Introduction

Ces vingt dernière années, les matériels hydraulique de régulation, statiques ou télécommandés ont énormément évolués, et doivent êtres sélectionnés avec beaucoup plus de rigueur sous peine;
- dans le moins pire des cas, ne servir à rien.
- dans le pire des cas, nuire au fonctionnement rationnel des installations.
La chasse au rendement, plus financier que technique d'ailleurs, est ouverte, cela se traduit par marchés travaux avec obligation de performance, et donc des cahiers des charges pointus.

Si les matériels de production thermique moderne, qui visent à moins consommer d'énergie en maîtrisant la température des fumées, et moins polluer par l'abaissement des NOx rejetés, sont relativement facile à sélectionner, il n'en va pas de même pour le dimensionnement du couple des boucles hydraulique primaire/secondaire.
Leurs interactions négative est difficilement mises en évidence avant l'exploitation réelle des bâtiments.
Bien souvent c'est la société chargée de la conduite de ces installations, l'exploitant présent sur le terrain en permanence, qui mets en évidence les erreurs de conception au fur et à mesure des réclamations pour inconfort thermique.
Mais une fois les installations réceptionnées et le transfert de responsabilité effectué il est très difficile de faire "bouger les choses"

Une vanne d'équilibrage TOUR ET ANDERSON

La pression

Si vous pouviez observer un fluide, un gaz ou un liquide, de très près, vous verriez que les molécules qui le composent vont et viennent à leur guise, mais se heurtent en permanence les unes aux autres.
Cela représente des millions de chocs par seconde pour une molécule, elles se heurtent également aux parois du récipient qui les contient éventuellement ou à tout objet situé dans le fluide.
Tout objet en contact avec un fluide subit donc les chocs des molécules du fluide, même si en apparence le fluide est immobile, c'est juste que nos yeux sont très loin de pouvoir voir les molécules, trop petites et trop rapides.

Il subit donc une force, qu'on appelle la pression. C'est la force avec laquelle le fluide immobile en apparence appuie sur les objets avec lesquels il est en contact.
La pression que l'air exerce sur n'importe quel objet, nous compris, est énorme.
Imaginez une cloche de verre posée sur un sol bien lisse, il vous ai, en temps normal, facile de la soulever, par contre si on fait le vide à l'intérieur, cela vous sera sans doute bien plus difficile.
En faisant le vide, on supprime en effet la pression que l'air exerce de l'intérieur de la cloche vers l'extérieur, il ne reste que la pression de l'extérieur vers l'intérieur, soulever une cloche de 10 centimètres de rayon équivaudrait à soulever un poids de plus de 300 kilos !

Cette pression est dû au poids de l'atmosphère au dessus de nous.
L'air c'est léger, mais quand il y en a des kilomètres, ça commence à faire lourd.
Le poids de l'air au dessus d'un carré d'un mètre sur un mètre est en gros de 10 tonnes.
Cette pression, bien que dû au poids au dessus de nous, s'exerce dans toutes les directions.
C'est le propre des fluides, si vous prenez un ballon et que vous appuyez dessus, il a tendance à s'élargir, parce qu'il transmet la pression que vous exercez dessus sur les côtés.
Ce n'est pas le cas avec un solide, si vous appuyez dessus, cela n'appuie pas plus sur les côté, mais seulement en dessous.

La pression atmosphérique explique pourquoi les ventouses collent, en appuyant sur une ventouse, vous chassez une partie de l'air qui se trouve en dessous.
Du coup, la pression sur la ventouse vous empêche de la décoller, c'est aussi, au passage, le principe de la colle usuelle (pas la superglu), les bulles d'air qu'elle renferme, une fois qu'on a bien appuyé, jouent le rôle de minuscules ventouses.

C'est enfin ce qui explique que les pots de confitures soient si difficiles à ouvrir quand ils sont neufs, on les a fermés avec de l'air très chaud au dessus.
En refroidissant, cet air s'est contracté, il n'exerce qu'une toute petite pression vers l'extérieur, du coup, la pression atmosphérique rend le pot très difficile à ouvrir.
Le truc consiste à essayer de soulever un peu le couvercle à l'aide d'un objet un peu pointu, pour faire entrer de l'air, ça rendra les choses beaucoup plus faciles.

La poussée d'Archimède

Si vous avez déjà fait de la plongée, vous devez savoir que plus on descend profond dans l'eau, plus la pression augmente.
Comment le comprendre ? En imaginant que vous plongiez votre main dans l'eau, paume vers le haut.
Vous ressentez à ce moment là la pression, c'est à dire la force exercée par l'eau sur votre main.
Cette force, c'est le poids de l'eau qui se trouve au dessus de votre main, or, plus vous descendez profond, plus le poids de l'eau au dessus de vous est important, donc en fait, plus la pression est importante, voici pourquoi en descendant, la pression de l'eau augmente.

Bon, en fait, il n'est pas important que votre main soit effectivement tournée vers le haut. Les fluides transmettent la pression dans toutes les directions.
Vous auriez ressenti la même pression si vous aviez tourné votre main de tous les côtés, en restant à la même profondeur, ce qui compte, c'est seulement la profondeur, et donc combien d'eau il y a au dessus de vous.

Voyons maintenant ce qu'on appelle la poussée d'Archimède.
Si on plonge une sphère dans de l'eau, la pression de l'eau au bas de la sphère est plus grande que la pression en haut de la sphère d'après ce qu'on vient de voir.
En effet, le bas de la sphère est plus profond, donc là ou la pression est plus grande, donc l'eau appuie moins au dessus qu'au dessous.
Au final, la sphère ressent donc une force dirigée vers le haut, exercée par l'eau, cette force provient de la différence de pression entre le haut et le bas de la sphère, on l'appelle poussée d'Archimède.

Quelle est l'intensité de cette force ?
Il est important de comprendre si cette force est grande ou non.
Si cette force est plus grande que le poids d'un objet, l'objet est poussé vers le haut, et reste à la surface: il flotte, c'est le cas des morceaux de bois, en général.
Si cette force est plus petite que le poids d'un objet, c'est le poids qui gagne, et l'objet coule, c'est le cas des cailloux.
C'est donc cette force qui détermine si un objet coule ou flotte.

Prenons notre sphère de tout à l'heure, et imaginons un instant qu'à sa place, on ait de l'eau.
L'eau à la place de la sphère n'aurait aucune raison de flotter ou de couler, elle serait restée sur place.
En fait, c'est que son poids aurait été compensé exactement par la poussée d'Archimède, et c'est ça qui est important, car la sphère subit exactement la même poussée d'Archimède que l'eau qu'on imaginait à sa place, autrement dit, la sphère subit une poussée d'Archimède égale en intensité au poids de l'eau qui aurait été contenue dans le volume occupé par la sphère, mais dirigée vers le haut.

Admettons par exemple que la sphère ait un volume d'un litre, un litre d'eau a une masse d'un kilo, donc la poussée d'Archimède qui s'exerce sur la sphère est dirigée vers le haut, et égale au poids d'un kilo.
Donc deux solutions soit la boule fait plus d'un kilo, auquel cas elle coule et on dit qu'elle est plus dense que l'eau, ou alors la boule fait moins d'un kilo, et on dit qu'elle est moins dense que l'eau, la poussée d'Archimède est plus forte, la boule flotte.

Définition:
Le débit (q) est une quantifie le fluide relative à une unité de temps qui passe au travers d'une section, elle se mesure en m3/s.
Nota: Généralement dans nos études, hormis pour mesurer la vitesse, l'unité de temps seconde [s] est peu employée.

Deux débits sont utilisés en fonction des besoins, le débit volumique (qV) et le débit massique (qm).
Si pour des calculs "on traite" de la matière, on utilisa le débit massique (qm), si l'on "traite" des volumes on utilisera le débit volumique (qV).

Déterminer une masse (m) débitant au travers d'une section durant un temps (t): qm = m / t [kg/h]

Déterminer un volume (V) débitant au travers d'une section durant un temps (t): qV = V / t [m3/h]

Convertion des débits massique / volumique et inversement.

Pour convertir les débits, il faut utiliser la masse volumique/densité.

-de (qV) vers (qm): L'eau à 4° à une masse volumique (densité) de 1000 kg/m3, pour un débit volumique de 10 m3/h nous aurons donc: qm = 10 x 1 000 = 10 000 kg/h

-de (qm) vers (qV): L'eau à 4° à une masse volumique (densité) de 1000 kg/m3, pour un débit massique de 10 000 kg/h nous aurons donc qV = 10 000 / 1 000 = 10 m3/h

Lors des conversions, il faut veiller à l'uniformité des unités.
Ex: Quel est le débit massique [qm] du débit volumique [qV] de 46 l/min d'une densité de 1030 kg/m3 (eau de mer) ?

- On passe des l/min au l/h : 46 l/min x 60 = 2 760 l/h
- On passe des l/min au m3/h = 2 760 / 1 000 = 2,76 m3/h
- D'ou qm = 1 030 x 2,76 = 2 842,80 kg/h

Relation entre débit et vitesse

- qV [m3/s] = S x v
- qm [kg/s] = S x v x D
Avec
- S = Section [m²]
- v = Vitesse [m/s]

Continuité du débit massique

Lors de l'écoulement d'un fluide [qm] mesuré en deux points distants sur une durée donnée [ t ] le débit massique est conservé qm1 = qm2
qm1 = (m1/t) = (m2/t) = qm2

Continuité du débit volumique

Nous avons vu précédemment que qm1 = (m1/t) = (m2/t) = qm2
En découle: qv1 x ρ1 = qv2 x ρ2
On peut en conclure que si la masse volumique reste constante: ρ1 = ρ2 et qv1 = qv2, le débit volumique étant conservé, il s'agit d'un fluide incompressible.
Sinon, si la masse volumique change : ρ1 différend ρ2 et qv1 différend qv2, le débit volumique n'étant pas conservé, il s'agit d'un fluide compressible.

Pour aller plus loint, un ouvrage comme le "mémento de physique technique" de R. Cadiergues (1974) apparait comme un outil précieux.

Equilibrage hydraulique d'une installation

Bon nombre de gestionnaires d'immeubles perdent un temps considérable à gérer des doléances récurrentes bien identifiées relatives à l'inconfort thermique de certains logements.
Cet inconfort résulte dans la plupart des cas à un désordre hydraulique, qui a pour origine une mauvaise répartition du fluide caloporteur (certains émetteurs sont "suralimentés, d'autre sous-alimentés en fluide caloporteur).

Les effets sont connus, certains logements atteignent difficilement la température de confort, alors que d'autres plus proches de la source de production de la chaleur, sont surchauffés, et oblige les occupants à réguler la température ambiante en ouvrant les fenêtres (régulation dite par les fenêtres et dont le coût est sociabilisé au travers des charges).

Alors que les puissances de production thermique et des radiateurs installées dans les logements sont généralement bien dimensionnés, cette puissance n'est pas transmise rationnellement à l'installation.
La cause en est, pour l'essentiel, l'absence de la juste répartition du débit hydraulique sur l'ensemble des boucles et émetteurs chargés d'assumer cette mission.
Pour cette raison, il est essentiel d'obtenir les débits requis dans les conditions de dimensionnement initial, ce qui garantit la possibilité d'obtenir toute la puissance nécessaire quelque soit les conditions de travail (variation de la température extérieure).
C'est le rôle de l'équilibrage.

L'équilibrage hydraulique de l'installation consiste à répartir rationnellement le débit total à l'aide des matériels techniques nécessaires.
Cette opération peut-être réalisée dans les trois axes suivants:

- a) Boucle primaire
Les unités de production doivent être équilibrées pour obtenir les débits corrects dans chaque chaudières.
Dans la plupart des cas, il est aussi important de maintenir constant le débit dans chaque unité de production.
- b) Boucles secondaire
Le système de distribution doit être équilibré de sorte que chaque unité terminale (radiateur) soit assurée de pouvoir recevoir à toutes les charges de l'installation, au moins son débit de calcul.
Cette condition doit être obtenue tout en garantissant la compatibilité entre le débit de production et le débit de distribution.
- c) Boucles primaire et secondaire
Pour ce faire, des "outils" permettant le contrôle et l'ajustement de ces débits doivent être disposer sur ces deux boucles. Ces d'outils, sont généralement, des vannes dites d'équilibrage, permettant de maîtriser la résistance hydraulique (les pertes de charge) par ajustement au traitement de la boucle à équilibrer, des thermomètres et manomètres. L'absence de ces "outils", rend très difficile, voir impossible un équilibrage de qualité.

2. Notions élémentaires de base et mode opératoires
L' étude préliminaire des plans de l'installation permet de comprendre comment elle a été conçue.
Les boucles de régulation sont identifiées, ainsi que les conduites principales, les colonnes, les branches et unités terminales.
L'installation étant ainsi divisée en modules logiques, elle devient "compréhensible".
Il est indispensable de mettre à jour un schéma de principe unifilaire débarrassé des éléments qui ne concerne pas l'opération proprement dite.

3. Notions élémentaires de base (suite)
Lorsqu'on ajuste un débit à l'aide d'une vanne d'équilibrage, le débit et des pertes de charges se modifient dans l'ensemble du réseau.
Généralement les pertes de charge varies comme le carré du débit, inversement le débit varie comme la racine carré
des pertes de charge.
La pression différentielle appliquée sur les autres vannes d'équilibrage se modifie perturbant les débits déjà réglés.
En fait, les circuits sont interactifs.
Ce qui distingue essentiellement les différentes méthodes d'équilibrage est la manière dont des pris en compte cette interactivité.
Certaines méthodes sont conçues pour compenser cette interactivité, d'autres n'assurent pas cette compensation et il est alors nécessaire de corriger le débit à plusieurs reprises à chaque vanne jusqu'à obtenir plus ou moins les débits requis.

Deux méthodes sont généralement mises en œuvre
- la méthode proportionnelle
- la méthode compensée

La méthode proportionnelle
Une variation de pression différentielle appliquer sur un circuit engendre une modification du débit dans les unités terminale dans les mêmes proportions.
C'est sur ce principe fondamental qu'est basé la méthode proportionnelle.
Cette méthode implique la mesure de l'ensemble des débits dans toute les parties de l'installation.
Toutes les vannes équilibrage sont ouvertes complètement ainsi que les vannes de régulation.
Il faut procéder à l'ajustement de la vanne de régulation principale pour obtenir 100 % du débit de calcul.
Il est nécessaire de mesurer l'ensemble des débits de toutes les colonnes de déterminer le rapport:

R = débit mesuré / débit de calcul

Puis, on sélectionne la colonne caractérisée par le rapport de débit le plus élevé.
L' équilibrage débute par cette colonne, puis on procède à l'équilibrage de la colonne dont le rapport de débit est directement inférieur à celui de la première colonne équilibrée, ainsi de suite pour toutes les boucles et colonnes jusqu'à obtention des débits nécessaires par essais successifs.

La méthode compensée
La méthode compensée est un développement de la méthode proportionnelle.
Le principe et de maintenir constant et à la valeur 1 tous les rapports de débit.
Avec cette méthode, il n'est pas nécessaire de mesurer préalablement l'ensemble des débits dans toutes les les parties de l'installation.
On élimine ainsi de longue procédure en préliminaire rendu très difficile par le fait que certains débits sont tellement faible qu'ils ne sont pas mesurables.

Le mélange de fluides

On peut déterminer le débit à "prélever sur un réseau primaire connaissant les température et débit nécessaires au secondaire.

Ou:
q1 est le débit primaire souhaité (m3)h
q2 est le débit secondaire nécessaire m3/h)
t1a est la température aller primaire (°C)
t2a et t2r sont les températures secondaires (°C pour régime maximum)

Exemple pour données:

t1a = 105°
q2 = 10 m3/h
t2a = 90°
t2r = 70°
Débit nécessaire à prélever au primaire = 5,7 m3/h