Si on suit les documents techniques des fabricants, le volume du vase d'expansion est déterminé exclusivement en fonction du volume d'expansion du système hydraulique et de la pression d'azote du vase d'expansion.

Cette approche n'est pas bonne, le vase d'expansion ne sert pas seulement à recevoir l'eau par accroissement d'expansion, mais il agit également comme réservoir d'eau servant à compenser des pertes dues aux fuites sur le système hydraulique sur une certaine période de temps.

Avec le vase d'expansion ouvert traditionnel, le remplacement des pertes de fuite de l'eau a lieu automatiquement en raison de la hauteur du réservoir et donc par conséquent d'une pression statique plus élevée de remplissage d'eau.

Dans le cas d'un réservoir fermé à membrane, le volume d'azote tampon de l'autre côté du diaphragme doit compenser les pertes d'eau se produisant dans les conditions normales de fonctionnement.

Cependant c'est seulement possible quand :

• Une réserve d'eau suffisante complémentaire est accordée dans la détermination du dimensionnement du vase d'expansion
• La pression du système hydraulique même lorsque le système est froid est toujours plus importante que la pression statique.
• La relation entre la pression dans le système hydraulique et le diaphragme du réservoir d'expansion est tel que quel que soit les conditions de fonctionnement, il y aura toujours de l'eau disponible dans le réservoir d'expansion et qui en raison de la pression d'azote retournera dans le système hydraulique même en cas de fuite d'eau dans système hydraulique.
  

Afin de réaliser cette situation, le système de chauffage exige en conséquence l'installation d'un vase d'expansion plus conséquent et doit même dans l'état de l'installation à froid être rempli à une pression plus élevée que la pression initiale d'azote dans le vase d'expansion.

Les Fig. 1 et 2 expliquent les méthodes incorrectes précédentes de remplissage qui ne fournissent pas un bon approvisionnement en eau du réservoir.

1. La pression de remplissage dans l'installation et la pression initiale d'azote sont identique. Il n'y a aucune possibilité d'un approvisionnement du réservoir.
2. La pression initiale de remplissage de l'installation est plus grande que la pression d'azote. La perte d'eau est automatiquement substituée.

Quelle taille le réservoir de l'eau devrait-il être?

Il est recommandé que le réservoir contienne en plus 1% du volume entier de l'eau avec un minimum de 2 ou 3 litres quel que soit le cas du type de système hydraulique.

Etant donné que la pression initiale de l'azote n'est pas toujours identique à la pression statique du système hydraulique, il faut que soit :

• la pression du système hydraulique soit augmentée à la valeur de la pression du volume d'azote,
• la pression d'azote soit ajustée ou réduite à la pression de la hauteur statique du système hydraulique.

La première méthode est recommandée, car elle n'exige aucun outil spécial.

Le calcul du diaphragme d'un vase d'expansion peut être effectué très facilement en appliquant l'une des deux formules suivantes:

1°/ - Volume d'eau du système hydraulique (Ve) < = 300 litres:

2°/ - Volume d'eau du système hydraulique (Ve) > 300 litres:

• Vn = volume nominal du vase d'expansion en litres
  
• Ve = volume d'eau dans le système hydraulique
  
• P1= pression initiale en bar absolu (pa = hauteur statique du système de chauffage ou de la pression initiale choisie dans le vase d'expansion)
  
• p2 = pression finale en bar absolu (P2 = 2,0 +1,013 = 3,013)
• n = coefficient d'expansion de l'eau dans le système hydraulique en pourcentage (voir formule ci-dessous).

• p1 = masse volumique de l'eau à la température de remplissage en kg/m3
• p2 = masse volumique de l'eau à la température de fonctionnement de l'installation en kg/m3

Le résultat de la variation de volume en fonction de cette formule de calcul peut être obtenu avec le diagramme ci-dessous en fonction de la température en régime de fonctionnement.

Exemple de calcul :

• Ve = 1414,23 litres en volume d'eau dans l'installation
• P2 = 3,0 bar + 1,013 bar = 4,013 bar absolu en pression normale de fonctionnement
• Te = 90°C - Température d'eau en fonctionnement normal
• hauteur statique = 6 m
• P1 = 1,0 bar + 1,013 bar = 2,013 bar absolu - Pression initiale minimum = 0,6 bar - pression initiale sélectionnée en bar = 1,0
• n = 3,58 % d'expansion d'eau (10°C à 90°C) soit 50,66 litres en volume d'expansion d'eau
• fe = 2,01 (facteur de pression sur l'installation) = P2 / (P2 - P1)
• Vexp = 101,65 litres (Volume utile du vase d'expansion)
• 14,14 litres (1% du volume en eau de l'installation pour sécuriser les fuites d'eau occasionnelles dans le système hydraulique)
• Vn = 130,02 litres - Volume nominal du vase d'expansion = (50,66 + 14,14) * 2,01.
  

Comme vous pouvez voir dans cet exemple, bien que l'installation dispose seulement d'une hauteur statique de 6 m, elle est traitée comme si elle avait une hauteur statique de 10 m afin de satisfaire le calcul avec une pression initiale standard d'azote de 1,0 bar.

Maintenant, on peut calculer exactement la pression de remplissage exigée pour remplir le vase d'expansion du système. Cependant ce procédé est maladroit, il est recommandé d'opérer comme suit :

Le remplissage initial du système devrait être appliqué jusqu'à hauteur de la pression de tarage de la soupape de sécurité et le système de chauffage devrait être mis en service jusqu'à la température de fonctionnement maximum. De cette façon, l'eau en excès sera expulsée après que le système se refroidisse, le volume entier utilisable du vase d'expansion sera alors disponible. En même temps, un contrôle sur la fonction des dispositifs de sécurité aura été exécuté.

Vous devez faire attention pour vous assurer que la pression de système à froid soit au moins de 0,2 bar au-dessus de la pression de remplissage d'azote du vase d'expansion. L'aiguille rouge du manomètre de pression devrait être ajustée sur une pression de remplissage d'azote de la barre +0,2.

Pourquoi le réservoir d'approvisionnement en eau est-il si important?

Si l'installation de chauffage est remplie seulement à la pression initiale d'azote du vase d'expansion comme c'est généralement le cas, et que alors l'installation est mise en fonctionnement normal, l'expansion de l'eau exercée dans le vase d'expansion produit une pression plus élevée que la pression initiale d'azote du réservoir. Toutes les parties du système hydraulique sont donc en état surpressurisé. Cependant pratiquement tous les systèmes hydrauliques perdent de l'eau due à des fuites ou à des opérations de dégazage, particulièrement durant les premiers mois de fonctionnement.

En outre, chaque filetage ou équipement divers représente une fuite potentielle. Sur ces endroits, la vapeur d'eau se répand constamment, dépendant de la température et des propriétés d'étanchéité relatives à ces joints. L'eau qui s'échappe du système hydraulique par ce processus, est complétée par l'eau contenue dans réservoir d'expansion.

Si ensuite le système se refroidit en raison des conditions de fonctionnement telles que notamment en réduction de nuit ou durant les périodes demi saison par exemple, il y a insuffisamment d'eau pour maintenir le système totalement rempli et inévitablement la partie plus élevée du système de chauffage, souffrira des conditions à basse pression.

Cette basse pression, notamment aux endroits ou sont placés les dispositifs de dégazages automatiques même aux entrées d'air, contribue à un enrichissement de l'eau de chauffage par l'oxygène. Naturellement, il n'est pas nécessaire de demander aux experts d'expliquer dans le grand détail, les effets que l'oxygène et l'eau ont sur les composants tels que les canalisations en acier. Il est donc important que chaque système de chauffage, quelque soit l'emplacement ou des conditions de fonctionnement dispose d'une pression suffisante.

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

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

Suivant la position de la pompe par rapport au vase, la pression moyenne à l'intérieur du vase, sera modifiée :

Avec ce type de montage, l'évolution de la pression montre qu'il y a des risques de dépression dans le circuit hydraulique avec pour conséquence des risques d'entrée d'air.

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.

Un mauvais emplacement du vase d'expansion peut occasionner des dysfonctionnement. D'une manière générale le vase d'expansion doit :

• Etre placé en amont du circulateur (à l'aspiration du circulateur) où la pression minimale doit être conservée pour éviter les phénomènes de cavitation.
• Etre implanté le plus près possible du générateur de chaleur de sorte que la perte de pression entre le vase et la chaudière reste la plus faible possible et que la pression minimale de fonctionnement de la chaudière ne soit pas modifiée.
• Etre placé à l'endroit où la température de l'eau est la plus basse en l'occurrence sur la canalisation de retour vers la chaudière afin de prolonger la durée de vie de la membrane. La température maximale indiquée par le fabricant de la membrane ne peut pas être dépassée.
• comporter un dispositif manœuvrable (normalement fermé) de purge de gaz et un dispositif manœuvrable (normalement fermé) de vidange.

Quelle que soit la l'importance de l'installation, il est interdit de placer plusieurs vases d'expansion sur différents points de l'installation. Si plusieurs vases sont installés, il doivent obligatoirement se trouver l'un à côté de l'autre et branchés sur une canalisation commune raccordée sur le retour du circuit hydraulique. Ce sera le cas pour les grosses installations ou les vases d'expansion seront séparé en deux pour garantir une sécurité de fonctionnement en cas de défaillance d'un des deux.

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

Instrumentation de surveillance

Installation à circuit fermé

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

• Un thermomètre
• Un manomètre

Installation à circuit ouvert

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

Sécurité et expansion

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

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 sécurité :

• 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 ;
• éviter le manque d'eau aux générateurs ;
• assurer la protection de l'ensemble des dispositifs de sécurité et d'expansion contre le gel.

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.

Sécurité à la pression :

L'installation d'une soupape de sécurité DN20 (3/4), tarée à 3 bar avec manomètre est obligatoire. 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 tarée à 3 bars.  En cas de dépassement de cette pression, cette vanne s'ouvre et laisse s'echapper l'eau vers l'égout, évitant ainsi la sur-pression.

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

• 100°C pour l'eau à pression athmosphérique.
• 120°C pour l'eau à une pression de 2 bars.

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 manoeuvrable (normalement fermé) de purge de gaz et un dispositif manoeuvrable (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 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.

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 meilleur dissipation de la chaleur. Lle 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.)

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 fermé, 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, l'installation devra répondre aux spécifications du paragraphe 5.3 (voir Figure 9 ).

Dans ce dernier cas, la distance entre la partie verticale de la tuyauterie et le ou les générateurs doit être au plus égale à celle fixée par la Figure 5 . Figure 5 Déport maximal du tube de sécurité

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.

NOTA :

Dans le cas ou 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.

Dernière mise à jour :