Comment utiliser les vannes de dérivation en H

Il existe de nombreux choix en matière d’émetteurs de chaleur hydroniques. Ils vont des radiateurs en fonte aux plinthes à ailettes, en passant par les ventilo-convecteurs et tous les types de panneaux radiants de sol, de mur et de plafond. Ils ont tous leurs applications idéales en fonction de la température de l’eau, des préférences esthétiques, du budget du projet, des matériaux de construction, etc.

L’un de mes émetteurs de chaleur préférés sont les radiateurs à panneaux de « style compact ». En Europe, vous les verrez partout ; ils sont acceptés comme faisant partie de la « culture intérieure » normale, un peu comme un four à micro-ondes, un téléviseur à écran plat et, oserais-je dire, les registres de sol sont considérés comme nécessaires et normaux par de nombreux Nord-Américains.

J'aime les radiateurs à panneaux de style compact pour plusieurs raisons.

Premièrement, ils émettent de la chaleur à la fois radiante et convective. Le pourcentage de puissance radiante dépend de la température de l’eau et de la conception des panneaux. Les panneaux solaires fonctionnant à basse température de l'eau (dans certains cas inférieurs à 100 ºF) et dotés d'ailettes minimales fixées à l'arrière de la plaque d'eau peuvent émettre plus de 50 % de leur production totale sous forme de chaleur radiante. Ces surfaces avant chaudes (voir l'image de la caméra thermique dans la figure 1) augmentent la température radiante moyenne de la pièce, ce qui améliore considérablement le confort thermique.

Deuxièmement, les radiateurs à panneaux ont une faible masse thermique, ce qui permet des changements rapides de puissance thermique. Ceci est important pour deux raisons. L’un est le temps nécessaire pour établir le confort dans un espace après une période de température plus basse. L'autre est le temps nécessaire pour arrêt émettant de la chaleur et évitant ainsi la surchauffe due à des gains de chaleur interne imprévus provenant de personnes, de la lumière du soleil ou d'autres sources.

Troisièmement, ils sont relativement légers, faciles à installer sur des supports muraux, faciles à connecter à des tubes 1/2″ acheminés à travers le sol et faciles à équiper d'opérateurs thermostatiques non électriques. Ce dernier, en combinaison avec un très petit circulateur à vitesse variable fonctionnant 24h/24 et 7j/7 pendant la saison de chauffage, fait de chaque radiateur une zone indépendante.

Les radiateurs à panneaux de style compact ont des connexions inférieures espacées de 50 mm (2 pouces) au centre. L'eau chauffée entre dans le gauche connexion et s'écoule à travers un tube interne qui mène à une vanne interne comme le montre la figure 2.

Après avoir traversé cette vanne, l'eau se répand dans le collecteur supérieur du radiateur, s'écoule à travers plusieurs canaux verticaux appelés « cannelures », s'accumule au niveau du collecteur inférieur du radiateur et sort du radiateur par le droite connexion en bas.

Il est important de ne pas créer de flux inverse à travers le noyau de valve du radiateur en inversant par inadvertance les connexions des tubes.. Cela entraînerait un bruit d'écoulement et des bruits sourds lorsque le flux inversé à grande vitesse force le disque de la vanne sur son siège.

Le noyau de la valve interne utilisée dans les panneaux à panneaux de style compact est illustré à la figure 3.

Ce noyau contient un ressort qui pousse sur son axe. Lorsque l'arbre est complètement déployé, l'obturateur à travers lequel passe tout le flux est complètement ouvert. Lorsque l'arbre est enfoncé à fond (environ 4 à 5 mm), le volet est complètement fermé.

Le noyau de la valve comporte également un anneau avec des chiffres de 1 à 7 et la lettre N. Ceux-ci correspondent à des valeurs de Cv allant – approximativement linéairement – de Cv= 0,15 à un réglage de 1, à Cv=0,7 à un réglage de 7. Le Cv au réglage « N », où l'orifice de l'insert de valve est complètement ouvert, est de 0,83. Le Cv de l'insert de valve peut être réglé en tournant la bague pour aligner l'un de ces chiffres avec la rainure. Sur la figure 3, la lettre « N » sur l'anneau rouge est alignée avec la rainure sur le corps gris du noyau de la vanne, ce qui signifie que l'obturateur de la vanne (vu à l'extrémité du noyau) est complètement ouvert.

A chacun son goût

La méthode la plus courante pour raccorder des radiateurs à panneaux multiples est un système « homerun », comme le montre la figure 4.

Cette tuyauterie met tous les panneaux en parallèle. Chacun reçoit de l’eau essentiellement à la même température. Cette disposition permet également de régler le débit dans chaque circuit parallèle, soit au niveau du radiateur, soit à l'aide d'une vanne d'équilibrage sur la station collectrice.

Chaque radiateur est équipé d'une double vanne d'isolement « en H », comme le montre la figure 5.

Cet ensemble contient deux vannes à bille qui peuvent être fermées à l'aide d'un tournevis pour isoler le radiateur panneau du reste du système. Les demi-raccords en haut de la vanne permettent un raccordement facile au radiateur.

Une variante

Dans les situations où les radiateurs à panneaux sont largement répartis dans un bâtiment, la quantité de tubes PEX, PERT ou PEX-AL-PEX de 1/2″ nécessaire pour ramener chaque radiateur vers une seule station de collecteur peut vraiment s'additionner. Il en va de même pour le nombre de trous requis dans la charpente du plancher pour mettre tous ces tubes en place. Les longs parcours de tuyauterie augmentent à la fois le coût des matériaux et de la main d'œuvre.

Une façon de réduire les besoins en tuyauterie sans renoncer à l'avantage du contrôle individuel de la puissance calorifique au niveau de chaque radiateur consiste à créer un assemblage « 1 tuyau » dans lequel 2 ou 3 radiateurs à panneaux de style compact semblent être raccordés en série, comme le montre la figure 6.

Si vous regardez attentivement la vanne en H de la figure 6, vous verrez qu'elle contient un « pont » plus grand entre les deux vannes d'isolement verticales par rapport au petit pont d'une vanne à double isolation de la figure 5. Ce pont contient une vanne de dérivation, qui peut être ajustée en retirant le capuchon et en utilisant une clé Allen de 6 mm pour tourner la tige. Le réglage de la vanne de dérivation détermine la résistance hydraulique entre les côtés entrée et sortie de la vanne. Plus cette résistance est grande, plus le débit traversant le radiateur est important. Même lorsque l'opérateur thermostatique d'un radiateur est complètement fermé, la vanne de dérivation laisse passer une partie du débit et potentiellement fournir de la chaleur à un autre radiateur situé en aval sur le même train monotube.

La figure 7 montre le Cv de la vanne de dérivation centrale pour une vanne à modèle en H spécifique.

Le débit qui traverse le radiateur à panneaux dépend du Cv de la vanne du radiateur ainsi que du réglage Cv de la vanne de dérivation. Il peut être calculé comme une fraction du débit entrant dans la vanne en utilisant la formule 1.

Où:

f_rad = débit à travers le radiateur (gpm)
f_total= débit total entrant dans le port gauche de la vanne (gpm)
CV_rad = réglage Cv de la vanne du radiateur
CV_by-pass = réglage Cv de la vanne by-pass

La valeur des termes indiqués dans le bleu dans la formule 1 peut être considéré comme le pourcentage décimal du débit total entrant dans la vanne 1 tube qui traverse le radiateur.

Si le Cv du robinet de radiateur est le même que celui du robinet de by-pass central (2,0 par exemple), la partie bleue de la formule 1 devient :

Cela signifie que 50 % du débit entrant dans la vanne monotube passe par le radiateur et les 50 % restants passent par la vanne de dérivation.

Si le Cv du robinet du radiateur était de 0,25 et celui du robinet de dérivation était de 1, la formule 1 serait la suivante :

Cela implique que 20 % du débit total entrant dans la vanne passe par le radiateur, tandis que les 80 % restants passent par la vanne de dérivation centrale.

Certaines vannes de dérivation à modèle H sont préréglées de manière à environ 35 % du débit entrant dans la vanne passe par le radiateur, tandis que les 65 % restants passent par la vanne de dérivation. Ce réglage par défaut est généralement acceptable lorsque trois radiateurs à panneaux identiques sont raccordés dans une chaîne à un seul tube. Cependant, lorsque des radiateurs de différentes tailles sont connectés dans une chaîne à un seul tube, le pourcentage du débit total traversant un radiateur donné doit être approximativement proportionnel à la puissance thermique de conception de ce radiateur en pourcentage de la puissance thermique totale de conception de la « chaîne » composée de deux ou trois radiateurs.

Par exemple : considérons une chaîne monotube composée de deux radiateurs à panneaux. L’un est dimensionné pour une puissance calorifique nominale de 5 000 Btu/h, l’autre est dimensionné pour une puissance calorifique nominale de 8 000 Btu/h. La puissance calorifique totale de la chaîne serait de 5 000 + 8 000 = 13 000 Btu/h. Le pourcentage du débit total traversant le radiateur de 5 000 Btu/h serait de 5 000/13 000 = 0,38 ou 38 % du débit total. Les 62 % restants du débit total passeraient par l’autre radiateur.

En supposant que l'ensemble de vannes intégré dans les deux radiateurs soit réglé sur « N », le Cv des vannes de radiateur serait de 0,83. Mettez en place une version légèrement réorganisée de la formule 1 pour déterminer le Cv nécessaire de la vanne de dérivation pour atteindre 38 % du débit total à travers le radiateur plus petit (5 000 Btu/h) :

Cette formule peut être résolue pour obtenir la valeur de Cv_by-pass:

En faisant référence à la figure 7, on montre qu'ouvrir le bouchon de la vanne de dérivation de 4,6 tours donnerait un Cv de 1,35 pour la vanne de dérivation.

Respecter les limites

Bien qu'un agencement de radiateurs à panneaux à un seul tube permet d'économiser des tubes et de réduire probablement le temps d'installation, il crée également une chute de température entre chaque radiateur en fonctionnement et le(s) radiateur(s) en aval. Des températures d’eau plus basses entrant dans les radiateurs en aval réduiront leur production de chaleur. Cet effet peut être calculé et la taille du radiateur en aval peut être augmentée, si nécessaire, pour garantir une puissance calorifique adéquate.

Les chaînes à 1 tube doivent être limitées à une puissance nominale totale d'environ 10 KW (34 130 Btu/h) pour éviter une chute de température excessive ainsi qu'une perte de charge élevée à travers la chaîne. En règle générale, les chaînes à 1 tube utilisant des vannes de dérivation en H doivent être limitées à 3 radiateurs à panneaux maximum. Une ou plusieurs chaînes à 1 tube peuvent être alimentées à partir d'un collecteur commun avec d'autres radiateurs raccordés individuellement, comme le montre la figure 8.

Un autre outil de conception

Les vannes de dérivation à motif en H sont utilisées sur le marché hydronique européen depuis des décennies, mais à ce jour, elles sont relativement inconnues sur le marché nord-américain. Ils offrent une autre option de conception, en particulier lorsque la logistique de la tuyauterie de chaque radiateur sur son propre circuit de circuit est limitée par la distance de routage, les limitations structurelles ou d'autres problèmes. Gardez-les à l’esprit lors de la définition de votre prochain projet de radiateur à panneaux.