, des mélangeurs, des purgeurs d'air automatiques, des capteurs et des unités de contrôle, un robinet de vidange, ainsi qu'une pompe de circulation séparée.

Ces systèmes permettent de réguler avec précision la température de la maison, mais nécessitent une bonne compréhension des bases et des nuances du fonctionnement du chauffage à eau.

Chauffage par plancher chauffant

L'un des modes de chauffage les plus confortables est considéré comme l'organisation du plancher chauffant. Il est important de noter que l'installation de ce type de chauffage dans les pièces à vivre, les salles de bain, les cuisines et autres pièces est assez complexe.

Un plancher chauffant à eau de grande surface n'est possible qu'avec une circulation forcée, car il est nécessaire de créer une pression dans un long système de tubes étroits.

La pression est nécessaire pour surmonter la résistance des tubes étroits comportant de nombreux coudes. De plus, il faut obtenir une pression permettant d'évacuer l'air des tubes du plancher chauffant, qui sont placés horizontalement.

Il existe un grand nombre de combinaisons de pose des tubes :

• pour les petites pièces, on utilise des schémas avec une entrée pour l'eau chaude et une sortie pour l'eau refroidie ;
• pour les grands espaces, on met en place des systèmes de plancher chauffant plus complexes avec l'utilisation d'un collecteur de distribution.

Il n'est pas rare d'installer des pompes de circulation séparées pour les fragments du circuit de plancher chauffant.

L'utilisation d'un collecteur est justifiée pour les grandes surfaces de plancher chauffant, lorsque les calculs montrent qu'un seul tube peut ne pas suffire au chauffage.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Exposé détaillé d'un schéma de chauffage bitube et assez complexe pour une maison à deux étages :

Système de type fermé pour une maison à trois étages basé sur une chaudière à gaz :

L'utilisation de pompes dans le chauffage à eau des locaux facilite considérablement la conception du circuit, rendant possibles des options inaccessibles pour le modèle gravitaire. Le choix approprié de l'équipement permettra de résoudre le problème du chauffage du logement, en rendant ce processus pratique et simple.

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