Tout sur l'équilibrage hydraulique statique et automatique

Par Patrick DELPECH pour la société MAPSEC

Pour les responsables techniques et décideurs (maîtres d’ouvrage, syndic, etc.), les nouveautés du secteur, les pièges à éviter et les conditions de bonne réalisation des équilibrages hydrauliques et thermiques.

LA PROBLEMATIQUE

Sur un même circuit de chauffage, la présence simultanée de locaux trop chauds et de locaux peu chauffés est symptomatique du très répandu défaut d’équilibrage.
Quelle qu’en soit la véritable origine, mauvais réglage hydraulique, erreurs de dimensionnement, opération d’isolations hétérogènes, etc., les déséquilibres peuvent être corrigés par le réglage de robinets dits d’équilibrage, pour autant que ceux-ci soient correctement répartis et suffisamment accessibles.

Le problème n’est pas nouveau !

Extrait de « La grande lessive » de Jean Pierre Mocky

Quelle qu’en soit la véritable origine, mauvais réglage hydraulique, erreurs de dimensionnement, opération d’isolations hétérogènes, etc., les déséquilibres peuvent être corrigés par le réglage de robinets dits d’équilibrage, pour autant que ceux-ci soient correctement répartis et suffisamment accessibles.

Figure n°1 : Té de réglage et robinet volumétrique IMI Hydronic

Le réglage à effectuer consiste à brider les robinets des antennes favorisées de telle sorte que leur débit diminuant, celui des antennes défavorisées augmente.

Le principe de réglage est donc facile à comprendre, mais sa mise en œuvre beaucoup plus délicate.
Le présent dossier développe dans quelles conditions une opération d’équilibrage hydraulique se déroulera correctement, particulièrement sur les installations existantes.

L'ANALYSE ET LE SAVOIR FAIRE DES BUREAUX D’ETUDE

D’une façon générale, une distribution d’eau de chauffage ne peut être facilement équilibrée et son état d’équilibrage maintenu dans la durée, que s’il a été prévu des robinets d’équilibrage accessibles, en dehors des locaux occupés.

Si l’installation n’est pas trop ancienne, cela a normalement été prévu par les bureaux d’études lors de la conception de l’installation par l’installation de robinets dits de 2^ème niveau d’équilibrage, situés dans les sous-sols, les vides sanitaires, voire les cages d’escalier et en tout état de cause à l’extérieur des locaux occupés.

Figure 2 : Robinets de 1^er et 2^ème niveau d’équilibrage

Sur les circuits qui ne disposent que de robinets d’équilibrage installés sur les radiateurs, il y a lieu de faire étudier la distribution par un bureau d’étude ou un expert en équilibrage pour faire déterminer les possibilités d’installation de robinets accessibles de 2ème niveau. Il permettra d’assurer la pérennité de l’équilibrage.
Notons que l’équilibrage du circuit sera alors d’autant plus efficace, que le nombre d’émetteurs « contrôlés » par les robinets de 2ème niveau sera modéré avec un nombre optimal de 5 à 10 unités.

En règle générale sur les installations existantes, le seul réglage du 2^ème niveau d’équilibrage (et des niveaux supérieurs) suffit à l’obtention d’un résultat correct. S’il devait quand même subsister des désordres sur quelques antennes particulières, il sera toujours possible d’aller localement en effectuer l’équilibrage complémentaire. Celui-ci pourra correctement s’effectuer car le groupe d’émetteurs correspondant aura préalablement été normalement alimenté par le bon réglage de son robinet de 2^ème niveau.

Evidemment, si un plan d’accès à l’ensemble des locaux peut être envisagé, l’installation complémentaire de la dernière génération de robinet thermostatique dynamique aidera à l’obtention d’un résultat optimal. Ces robinets disposent d’une possibilité de réglage interne du débit sur chaque émetteur. Bien réalisés, ces réglages permettront en théorie de s’affranchir de l’équilibrage de 2^ème niveau. Celui-ci reste cependant très souhaitable pour garantir, par son accessibilité, le maintien de l’équilibrage dans la durée.

Figure 3 : Robinets thermostatiques hydrauliquement dynamiques Danfoss
 

L'ANALYSE ET LE SAVOIR FAIRE DES INDUSTRIELS

Trois générations de robinets d’équilibrage coexistent.

1^ère génération : les robinets ou vannes d’équilibrage statiques et non volumétriques.
Ces robinets ne permettent pas la mesure des débits en circulation.

Figure 4 : Robinets d’équilibrage non volumétriques

Deux méthodes permettent de régler les robinets d’équilibrage statiques non volumétriques :

• Simulation hydraulique des distributions
• Uniformisation des températures de retour des antennes à équilibrer

La simulation hydraulique des distributions suppose le relevé détaillé de la distribution (longueurs des tronçons, diamètres, etc.), la détermination du comportement hydraulique des robinets installés et le calcul des débits à régler sur chaque antenne.

Sur les installations existantes, l’ensemble de ces données est complexe à réunir et l’encrassement réel des tuyauteries impossible à prévoir. Les incertitudes engendrées limitent les chances d’aboutir facilement à un bon résultat et il vaudra mieux procéder par uniformisation des températures de retour.

2ème génération : les robinets ou vannes d’équilibrage statiques et volumétriques
Ces robinets statiques permettent la mesure des débits en circulation.

Figure n°5 : Robinets d’équilibrage volumétriques statiques Oventrop et Comap

Trois méthodes permettent de régler les robinets d’équilibrage statiques et volumétriques :

• Simulation hydraulique des distributions
• Réglage et contrôle des débits par mesure sur site
• Uniformisation des températures de retour d’eau des antennes à équilibrer

Si l’on écarte la première solution compte tenu des difficultés qu’elle présente sur les installations existantes, on notera que travailler par le réglage des débits nécessite également l’intervention d’un bureau d’étude pour la détermination du débit à régler sur chaque antenne à équilibrer.
De type statique, ces robinets ne savent pas prendre en compte leurs interactions hydrauliques. Le réglage de l’un est susceptible de dérégler les autres. On devra disposer d’une sérieuse méthodologie de type « Equilibrage proportionnel » ou « Equilog ».

Que l’on travaille par mesure des débits ou par mesure des températures, les robinets thermostatiques devront être en grande ouverture durant l’opération d’équilibrage. Pour la provoquer on travaillera en période hivernale avec une loi de chauffe abaissée.


3^ème génération : Les robinets ou vannes d’équilibrage dynamiques

Aujourd’hui les robinets d’équilibrage « dynamiques » gèrent les interactions hydrauliques entre les robinets. Certains modèles disposent d’une bague de réglage directement graduée en débit qui permet d’effectuer leur préréglage en toute saison.
Mais, l’équilibrage hydraulique ne désencrasse pas pas les canalisations trop obstruées et il sera très souhaitable de vérifier ultérieurement les débits ou les températures de retour effectivement obtenus, toutes robinetteries thermostatiques en grande ouverture. L’intégralité des robinets devra être contrôlée car il suffit d’une minorité d’antennes restant défavorisées pour devoir surchauffer l’essentiel du bâtiment.

On pourra utiliser les grilles de mesure présentée dans la fiche explicative FE28.

On distingue 2 types de robinets dynamiques :

• Les robinets ou vannes d’équilibrage « régulateurs de pression différentielle »

Figure n°6 : Robinets régulateurs de pression différentielle Honeywell et Danfoss

Sur une distribution équipée de robinets thermostatiques (Rth), lorsque ceux-ci se « ferment », l’écart de pression d’alimentation (DP) de l’antenne augmente. Cette augmentation de DP s’oppose alors à la fermeture des Rth.
Dans cette situation le robinet régulateur de pression différentielle constate l’augmentation du DP et se « ferme » pour le rétablir.

• 2^ème type de robinets d’équilibrage dynamiques : les robinets d’équilibrage automatiques (dits aussi auto-équilibrants ou indépendants de la pression d’alimentation ou PIBCV ou Régulateur de débit)

Figure n°7 : Robinets d’équilibrage dits « automatiques » IMI Hydronic

Ces robinets ont été conçus pour permettre le réglage d’une unique unité terminale telle qu’une batterie de chauffe de CTA ou de ventilo-convecteur.
Ils peuvent être motorisés et alors permettre la régulation de l’unité dans les meilleures conditions de fonctionnement hydraulique.

Ils sont parfois utilisés pour assurer l’équilibrage d’antennes comportant plusieurs émetteurs équipés de vannes de régulation 2 voies tels que des radiateurs équipés de robinets thermostatiques. Les robinets d’équilibrage automatiques se substituent alors aux robinets régulateurs de pression différentielle normalement prévus pour ce cas de figure.
Cette situation n’était pas prévue à l’origine et n’est pas évoquée dans les spécifications techniques des constructeurs. En effet, le fonctionnement du robinet d’équilibrage automatique n’est pas alors tout à fait optimal et dans cette situation s’apparente à celui d’un robinet d’équilibrage statique.

On pourra étudier le fonctionnement de ces robinets en consultant l’article : « Equilibrage automatique, les conditions du succès »
On notera dans les commentaires en fin de cet article le point de vue de 2 grands fabricants.
Ainsi, IMI - Hydronic précise :
« Sur l'installation de vannes automatiques (PIBCV, Régulateur de débit en l’occurrence) sur des réseaux à débit variable (logement équipé de robinets thermostatiques par exemple), nos positions d'experts ou d'industriels spécialistes de l'hydraulique nous imposent de tenir un discours techniquement irréprochable. Même si force est de constater le développement de la pose de PIBCV en entrée de logement, nous ne pouvons éthiquement pas encourager cette pratique. »
Plus pragmatique sur le même sujet, Oventrop indique que s’il y a une concession technique sur l’hydraulique, le réglage général obtenu avec des robinets automatiques est quand même bien meilleur que celui obtenu avec les robinets statiques et les robinets régulateurs de pression, car ceux-ci sont, le plus souvent, peu ou pas réglés.

LES METHODES D’EQUILIBRAGE

Sur les installations de chauffage collectif existantes, trois méthodologies de réglage des robinets d’équilibrage sont aujourd'hui utilisées.

• 1^ère méthode : Simulation du comportement hydraulique des réseaux

Sur les installations existantes, il est théoriquement possible d'effectuer les relevés nécessaires à l'estimation des débits et des pertes de charges des circuits pour en déduire par calcul le préréglage des robinets d'équilibrage. Il s'agit cependant d'un difficile "jeu de piste", sauf à exploiter des plans de distribution rarement disponibles.
Cette méthode concerne plutôt les installations neuves ou récentes qui ne présentent pas encore d’imprévisibles encrassements et sur lesquelles toutes les données de calcul nécessaires sont disponibles. La méthode se complètera d’une mesure de tous les débits ou des températures obtenus, toutes robinetteries thermostatiques en grande ouverture.

• 2^ème méthode : Calcul, réglage et contrôle des débits à véhiculer

La méthodologie consiste à calculer et régler les débits à véhiculer. Elle nécessite bien sûr la présence de robinetteries dites "volumétriques", statiques ou dynamiques, permettant la mesure des débits.
Elle n’est donc pas applicable aux robinets non-volumétriques tels que les simples tés de réglage installés en sortie de radiateurs, mais aussi en pied de colonne et surtout en retour des boucles de plancher chauffant.

Sur les installations existantes, pour la détermination des débits à régler, un bureau d’étude devra effectuer les relevés nécessaires à l'estimation des déperditions correspondant à chacune des antennes de chauffage à traiter.
Il devra pour cela calculer les déperditions des locaux standards et des locaux particuliers (sous terrasse, contre pignon, etc.). Puis, ce qui est souvent très délicat, il devra correctement les affecter à chacun des robinets à régler avant de les traduire en débit.

Le réglage des débits nécessite l'utilisation d’une mallette de mesure et, si les robinets ne sont pas dynamiques, l’utilisation d’une méthodologie particulière.
On pourra acquérir une de ces méthodes sur l’Eformation Xpair ou sur Simulateur.

Figure n°9 : Contrôle de débit Source Oventrop et mallette de mesure IMI Hydronic

Si les robinets à régler sont de type dynamique le préréglage des robinets peut s’effectuer sans utilisation de méthode particulière, et en toute saison si les modèle disposent d’une bague graduée en débit.

Lorsque tous les robinets dynamiques auront été préréglés, un équilibrage sérieux se conclura par la mesure ultérieure des débits ou des températures de retour tous robinets thermostatiques en grande ouverture.

L’intégralité des robinets devra être contrôlée car il suffit d’une minorité d’antenne restant défavorisées pour devoir surchauffer l’essentiel du bâtiment. On pourra utiliser les grilles de mesure présentée dans la fiche explicative FE28

• 3^ème méthode : Mesure et uniformisation en saison de chauffe des températures de retour d’eau

Cette méthodologie est à la fois la plus ancienne et la plus récente. Elle consiste, pour une température de départ fixe et abaissée, à uniformiser les températures de retour des antennes à régler. Aucune donnée initiale n’est necessaire puisque la méthode vise simplement à ce que toutes les antennes alimentées soient aussi chaudes les unes que les autres. Il est bien sûr possible d’ajuster des températures de retours différentiées si l’on dispose des éléments nécessaires à la correction des puissances distribuées.
Ce principe était connu des artisans mais s’effectuait lentement et par tâtonnement. Des recherches ont permis l’élaboration des algorithmes nécessaires à l’application rapide et industrielle du procédé. Des brevets ont été déposés en France et en Europe. Ils sont aujourd’hui copropriétés de l’Education Nationale et de la société MAPSEC. Sous la marque EQUILOG, le procédé est mis en œuvre pour le compte des grands bailleurs et des sociétés d’exploitation, dont certaines l’utilise sous licence.


Après équilibrage, les antennes présenteront des températures de retour et des écarts de température aller/retour comparables.

Figure n°11 : Uniformisation des températures d’eau d’un circuit de chauffage

On pourra étudier le principe de la procédure EQUILOG sur l’Eformation Xpair ou sur Simulateur.

La méthode souffre encore d’une image de « simplicité » et de lenteur due à son origine artisanale. Elle est en fait aujourd’hui sans doute la plus rapide et la plus efficace. Son principal avantage est de pouvoir s’affranchir de tous les calculs de déperditions ou de relevés d’installation sur les réseaux normalement dimensionnés. La méthode est de ce fait particulièrement adaptée aux circuits existants sur lesquels les archives sont rarement disponibles.

Figure n°10 : Contrôle de température d’eau Source Mapsec

L'ANALYSE ET LE SAVOIR FAIRE DES INSTALLATEURS

Il faut surtout bien distinguer les activités de désembouage (lorsque nécessaire) et celles d’installation de robinets d’équilibrage, de celle de leur réglage initial proprement dit.

En effet, quel que soit le type de robinet, il est tentant pour une entreprise d’installation ou de désembouage d’intégrer à sa proposition le poste de mise en service sans toujours être à même de pouvoir en définir tous les paramètres.

Evidemment on peut imaginer qu’une même société puisse répondre à l’ensemble d’une opération de rééquilibrage, mais il faut alors qu’elle dispose d’équipes aux savoirs-faire très différents, pratiques et théoriques.

D’une façon générale il faudra donc être extrêmement prudent dans le choix d'une entreprise candidate à une action d'équilibrage. Il s'agit d'une spécialité technique difficile et les contre-performances sont nombreuses car la vérification de la qualité du travail réalisé est difficile à effectuer.

Même si cela devait induire un surcout, on n’hésitera donc pas à dissocier les interventions de telle sorte que les phases d’étude et/ou de mise au point soient assurées par des spécialistes du sujet.

Un bon moyen de sélection sera de demander, lors de la consultation, le type de méthode qui sera utilisé, et de bien faire préciser les données qui seront restituées après l'opération.
Un quelconque flou ou une hésitation sur les réponses apportées sur l’un ou l’autre de ces 2 points sera sans doute le signe d’une prestation mal maitrisée.

Si l'entreprise travaille par mesure de débit ou par simulation hydraulique, on pourra ainsi demander que la proposition inclue la remise finale:

• Du calcul détaillé des déperditions en correspondance avec chaque robinet à traiter et ayant conduit à l'établissement des débits à régler. On pourra ainsi s'assurer que les débits visés ne sont pas le résultat de grossières estimations.
• D'une grille certifiée des débits mesurés à l’issue du réglage de tous les robinets (et ne pas se contenter de la grille des débits théoriquement prévus). On pourra ainsi s'assurer que les interactions hydrauliques entre les antennes à régler ont été effectivement prises en compte et si utile pouvoir le contrôler.

Si l'entreprise travaille par mesure des températures de retour, on pourra demander que la proposition inclue:

• Quelques références correspondantes ou mieux, la communication d'au moins un rapport détaillé d'une opération précédemment effectuée. On pourra ainsi s'assurer de l'expérience du candidat car si le principe de la méthode est ancien, il n'est vraiment maitrisé que depuis peu. Enfin, si l’intervenant se réclame de la méthode EQUILOG, on pourra lui demander sa licence d’exploitation.
• La restitution d'un graphique certifié, complet et détaillé des températures de retour mesurées, avant et après équilibrage, avec indication des températures de départ stabilisées pour lesquelles ces relevés ont été effectués. On pourra ainsi s'assurer de la qualité du travail réalisé.

RENTABILITE ET ECONOMIES D’ENERGIES

L’économie d’énergie découlant d’une opération d’équilibrage nécessite l’implication ultérieure du technicien en charge du réglage de sa régulation. En effet si l’équilibrage devait consister au final à ramener les locaux initialement les moins bien chauffés dans la situation des mieux chauffés, ce n’est pas une économie d’énergie que l’on obtiendrait…

Depuis janvier 2016, les opérations d’équilibrage sont intégrées au dispositif des Certificat d’Economie d’Energie pour un pourcentage forfaitaire d’économie d’énergie de 10%. On pourra consulter les fiches d’opération standardisées BARSE104 et BATSE103, et la fiche explicative fiche explicative FE28.

De leur côté, les grands réseaux primaires d’alimentation de sous-stations présentent également d’importants défauts d’équilibrage. Ceux-ci passent d’autant plus inaperçus qu’ils sont facilement compensés par une augmentation du débit et de la température au départ de la chaufferie.

Ces déséquilibres « primaires » ne sont pas en eux même source de surconsommation dans les bâtiments, car ceux-ci disposent en sous-station de leur propre régulation. Les déséquilibres sont par contre, à l’origine de surconsommations électriques, de pertes de chaleur dites « en ligne » et de la diminution des rendements de production sur la distribution primaire.

Ainsi, le réseau primaire du Centre d’Etude Atomique de Saclay qui alimente à débit variable 81 sous-stations pour une puissance installée de 89 MW a été équilibré par la méthode EQUILOG d’uniformisation des températures de retour. Il en a découlé une baisse de la consommation électrique de pompage de 17% et une amélioration sensible de la récupération d’énergie sur sa cogénération.

CONCLUSION

L’abaissement de la consommation énergétique de notre parc de chauffages collectifs existants repose sur l’isolation, le bon réglage des combustions, de la régulation et de l’équilibrage.

Malgré son influence majeure sur le réglage de la régulation et le rendement des chaudières à condensation (et des cogénérations), le dernier poste était jusqu’à présent le maillon faible.

Après une très longue pause, jamais le problème n’a autant été d’actualité.

Les progrès récents dans le domaine des robinetteries et de la mise au point devraient permettre de mieux exploiter un des plus importants gisements d’économie d’énergie restant disponible.

SOURCES ET LIENS

• MAPSEC : http://mapsec.fr
• Mise au point : www.mapsec.fr
• Eformation Xpair
• Simulateur hydraulique de chauffage

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