Le président Abraham Lincoln a commencé son discours à Gettysburg par les mots «quatre points et sept il y a des années.… » En référence au temps, le mot score signifie 20 ans. « Quatre points et sept » est certainement plus poétique que de simplement dire 87.
Cependant, lorsqu'il s'agit de systèmes hydroniques, performance Ce qui compte, ce n'est pas la poésie.
Un mythe persistant sur le marché nord-américain de l'hydronique est que tous les circuits de chauffage hydroniques devraient fonctionner à une baisse de température de 20 ºF. L'origine de ce numéro est inconnue. Peut-être que cela venait du concept selon lequel si un système utilisant de l'eau fonctionne avec une baisse de température de 20 ºF, le débit de chaleur serait d'environ 10 000 Btu/h par gpm de débit. Bien qu’il s’agisse d’une approximation étroite du taux de dégagement de chaleur, tout dépend du mot « si ». Plus précisément, si le système fonctionne avec de l'eau, et si une baisse de température de 20 ºF se produit autour du circuit, alors chaque gpm de débit d'eau transporterait environ 10 000 Btu/h.
Il n’y a rien de spécial ou d’avantageux à faire fonctionner un circuit de chauffage hydronique avec une baisse de température de 20 ºF. Dans des applications spécifiques, les circuits hydroniques peuvent fonctionner correctement en utilisant des ∆T beaucoup plus faibles et beaucoup plus élevés.
Par exemple, si un circuit de chauffage par le sol fonctionnait à un débit très élevé, son ∆T pourrait n'être que de 2 à 4 ºF. Cela rendrait la température moyenne de l'eau dans le circuit inférieure de seulement 1 à 2 ºF à la température de l'eau d'alimentation. Cela rendrait également la surface du sol desservie par le circuit relativement uniforme en termes de température de surface.
Alors, qu'y a-t-il de mal à faire fonctionner un circuit sous un ∆T aussi faible ? Du point de vue du transfert de chaleur et de l'obtention de températures de surface du sol relativement uniformes, il n'y a rien de mal. Cependant, maintenir le débit élevé nécessaire pour le faible ∆T nécessiterait un circulateur plus grand qui utiliserait probablement beaucoup plus d'énergie électrique par rapport à celle requise pour faire fonctionner le circuit à un ∆T plus typique de 10-15 ºF dans les conditions de conception.
La figure 1 montre les ∆Ts qui se produiraient dans un circuit de chauffage par le sol radiant en maintenant la température d'entrée constante à 110 ºF et en faisant varier le débit de 0,52 à 2,65 gpm.
Au débit de 0,52 gpm, le ∆T du circuit est de près de 26 ºF. Au débit de 2,65 gpm, le débit des circuits serait de 7,3 ºF. La puissance calorifique du circuit augmente avec l'augmentation du débit car la température moyenne de l'eau dans le circuit augmente. Cependant, les gains deviennent de plus en plus faibles à mesure que les débits sont élevés.
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Il est également possible de faire fonctionner des circuits hydroniques à des chutes de température bien supérieures à 20 ºF. En Europe, certains systèmes de radiateurs à panneaux sont conçus pour une chute de température de 20 ºC (36 ºF) dans les conditions de charge nominale. L'utilisation du ∆T plus élevé permet de réduire les débits vers chaque radiateur panneau. Le débit plus faible peut également permettre d'utiliser des tubes plus petits pour alimenter le radiateur, ainsi que la possibilité d'un circulateur plus petit avec des exigences de puissance absorbée inférieures.
La figure 2 montre un thermographe d'un radiateur à panneau fonctionnant avec un ∆T estimé à 40 ºF entre sa température d'alimentation et celle de retour de l'eau. Le ∆T a été estimé en fonction de l'échelle de température et des couleurs des canalisations d'alimentation et de retour.
Notez le gradient de température relativement uniforme du haut vers le bas du radiateur à panneaux. Cela indique une répartition uniforme du débit entre les canaux d'écoulement verticaux des panneaux.
Un autre exemple qui exploite un ∆T élevé est ce que j'appelle désormais un système « minitube ». Il repose sur la combinaison d'une source de chaleur à température plus élevée (telle qu'une chaudière conventionnelle) et d'un chauffage au sol à basse température. L’eau à température plus élevée provenant de la source de chaleur se mélange à l’eau beaucoup plus froide revenant des circuits de chauffage par le sol. Cependant, ce mélange a lieu au poste de collecteur plutôt que dans la salle mécanique. Cela permet un ∆T très élevé entre l'eau chaude voyageant de la salle mécanique à la station de collecteur et l'eau plus froide revenant de la station de collecteur à la salle mécanique. La figure 3 montre un exemple de système miniature à zone unique.
Le terme « minitube » fait référence à la tuyauterie de petit diamètre reliant la boucle de la chaudière et la station collectrice. Le petit diamètre est basé sur les débits relativement faibles nécessaires lorsque le ∆T est élevé. Par exemple, supposons que la station collectrice nécessite un débit de chaleur de 200 000 Btu/h. La température de l'eau sortante de la boucle de la chaudière est de 170 ºF, et la température de l'eau de retour des circuits de plancher et de retour à la boucle de la chaudière est de 90 ºF. Les débits requis sont :
Le débit peut être géré par un tube de 3/4 de pouce (cuivre ou PEX-AL-PEX).
Si le mélange avait été effectué dans la salle mécanique et que la chute de température du circuit de plancher à la charge de conception était de 15 ºF, le débit d'eau requis serait :
Image gracieuseté de John Siegenthaler.
Ce débit nécessiterait un tube de 2 pouces entre la salle mécanique et la station de collecteur.
Considérons un système dans lequel la station de collecteur se trouve à 100 pieds (chemin de tuyauterie horizontal) de la salle mécanique et longe le plafond de l'espace, ce qui ajoute 50 pieds supplémentaires de tuyauterie. La longueur totale des tubes d'alimentation et de retour entre la salle mécanique et la station de collecteur serait de 300 pieds. Imaginez les économies réalisées si 300 pieds de tube en cuivre de 2 pouces ainsi que les raccords, cintres, etc. associés pouvaient être remplacés par 300 pieds de PEX-AL-PEX de 3/4 de pouce. C'est l'effet de levier d'un ∆T élevé.
20 n'est qu'un nombre : certains nombres semblent avoir une signification particulière dans le monde naturel. Les exemples incluent Pi (3,141592654…), « e » (2,7182818…) et le « nombre d'or » (1,6180339887489…). Le nombre 20 ne figure pas sur cette liste, et il ne devrait pas non plus le faire. La chute de température autour d’un circuit hydronique peut varier dans une large plage. Cela dépendra toujours de la quantité de chaleur dissipée par le circuit, du fluide qui circule dans le circuit et du débit de ce fluide. C'est également un nombre qui variera presque constamment puisqu'il est très rare qu'un circuit hydronique fonctionne dans des conditions véritablement stables pendant plus de quelques minutes. Ne présumez pas qu'il y a quelque chose qui ne va pas avec un circuit lorsque vous mesurez un ∆T supérieur ou inférieur à 20 ºF. De même, si vous mesurez une baisse de température de 20 ºF dans un circuit, cela ne garantit pas que le circuit fournit la quantité de chaleur nécessaire à la zone du bâtiment desservie par ce circuit.
Lorsque les circonstances le permettent et que le confort n’est pas compromis, il est logique d’exploiter un ∆T élevé. Cela réduit le débit requis, ce qui peut réduire la taille des tuyaux et les besoins en puissance du circulateur. Le ∆T de 80 ºF pour le système à minitubes est un bon exemple, 200 000 Btu/h transportés sur un débit de 5 gpm à travers un tube de 3/4″. Peut-être que si ce ∆T était augmenté de 7 ºF supplémentaires (par exemple, de 80 à 87 ºF ∆T), vous pourriez l'enregistrer comme « quatre points et sept ». Lincoln serait fier.