Dimensionner les conduites pour diminuer les pertes de charge

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, le schéma hydraulique peut être ramifié ou en étoile avec des connexions à des collecteurs.

Schéma de conception hydraulique

Source : 3E © Bruxelles Environnement

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.

   $Q=\frac{P}{1,16.∆T}$

   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
   • chauffage surfacique : ∆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:

   $d=\frac{1}{\sqrt{3,6.{10}^6}}.\sqrt{\frac{4.Q}{v.\mathrm{\pi }}}$

   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:

   • Doninelli M. et M. (2005), Les pertes de charge dans les installations , article publié dans la revue Hydraulique, n°2, octobre 2005
   • Philippe Courtin (2012), Module de cours sur les pertes de charges linéiques , présentation de novembre 2012

   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
• chauffage surfacique : ∆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.

Tableau indicatif pour le choix du diamètre des conduits en acier

(Source: Rapport n°14 du CSTC)

Tableau indicatif pour le choix du diamètre des conduits synthétiques

(Source: Rapport n°14 du CSTC )

Exemples

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.

Aller plus loin

Autres publications de Bruxelles Environnement

• Bruxelles Environnement (2013), Un chauffage performant? , Bruxelles (Document abordant la règlementation PEB à l'attention des particuliers)

Sites internet

• ThermExcel: Calcul des pertes de charge linéaires
• Lenntech: Het bepalen van drukval over een leiding
• Caleffi: Tables et diagrammes de pertes de charge hydrauliques

Bibliographie

• Costic (Comité Scientifique et Technique des Industries Climatiques): Outil de calcul des pertes de charges (outil Excel en ligne)
• CSTC (2014), Calcul des pertes de pression et dimensionnement des réseaux aérauliques Rapport n°15
• Doninelli M. et M. (2005), Les pertes de charge dans les installations , article publié dans la revue Hydraulique, n°2, octobre 2005
• Philippe Courtin (2012), Module de cours sur les pertes de charges linéiques , présentation de novembre 2012