Instrumentation de surveillance

Installation à circuit fermé (Vase d'expansion sous pression d'azote)

Les installations de chauffage doivent être équipées d'au moins :

• Un thermomètre
• Un manomètre

Installation à circuit ouvert (Vase d'expansion ouvert à l'air libre)

Aucunes exigences, sauf spécifications contraires dans les instructions d'installation des fabricants de générateurs.

Sécurité à la pression :

Pour éviter toute surpression dans une installation fermée (Vase d'expansion sous pression d'azote), chaque générateur (Chaudière bois, poêle hydro, cuisinière bouilleur, etc.), doit être équipé d'au moins d'une soupape de sécurité. Elle sera installée en partie supérieure de la chaudière sans interposition d'un organe d'obturation totale ou partielle.

Souvent équipée d'un manomètre gradué cette soupape de sécurité à la pression est généralement tarée à 3 bar.  En cas de dépassement de cette pression, cette vanne s'ouvre et laisse s'échapper l'eau vers l'égout, évitant ainsi la surpression.

Une baisse de la pression du circuit diminue la température d'ébullition.

• 100°C pour l'eau à pression atmosphérique.
• 120°C pour l'eau à une pression de 2 bar.

A noter que les installations « à vase ouvert » dont le tube de sécurité ne remplit pas toutes les conditions stipulées dans le DTU 65.11, sont assimilables à des installations fermées donc l'obligation d'installer une soupape de sécurité, un manomètre, un thermomètre, etc.

Sécurités hydrauliques et expansion

Les « dispositifs matériels efficaces » de sécurité ont pour but d'assurer, de façon permanente et sûre, les fonctions suivantes :

• Permettre l'évacuation d'un excédent d'eau à la suite d'une défaillance éventuelle des organes de régulation de température ou de conduite des feux,
• Eviter le manque d'eau aux générateurs,
• Assurer la protection de l'ensemble des dispositifs de sécurité et d'expansion contre le gel.

Fonction d'expansion :

Permettre, en marche normale, les variations de volume de l'eau de l'installation du fait de sa dilatation et de sa contraction. On distingue :

• Les installations sans communication avec l'atmosphère
• Les installations en communication permanente avec l'atmosphère

Fonction de limitation de température ou de pression :

• Limiter la température de l'eau dans une installation de chauffage à la valeur maximale prévue, et pour les installations dites « à eau chaude Basse Température », en tous cas à 105° C.
• Eviter toute surpression dans une installation fermée.

VASE D'EXPANSION FERME (Sans communication avec l’atmosphère)

Le vase d'expansion doit être raccordé sur la canalisation « retour » de l'installation. Il doit comporter un dispositif manœuvrable (normalement fermé) de purge de gaz et un dispositif manœuvrable (normalement fermé) de vidange.

La capacité utile du vase d'expansion doit être au moins égale au volume correspondant à la dilatation de l'eau contenue dans l'installation entre 0 °C et 105 °C, soit 4,8% en dilatation.

Il est recommandé, pour des raisons d'ordre pratique, de donner à la capacité utile du vase d'expansion, un volume supérieur au minimum imposé. (Volume utile généralement admis est de 6% du volume total en eau de l’installation y compris le ballon tampon)

La position du vase d'expansion dans l'installation de chauffage détermine le point neutre du système. À cet endroit, la pression statique, ou pression finale est toujours constante indépendamment du fonctionnement de la pompe de circulation.

Cette position doit être choisie de telle façon que la pression d'aspiration de la pompe soit suffisante pour assurer un fonctionnement correct de la pompe, c'est-à-dire pour éviter tout risque de cavitation. D'une manière générale, le vase d'expansion doit être raccordé sur le retour chaudière, le plus près possible de celle-ci et en amont du circulateur.

Le point de remplissage doit se trouver entre le raccordement du vase d'expansion et l'aspiration de la pompe de circulation.

Dispositifs de sécurité à prévoir en plus avec un vase d'expansion fermé

Avec la mise en place d'un vase d'expansion fermé, il est impératif de prévoir en complément :

• Une soupape de sécurité sur ou en sortie de chaudière (Sécurité contre la surpression d'eau)
• Une soupape de sécurité thermique (Sécurité contre la surchauffe de l'eau)

Vase d'expansion haute température

La température de l'eau qui pénètre dans le vase d’expansion à membrane devrait si possible être le plus faible possible comme sur le retour de la chaudière et inférieure à 70°C ce qui au contraire avec des installations thermiques à forte inertie comme le chauffage au bois par exemple en cas d’arrêt intempestif de la pompe de circulation peut provoquer une surchauffe avec une température bien au-delà des 70°C.

Il faut dans ce cas-là prévoir un vase d’expansion pour haute température ou dans le cas contraire pour limiter le risque la mise en place d’un réservoir tampon intermédiaire placé entre le point de branchement sur le réseau chauffage et l’installation du vase d’expansion permettant d’éviter que l’eau à forte température entre en contact avec la membrane du vase d’expansion. Son volume doit si possible au moins être égal à 20 % du volume d'eau de dilation de l’installation.

Ce volume tampon doit être tout en longueur pour favoriser la stratification de l’eau et sans isolation thermique permettant une meilleure dissipation de la chaleur. Le raccordement doit se faire coté circuit chauffage par le haut et coté vase d'expansion par le bas.

VASE D'EXPANSION OUVERT (En communication permanente avec l’atmosphère)

Compte tenu de l’évolution des techniques, l’utilisation de ce type de vase est pratiquement limitée à certaines installations équipées de chaudières à combustibles solides (bois, charbon, etc.)

Positionnement de la pompe vis à vis du vase d'expansion

Position P1 : Mauvaise Cette position nuit à la libre expansion et augmente la ligne d'eau dans le vase, créant une perte d'eau Position P2 : Acceptable Cette position abaisse la ligne d'eau dans le vase Position P3 : Bonne L'expansion se fait dans un vase à la pression atmosphérique (vase ouvert à l'air libre) placé au point le plus haut de l'installation.

Dispositions générales (DTU 65.11 - 5.2.1.1)

Les vases d'expansion à l'air libre doivent être munis d'un évent et d'un tuyau de trop-plein protégés contre les risques de bouchage. Le tuyau de trop-plein doit être dimensionné de manière à pouvoir évacuer le débit massique maximal susceptible d'être contenu dans l'installation (ceci peut être obtenu en portant le diamètre du tuyau de trop-plein à une taille au-dessus de celui du tuyau de remplissage).

Les vases d'expansion à l'air libre ainsi que les tubes de sécurité, d'évent et de trop-plein doivent être conçus et disposés de manière à éviter tout risque de gel. Il faut donc éviter les pertes thermiques et calorifuger soigneusement le vase,

La capacité utile du vase d'expansion doit être au moins égale au volume correspondant à la dilatation de l'eau contenue dans l'installation entre 0 °C et 105 °C, soit 4,8% en dilatation. Comme pour les vases d’expansion fermés, le volume utile sera au minimum de 6% du volume total en eau de l’installation.

L'évacuation du trop-plein par le système d'évacuation d'eau pluviale est interdite.

Vase d’expansion ouvert (Ce montage ne permet pas d’assurer la sécurité contre les surchauffes)

Dispositif de sécurité

Les générateurs de chaleur doivent être reliés à un vase d'expansion à l'air libre et à une tuyauterie de mise à l'air libre. Le vase d'expansion doit être ouvert sur l'atmosphère.

La tuyauterie d'alimentation et d'expansion doit être raccordée à la partie inférieure du vase d'expansion. Sauf spécification contraire dans les instructions d'installation du fabricant du générateur, les diamètres intérieurs minimaux des tubes de sécurité-mise à l'air libre et d'alimentation-expansion doivent être les suivants :

Tube de mise à l'air libre :

Tube d'alimentation — expansion :

Dans les équations :

• ds et dfe sont le diamètre intérieur des tuyaux, en mm ;
• j est la puissance thermique nominale du générateur de chaleur, en kW.

Contraintes d’installation

L'isolement des tubes de mise à l'air libre et d'alimentation-expansion ne doit pas être possible.

Les tubes de sécurité doivent par ailleurs répondre aux spécificités ci-après :

• le point de jonction d'un tube de sécurité avec les circuits de chauffage doit se situer à la partie supérieure du ou des générateurs qu'il dessert, et le plus près possible de la sortie de ces derniers ;
• tout tube de sécurité doit être en principe vertical. Il peut, à la rigueur, comporter une partie d'allure horizontale à condition que dans cette partie la tuyauterie soit néanmoins en pente constamment ascendante vers le vase.

Si l'une des conditions du présent paragraphe n'est pas remplie, et en particulier si le tube de sécurité comporte des contre-pentes ou des siphons, la chaudière devra être équipée d'une vanne de sécurité thermique.

Dans ce dernier cas, la distance entre la partie verticale de la tuyauterie et le ou les générateurs doit être au plus égale aux valeurs indiquées sur le schéma ci-dessous.

Vase d’expansion ouvert avec chaudière à forte inertie calorifique (Bois,  etc.)

Exemples de générateurs ayant un foyer de forte inertie calorifique :

• générateurs à charbon automatiques ou manuels ;
• générateurs à fuel à briquetage réfractaire important, etc.

Dans le cas où une installation comporte un ou plusieurs générateurs ayant des foyers de forte inertie calorifique raccordés à un réseau de distribution fonctionnant par pompe, des dispositions particulières doivent être prises pour permettre en cas d'arrêt accidentel de la circulation du fluide chauffant, l'établissement d'une circulation naturelle entre ce ou ces générateurs et le vase d'expansion.

Pour les appareils à combustible solide, un circuit de distribution de chaleur doit être prévu pour fonctionner en situation de surchauffe.

Exemple de solution pour la réalisation d'un circuit direct générateur-vase d'expansion (cas des générateurs comportant un foyer à forte inertie calorifique)

Vase d’expansion ouvert (Ce montage permet d’assurer la sécurité contre les surchauffes)

Pour les appareils à combustible solide, un circuit de distribution de chaleur doit être prévu pour fonctionner en situation de surchauffe comme par exemple le «coup de feu» à la chaudière permettant en cas d'arrêt accidentel de la circulation du fluide chauffant, l'établissement d'une circulation naturelle entre ce ou ces générateurs et le vase d'expansion permettant l’évacuation de l’excès de chaleur voire de la vapeur produite.

Le diamètre de la canalisation de mise en circulation du vase d'expansion :

  où :

• d est exprimé en mm ;
• P est la puissance du ou des générateurs desservis exprimée en kW.

Mise en place d’une vanne électromagnétique normalement fermée. L'ouverture est commandée par un défaut de circulation dans le réseau principal ou sur manque de courant.

Dans ce cas, la capacité utile du vase d'expansion doit être déterminée en fonction de l'inertie calorifique des foyers de ce ou ces générateurs, et, en tout état de cause, ne doit pas être inférieure à 20 % du volume de l'eau contenue dans l'installation.

Ceci correspond à une véritable contrainte dans le cas d’un stockage d’énergie par hydro-accumulation. Il est préférable de s’orienter vers la mise en place d’un vase d’expansion fermé.

Exemple : Chauffage bois, chaudière bois, vase expansion contre les surchauffe

NOTA :

Dans le cas où il n’est pas prévu le dispositif de circulation naturelle entre le générateur et le vase d'expansion ouvert, il faudra prévoir une vanne de sécurité thermique au niveau de la chaudière. La capacité utile du vase d’expansion sera ramenée à 6% du volume utile.

Préambule

Il est impératif dans tous les cas de d’installation « vase d’expansion fermé» ou vase d’expansion ouvert non pourvu d’un montage pour mise en circulation naturelle.

Il doit être constitué obligatoirement d’une soupape de sécurité thermique simple ou double en injection ou sur une bouteille anti-ébullition ou sur le corps de chauffe.

Un foyer à combustible solide doit être installé de telle sorte que les calories produites lors d'une surchauffe soient dissipées. Deux cas se présentent :

• Surchauffe du ralenti : La chaudière débite encore 15 à 20% de sa puissance nominale.
• Surchauffe de pleine allure : La chaudière débite la totalité de sa puissance et peut atteindre jusqu'a 150% de la puissance nominale. C'est le cas lorsque les la chainette du calorstat est coincée, etc....

La soupape thermique protège les chaudières de chauffage central contre le risque d'emballement comme pour les chaudières à combustible solide tel que le bois et le charbon, elle est simple ou double.

Tarée aux alentours de 95 à 100°C elle va permettre d'injecter de l'eau du réseau (froide) dans l'appareil de chauffage, tout en évacuant le surplus à l'égout. La vanne se fermera automatiquement dès que la température redescendra au-dessous de 95°.

Cette sécurité laisse le circuit sans manque d'eau après son action, elle est fréquemment jumelée à un limiteur de pression réseau si le réseau est à plus de 2.5 bars.

On trouve différentes soupapes de sécurité thermique, comme par exemple :

1. La soupape de sécurité thermique raccordée sur le serpentin anti-ébullition intégrée à la chaudière.
2. La soupape de sécurité thermique externe à la chaudière avec remplissage intégré (Chaudière en acier en général)
3. La soupape de sécurité thermique associée avec une bouteille anti-ébullition externe à la chaudière (Chaudière fonte en général)

1 : Soupape de sécurité thermique utilisée avec le serpentin anti-ébullition intégré sur le générateur de chaleur.	2 : Soupape de sécurité thermique avec remplissage intégré (réinjection d'eau froide incorporé) pour les générateurs de chaleur sans serpentin anti-ébullition	3 : Soupape de sécurité thermique placée sur bouteille anti-ébullition externe pour des chaudières fonte en général (Imposé par le fabricant) au cas où il n'est pas possible d'installer un vase d'expansion ouvert selon les règles en vigueur.

Serpentin anti-ébullition intégrée à la chaudière.

La chaudière est équipée d’un serpentin anti-ébullition mis en place par le fabricant. La soupape de sécurité thermique est installée sur la tuyauterie de sortie du serpentin.

La sonde s’installe sur la partie haute de la chaudière ou sur la tuyauterie de départ avant tout organe de réglage et à 50 cm maximum de la chaudière.

Quand la température limite est atteint 95°C, la soupape laisse échapper l’eau chaude du serpentin vers l’égout et admet une quantité équivalente d’eau froide provoquant ainsi une circulation d’eau dans le serpentin permettant de refroidir la chaudière.

Il faut vérifier la conformité du système antipollution de l’eau froide sanitaire.

Dans la plupart des cas un clapet anti-retour est indispensable sur l’alimentation de l’eau froide du serpentin anti-ébullition.

La soupape de sécurité thermique externe à la chaudière avec remplissage intégré (Chaudière en acier en général)

Il est possible sur des chaudières ou des réchauffeurs de foyer en acier, d'injecter l'eau de refroidissement directement dans le retour du circuit de chauffage. L'acier ne risque pas un éclatement comme la fonte.

Le dispositif combine dans un même appareil, la soupape de sécurité thermique et une vanne d’alimentation en eau froide qui fonctionnent simultanément, le tout commandé à distance par un bulbe de température à capillaire à sécurité positive. Lorsque la soupape s’ouvre, cette vanne d’alimentation garantit la circulation de l’eau et refroidit le foyer, préservant ainsi l’intégrité de la chaudière

Le doigt de gant du bulbe de température, fourni avec la soupape, doit être monté sur la tuyauterie de départ ou sur la partie haute de la chaudière et avant la tuyauterie de décharge de la soupape, à une distance maximum de 0,5 m de la chaudière.

Bouteille anti-ébullition externe à la chaudière (Chaudière fonte en général)

Certains fabricants de chaudières en « fonte » ont cet inconvénient de ne pas proposer un système de boucle de refroidissement intégré à la chaudière qui permettrait de les utiliser avec un vase fermé.

Dans ce cas on a soit la possibilité d’installer, soit :

• Un vase d’expansion à l’air libre
• Un refroidisseur extérieur type « bouteille anti-ébullition », raccordé en thermosiphon et refroidi avec de l'eau de ville, comme tous ces systèmes de sécurité qui sont asservis à une soupape  thermique. Cette option est assez onéreuse. (Chaudière fonte)

Principe de fonctionnement

La circulation d’eau de chauffage ne se fait pas « coupure de courant, arrêt du circulateur » Le circuit en thermosiphon s’établit, la sonde de la soupape étant influencée par la température de la chaudière limite à 95°C,

la soupape thermique s’ouvre ceci permet l’écoulement de l’eau de ville à travers le serpentin conservant ainsi l’eau sous forme liquide et non vapeur, le foyer de la chaudière se refroidira sans subir de choc thermique.

La sonde de la soupape thermique devra être implantée au plus près du départ eau de chauffage de la chaudière à l’aide d’un doigt de gant.

Les tuyauteries de départ et de retour ne doivent comporter aucune vanne d’arrêt susceptible d’isoler le bouilleur de l’installation à chauffer et de ses organes de sécurité

Sécurités hydrauliques sur les générateurs de chaleur à combustibles solides

Les chaudières à combustible solide fonctionnent à des régimes très variables. Le bois sec pour le chauffage peut contenir encore le cas échéant 25% d’humidité, il faut donc éviter tous risques de condensation en maintenant le retour dans la chaudière à une température d'au moins 56°C

Pour éviter l’apparition de la corrosion dans la chaudière, la circulation entre la chaudière et les émetteurs de chauffage y compris le stockage d'énergie s’il existe doit être inexistante aussi longtemps que la température de retour à la chaudière n'a pas atteint la température de 60….70°C.

Le montage du réseau hydraulique permettant la protection de la chaudière contre les retours froids consiste à créer un by-pass entre le départ et le retour de la chaudière avec l’installation d’une vanne trois voies thermostatique directionnelle associée à une pompe de recyclage sur la chaudière.

La vanne thermostatique permet de recycler entièrement l'eau de départ de la chaudière vers le retour, afin d'atteindre rapidement la température idéale de fonctionnement dans la chaudière. Lorsque la température de consigne est atteinte l'eau chaude commence à réchauffer progressivement le départ du circuit chauffage et le ballon de stockage s’il existe.

L'eau de retour du ballon est mélangée à l'eau de recyclage, ce qui permet d'éviter un retour trop froid et la formation du point de rosée dans la chaudière. Lors de la chauffe normale, la vanne assure la circulation entre la chaudière et le circuit de distribution chauffage.

La pompe de recyclage est pilotée par le thermostat réglé sur 55…60°C et placé sur la chaudière ou sur le départ permettant son fonctionnement que lors de l’utilisation de la chaudière.

On trouve principalement deux types de montages :

• Montage N°1 - Montage simple à réaliser. En cas de défaillance du circulateur, il y a risque d'emballement et donc de montée très forte de la température sur la chaudière.
• Montage N°2 - Il est plus sûr tout en étant un peu plus compliqué à réaliser. Il présente l'avantage de pouvoir fonctionner en thermosiphon en cas de défaillance du circulateur.