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Dispositif | Dimensionner les conduites pour diminuer les pertes de charge

Dimensionner les conduites pour diminuer les pertes de charge

Le bon dimensionnement des conduites du réseau hydraulique et des pertes de charge associées, permet d'éviter les surconsommations électriques et limite les coûts d'installation. Ce dispositif, fournit les principes de dimensionnement, ainsi qu'une méthode pratique et théorique, pour l'évaluation des diamètres de tuyauterie, basée sur les pertes de charge linéaires uniquement.

Quel contexte?

La conception du réseau hydraulique influence la consommation électrique des circulateurs en raison des pertes de charges, principalement induites par la vitesse de circulation de l'eau, le diamètre et les matériaux des conduites ainsi que par le tracé du réseau (longueur, coudes,...).

Dans le cas de la maison unifamiliale, le dimensionnement précis du diamètre des conduites a peu d'influence sur la consommation électrique étant donné les faibles besoins en chauffage et le nombre limité de circulateurs. Par contre, dans le cas du résidentiel collectif et du tertiaire , les besoins de chauffage et de refroidissement sont plus importants et variés en fonction des projets. Il est donc primordial de correctement dimensionner les conduites pour éviter des surconsommations énergétiques, pour garantir un bon équilibrage de l'installation hydraulique et pour limiter les coûts d'installation (en ne surdimensionnant pas les conduites).

Il existe deux types de pertes de charges:

  • les pertes de charge linéaires, induites par les tuyauteries,
  • les pertes de charge singulières, induites par les coudes, élargissements, équipements (vannes, tés, radiateurs,...), etc.

Dans le cadre du dimensionnement des conduites, l'attention est portée uniquement aux pertes de charges linéaires .

Quels schémas de distribution hydraulique?

Comme pour les conduits de ventilation (voir Conduits de ventilation), le schéma hydraulique peut être ramifié ou en étoile avec des connexions à des collecteurs.

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Collecteur

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Radiateur

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Producteur de chaleur

Schéma de conception hydraulique : à gauche en ramifié et à droite en étoile (Source: 3E)

Pour les installations neuves dans l'habitat ou le petit tertiaire (< 1000 m²), on privilégie le réseau en étoile. Dans ce cas-ci, les conduites (hors collecteurs) sont non visibles, coulées dans la chape ou intégrées dans les murs. On retrouve davantage le réseau ramifié dans le tertiaire et dans les habitations existantes où les conduites sont visibles.

Comment dimensionner les conduites de distribution hydraulique?

Quatre paramètres influencent le dimensionnement des conduites:

  • la vitesse,
  • le diamètre,
  • le débit,
  • les pertes de charges.

Pour le dimensionnement, il est possible d'utiliser une méthode théorique ou une méthode pratique , cette dernière étant basée sur l'utilisation de tableaux ou d'abaques.

Méthode théorique

  1. Déterminer le débit hydraulique

    Sur base de la puissance thermique P à véhiculer dans le circuit et de la différence de température ∆T, déterminer le débit hydraulique Q par la formule suivante.

    debithydraulique

    avec P en [W] et Q en [l/h]

    Les valeurs à prendre en compte pour les différences de température ∆T, dépendent des émetteurs :

    • radiateur, convecteur, ventilo-convecteur : ∆T = 20 °C
    • plancher chauffant : ∆T = 5 à 10 °C
    • émetteurs de refroidissement : ∆T = 5 °C (excepté pour une dalle active : ∆T = 4 °C)
  2. Déterminer le diamètre intérieur

    Sur base du débit hydraulique Q et d'une vitesse de référence v, déterminer le diamètre intérieur de la conduite d par la formule suivante:

    diamint

    avec d en [m], Q en [l/h] et v en [m/s]

    Les valeurs recommandées pour les vitesses de référence v, seront choisies en fonction du diamètre nominal de la conduite :

    • v = 0,4 m/s pour diamètres ≤ DN20
    • v = 1,0 m/s pour diamètres < DN100
    • v = 1,5 m/s pour diamètres < DN150
    • v = 2,0 m/s pour diamètres ≥ DN150
  3. Ajuster le diamètre en fonction des pertes de charge

    Ajuster le diamètre de la conduite pour que les pertes de charge [∆P] des conduites soient comprises entre 50 et 100 Pa/m.

    Voir les références suivantes:

    Enfin, le type de matériaux influence la perte de charge via son facteur de rugosité . Plus la rugosité est élevée, plus la perte de charge est élevée. Dans l'ordre croissant de la rugosité, on retrouve les matériaux suivants:

    • le cuivre neuf,
    • le PER (polyéthylène réticulé haute densité),
    • le PVC,
    • l'acier neuf
    • le cuivre entartré
    • l'acier rouillé.

Méthode pratique

En pratique, les bureaux d'études utilisent les abaques, les tables ou les règles à calculer des fournisseurs pour déterminer le diamètre de la conduite en fonction du débit (et parfois même directement de la puissance) et de la différence de température.

Les valeurs à prendre en compte pour les différences de température   ∆T, dépendent des émetteurs :

  • radiateur, convecteur, ventilo-convecteur : ∆T = 20 °C
  • plancher chauffant : ∆T = 5 à 10 °C
  • émetteurs de refroidissement : ∆T = 5 °C (excepté pour une dalle active : ∆T = 4 °C)

Ci-dessous sont présentés, à titre indicatif, des tableaux de valeurs pour des tuyauteries en acier et synthétiques.

Diamètre nominal V max [m/s] Puissance maximum (kW)
∆T=10K∆T=15K∆T=20K
DN100.40234
DN150.40357
DN200.426913
DN250.49121823
DN320.60253750
DN400.66375674
DN500.7976113151
DN650.80127191255
DN800.80175263351
DN1000.80296443591
DN1250.80447670894
DN1500.806549811308

Tableau indicatif pour le choix du diamètre des conduits en acier (Source: Rapport n°14 du CSTC )

Diamètre nominal V max (m/s) Puissance maximum (kW)
∆T=10K∆T=15K∆T=20K
DN120.511.01.62.1
DN140.511.62.53.3
DN160.663.14.66.1
DN170.703.85.77.6
DN180.724.56.89.1
DN200.766.39.412.5
DN260.8611.116.622.2
DN320.9220.030.040.0

Tableau indicatif pour le choix du diamètre des conduits synthétiques (Source: Rapport n°14 du CSTC )

Etudes de cas

Maison unifamiliale

Prenons le cas d'une maison unifamiliale existante de 150 m² desservant 3 étages avec une chaufferie en cave qui alimente le chauffage et l'eau chaude sanitaire par un réseau ramifié. 

Typiquement pour le logement individuel, étant donné qu'il n'y a pas de boucle de circulation d'eau chaude sanitaire, la conduite de l'eau chaude sanitaire est dimensionnée par rapport au réseau en eau froide de l'eau de ville. Généralement, le plombier prescrit une conduite de DN15.

La conduite de chauffage principale en acier dessert les 3 niveaux et apporte une puissance de 18 kW (120 W/m² x 150 m² = 18 kW). En se basant sur le tableau donnant le diamètre des conduits (méthode pratique), pour cette puissance et en considérant un ∆T = 20°C (les émetteurs sont des radiateurs), une tuyauterie de 1" soit DN25 est nécessaire.

La puissance nécessaire pour le chauffage d'un étage est de 6kW (18 kW / 3 étages = 6kW). Cette puissance est émise par 3 radiateurs de 2000 W, alimentés en ramifié par une conduite d'alimentation principale en acier de DN15. A noter que si le réseau est en étoile, cette conduite n'est pas nécessaire.

Le diamètre des conduites secondaires, en matériau synthétique (pour 2.000W), est de DN12. Ce diamètre varie bien évidemment en fonction du raccordement des radiateurs choisis. Si le diamètre de raccordement est supérieur, la perte de charge sera alors diminuée.

Logement collectif

Une trémie de logements collectifs neufs alimente 8 appartements. Chacun d'eux présente un besoin unitaire de 20 kW pour alimenter les radiateurs et l'eau chaude sanitaire (type combilus), soit 160 kW au total. En se basant sur le tableau donnant le diamètre des conduits (méthode pratique), pour cette puissance et en considérant un ∆T = 20°C (les émetteurs étant des radiateurs), une tuyauterie acier DN65 est nécessaire.

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mis à jour le 13/12/2016