Les circulateurs

Dans un chauffage à eau, la chaudière ou la pompe à chaleur produit la chaleur, les radiateurs la rendent aux pièces, et entre les deux un petit moteur fait tourner l'eau sans relâche. Le circulateur ne remonte pas l'eau d'un étage à l'autre : il compense seulement les frottements de la boucle. Ce chapitre place son point de fonctionnement sur le réseau de la maison de référence, explique pourquoi son rendement est si bas, compare les modes de régulation quand les robinets thermostatiques se ferment, applique la méthode européenne de l'indice d'efficacité énergétique et chiffre ce que coûte un vieux circulateur à vitesse fixe.

23.1 Ce que fait un circulateur

Un circuit de chauffage est fermé et rempli d'eau. Les colonnes qui montent et celles qui descendent se font équilibre : le poids de l'eau ne demande aucun travail à la pompe. Il ne reste que les pertes de charge des tubes, des coudes, des robinets et de la chaudière (chapitre 9). Le circulateur fournit à l'eau la différence de pression qui les compense au débit voulu.

On l'exprime de deux façons équivalentes. En pascals, c'est la pression différentielle Δp entre le refoulement et l'aspiration. En mètres, c'est la hauteur manométrique H, la hauteur d'une colonne d'eau qui exercerait la même pression :

H = Δp / (ρ · g)

Pour la maison du chapitre 17 et son réseau bitube de six radiateurs dimensionné au chapitre 22, le modèle commun du cours trouve un débit de projet de 264,3 L/h sous 16,23 kPa ; avec une eau à 988,04 kg/m³, cela fait 1,675 m de colonne d'eau. Moins de deux mètres pour une maison entière.

Presque tous les circulateurs domestiques sont à rotor noyé, comme celui de la figure 23.1. La roue tourne dans une volute en fonte, sur l'arbre d'un moteur dont le rotor baigne dans l'eau de l'installation. Une chemise d'entrefer, tube d'acier inoxydable mince à fond fermé, sépare cette eau du stator bobiné, qui reste au sec. Il n'y a ni garniture ni fuite le long de l'arbre, et les paliers en céramique ou en graphite sont lubrifiés par l'eau elle-même. En contrepartie, l'entrefer est large et le rotor frotte dans l'eau : le rendement du moteur en souffre. Les pompes à rotor sec, avec garniture mécanique, sont réservées aux gros débits.

23.2 Courbe de la pompe, courbe du réseau, point de fonctionnement

Une pompe centrifuge met l'eau en rotation : l'eau entre au centre de la roue, est projetée vers l'extérieur par les aubes et ralentie dans la volute, qui transforme sa vitesse en pression. À vitesse donnée, la hauteur est maximale à débit nul et baisse quand le débit augmente. Le modèle du cours représente le circulateur « 6 m » de la maison par une parabole :

H = 6,0 · n² − 0,667 · Q² (H en m, Q en m³/h, n vitesse relative)

À pleine vitesse (n = 1), il fournit 6,00 m à débit nul et s'annule à 3,00 m³/h. Ses aubes sont recourbées vers l'arrière : la courbe descend régulièrement, sans bosse, et le point de fonctionnement est stable et unique.

Le réseau a lui aussi sa courbe. Les pertes d'un tube croissent à peu près comme le carré du débit, celles d'un robinet de coefficient k_v exactement comme ce carré (chapitre 24) :

Δp = k · Q² + Δp₀

La part constante Δp₀ est nulle dans un circuit fermé. Elle ne l'est plus dans un circuit ouvert, où l'eau doit être remontée, comme vers la rampe d'une tour aéroréfrigérante (chapitre 47). Pour la maison, la courbe passe par l'origine et par le point de projet ; son coefficient vaut 23,97 m par (m³/h)², soit 232,3 kPa par (m³/h)².

Le point de fonctionnement est l'intersection des deux courbes, le point plein sur la plaque de la figure 23.1. On ne choisit pas un débit en réglant une pompe : on règle sa vitesse, ou le réseau, et le débit s'établit au croisement.

1. Le réseau demande 264,3 L/h, soit 0,2643 m³/h, sous 1,675 m.
2. À pleine vitesse, la pompe donnerait 6 − 0,667 × 0,2643² = 5,953 m à ce débit : 3,55 fois trop. Il faut la ralentir.
3. La vitesse qui fait passer la courbe par le point de projet vérifie 6 n² = 1,675 + 0,667 × 0,2643², d'où n = 0,536. La pompe donne alors 1,721 m à débit nul et s'annule à 1,607 m³/h.
4. La puissance hydraulique vaut ρ · g · Q · H = 988,04 × 9,807 × (0,2643 / 3 600) × 1,675 = 1,19 W.

Un peu plus d'un watt suffit à faire circuler l'eau de toute la maison. Le circulateur peut en livrer bien plus : à pleine vitesse, le produit Q · H est maximal à 1,732 m³/h sous 4,00 m, soit 18,65 W hydrauliques, 15,7 fois le besoin. Ce surdimensionnement n'est pas une erreur de choix : les modèles du commerce commencent à cette taille, et la vitesse variable les met à la mesure du réseau.

23.3 Les lois de similitude et leurs limites

Quand la vitesse d'une pompe centrifuge change, les triangles de vitesses dans la roue restent semblables. Le débit suit la vitesse, la hauteur son carré et la puissance son cube :

Q₂ / Q₁ = n₂ / n₁ H₂ / H₁ = (n₂ / n₁)² P₂ / P₁ = (n₂ / n₁)³

Sur un réseau k · Q² passant par l'origine, les points de fonctionnement aux différentes vitesses sont homologues : passer de n = 1 à n = 0,536 divise le débit par 1,87 et la puissance hydraulique par 6,5, puisque 0,536³ = 0,154.

Le modèle vérifie cette prévision. Depuis le point de projet, la similitude annonce qu'à pleine vitesse la maison recevrait 493,5 L/h sous 5,838 m, pour 7,75 W hydrauliques. Le calcul complet du réseau donne 499,9 L/h sous 5,833 m et 7,85 W : un écart de 1,3 % sur le débit. Il vient du réseau : les pertes des tubes croissent un peu moins vite que le carré du débit, et la courbe de la maison suit plutôt Q^1,958 entre ces deux points.

Ces lois ont trois autres limites. Elles valent pour une pompe dont seule la vitesse change, pas pour un réseau dont les robinets se ferment en même temps (section 23.5). Elles supposent un rendement indépendant de la vitesse, ce qui devient faux aux très basses vitesses. Enfin, elles portent sur la puissance à l'arbre : l'électronique du moteur consomme une part fixe qui ne baisse pas avec la vitesse. Le cube reste la meilleure raison de faire tourner un circulateur lentement : diviser la vitesse par deux divise par huit la puissance hydraulique.

23.4 Puissance hydraulique, rendement et puissance absorbée

La puissance hydraulique P_hyd = ρ · g · Q · H est ce que l'eau reçoit, la puissance électrique P₁ ce que le circulateur prend au réseau. Leur rapport est le rendement global, produit des rendements de la roue, du moteur et de son électronique :

η = P_hyd / P₁

Pour chiffrer P₁ sans dépendre d'un produit, le modèle lui donne une forme simple : une part fixe de 2 W, plus une part qui suit la similitude et croît avec le débit, P₁ = 2 + n³ · (18 + 11 · Q / n) en watts, Q en m³/h. Ces coefficients sont des valeurs d'exemple pour un circulateur « 6 m » plausible ; ils ne décrivent aucun appareil du commerce.

Même au meilleur point, plus de la moitié de l'électricité se perd (52,3 %) ; au point de projet, près des quatre cinquièmes (78,7 %), et la part fixe de 2 W pèse à elle seule 36 % de la consommation. Plus l'appareil est petit, plus les pertes qui ne dépendent pas du débit dominent : électronique, frottement du rotor dans l'eau, jeu de la chemise. Les 21 à 48 % du modèle sont l'ordre de grandeur des petits circulateurs ; les anciens moteurs asynchrones faisaient bien pire (section 23.8). À débit nul, toute la puissance absorbée chauffe l'eau et le moteur sans rien faire d'utile.

23.5 Vitesse variable : les trois modes face aux robinets qui se ferment

Les circulateurs actuels ont un moteur synchrone à aimants permanents piloté par un variateur intégré. Les aimants suppriment le courant que le moteur asynchrone induisait dans sa cage, ce qui rend le moteur nettement plus efficace à petite taille. Le variateur connaît à chaque instant la puissance et la vitesse, ce qui lui permet d'estimer débit et hauteur sans capteur. Il propose en général trois familles de réglages.

Vitesse fixe

Le moteur tourne à une vitesse choisie une fois pour toutes, comme un ancien circulateur à trois vitesses.

Pression constante (Δp constant)

La vitesse s'ajuste pour tenir la hauteur de projet quel que soit le débit : une droite horizontale sur la plaque de la figure.

Pression proportionnelle (Δp proportionnel)

La consigne baisse avec le débit, ici selon une droite qui passe par le point de projet et par la moitié de sa hauteur à débit nul.

En mi-saison, les robinets thermostatiques se ferment. Le modèle ramène tous les k_v à 30 % de leur valeur de projet et recalcule le réseau dans chaque mode. Avant fermeture, le robinet du circuit indice, celui de la chambre 1, voit 10,00 kPa.

1. Vitesse fixe maximale : la courbe du réseau se redresse et la pompe remonte presque à sa hauteur à débit nul. Le débit ne tombe qu'à 176,1 L/h (67 % du projet) sous 5,979 m. Le robinet de la chambre 1 encaisse 54,91 kPa et laisse encore passer 70 % de son débit de projet avec un k_v réduit à 30 % : il a perdu l'essentiel de sa capacité de réglage (chapitre 24).
2. Vitesse fixe laissée à la vitesse de projet : 94,2 L/h sous 1,715 m, pour 5,06 W. La hauteur monte peu parce que la courbe de la pompe ralentie est plate.
3. Pression constante : le variateur ralentit à n = 0,529 pour garder 1,675 m, et le robinet de la chambre 1 voit 15,34 kPa.
4. Pression proportionnelle : la consigne descend à 1,074 m, la vitesse à n = 0,424, le débit à 74,6 L/h (28 % du projet). Le robinet de la chambre 1 voit 9,83 kPa, moins qu'au projet.

Par rapport à la vitesse fixe maximale, la pression constante consomme 23 % de la puissance et la pression proportionnelle 16 %. L'écart le plus important n'est pourtant pas électrique. Un robinet thermostatique siffle quand la pression à ses bornes dépasse un seuil de l'ordre de 20 kPa. Le pire robinet de la maison en voit 2,8 fois plus en vitesse fixe maximale, 0,80 fois en pression constante et 0,51 fois en pression proportionnelle. Robinets ouverts et circulateur à pleine vitesse, chaque radiateur reçoit en outre 187 à 190 % de son débit, pour seulement 9,4 % de chaleur en plus à 55 °C d'aller (chapitre 26) : l'émission d'un radiateur croît peu avec son débit, et les têtes thermostatiques referment dès que les pièces dépassent leur consigne.

La pression proportionnelle convient aux réseaux de radiateurs, dont les tubes de distribution consomment une bonne part de la hauteur : quand le débit baisse, ces pertes baissent et la pompe peut baisser avec elles. La pression constante convient mieux aux planchers chauffants (chapitre 27), dont les boucles consomment l'essentiel de la hauteur au collecteur. Aucun mode ne remplace l'équilibrage du chapitre 22 : il décide comment se répartit le débit, le mode décide combien la pompe en fournit.

23.6 L'indice d'efficacité énergétique

Depuis le règlement (CE) n° 641/2009, modifié par le règlement (UE) n° 622/2012, les circulateurs sans presse-étoupe mis sur le marché européen doivent respecter un plafond d'indice d'efficacité énergétique (EEI) : 0,23 depuis le 1^er août 2015, qu'ils soient indépendants ou intégrés à une chaudière ou à une pompe à chaleur. L'annexe IV indique qu'à l'adoption du texte, les meilleurs appareils atteignaient 0,20. Le règlement a été retouché depuis ; on se réfère à sa version consolidée.

L'indice compare la consommation pondérée du circulateur à celle d'un circulateur de référence de même puissance hydraulique, en cinq temps.

1. Sur la courbe à vitesse maximale, le point où Q · H est maximal définit Q_100 %, H_100 % et P_hyd : 1,732 m³/h, 4,00 m et 18,65 W pour le circulateur d'exemple.
2. La puissance de référence vaut P_réf = 1,7 · P_hyd + 17 · (1 − e^{−0,3 · P_hyd}) en watts, soit 48,64 W.
3. Une courbe de commande de référence relie (Q_100 %, H_100 %) à (0, H_100 %/2). On mesure la puissance absorbée sur cette courbe à 100, 75, 50 et 25 % de Q_100 % : 39,05 ; 25,20 ; 15,58 et 9,29 W pour le modèle.
4. On pondère ces puissances par un profil où le circulateur passe 6, 15, 35 et 44 % du temps à ces quatre débits. La moyenne vaut 15,66 W : un circulateur de chauffage passe l'essentiel de l'année à faible débit.
5. L'indice est EEI = P_L,moy / P_réf × C_20 %, avec C_20 % = 0,49. Le modèle trouve 0,158, sous le plafond de 0,23.

Le coefficient C_20 % a été choisi pour qu'à la rédaction du règlement, seuls 20 % des circulateurs du marché obtiennent 0,20 ou moins. L'indice, mesuré sur banc selon un profil conventionnel, compare deux appareils ; il ne prédit pas la consommation d'une maison donnée. Le moteur d'exemple obtient un bon indice parce que ses 2 W de pertes fixes sont faibles devant les 18,65 W du point de référence ; sur la maison, qui ne demande que 1,19 W, elles pèsent bien plus.

23.7 Cavitation, position du circulateur et point neutre

À l'entrée de la roue, l'eau accélère et sa pression baisse. Si elle descend sous la pression de vapeur saturante, des bulles se forment puis s'effondrent contre les aubes : c'est la cavitation, bruyante et destructrice. On compare le NPSH disponible, marge de pression au-dessus de la vapeur à l'aspiration, au NPSH requis par la pompe. En négligeant la hauteur cinétique :

NPSH_disp = (p_atm + p_asp − p_v) / (ρ · g)

La pression de vapeur vient de l'équation de Wagner et Pruss ; le modèle retrouve 101,418 kPa à 100 °C. À 55 °C, elle vaut 15,76 kPa. Sous 1,5 bar relatif à l'aspiration, valeur d'exemple que le chapitre 25 justifie, la marge atteint 24,4 m ; à 90 °C sous 0,5 bar, elle reste de 8,6 m. Un circulateur de chauffage n'en demande qu'une petite fraction, que ses notices expriment en pression minimale à l'aspiration. Dans une boucle fermée et pressurisée, la cavitation n'est donc presque jamais le problème, sauf à haute température sous faible pression.

La question utile est la position de la pompe par rapport au vase d'expansion. Le point de raccordement du vase est le point neutre : sa pression ne dépend pas du fonctionnement de la pompe (chapitre 25). Si le vase est à l'aspiration, comme sur le banc de la figure, l'aspiration reste à 1,50 bar et la pompe élève la pression ailleurs : 1,662 bar au refoulement au point de projet, 2,065 bar à pleine vitesse. Si le vase est au refoulement, la pompe fait baisser la pression à l'aspiration et en amont : 1,338 bar au projet, 0,935 bar à pleine vitesse. Dans un bâtiment haut ou peu pressurisé, les points hauts peuvent alors passer sous la pression atmosphérique et aspirer de l'air par les purgeurs. L'aller ou le retour reste secondaire : le retour, plus froid, ménage l'électronique ; sur une chaudière, la construction impose souvent l'emplacement (chapitre 28).

23.8 Énergie annuelle et coût

Un circulateur tourne aussi longtemps que le chauffage, et parfois toute l'année. Les heures de chauffage du climat moyen européen, comptées dans les classes de température du règlement (UE) n° 813/2013 comme au chapitre 48, totalisent 4 910 h ; une année en compte 8 760. L'électricité est prise à 0,20 € le kWh, valeur d'exemple.

1. Circulateur moderne au point de projet toute la saison : 5,60 W × 4 910 h = 27,5 kWh, soit 5,50 €. C'est un majorant : en mi-saison, en pression proportionnelle, il absorbe moins.
2. Ancien circulateur asynchrone réglé sur sa vitesse haute : sa plaque indique typiquement 60 à 80 W, presque indépendants du débit. À 70 W : 344 kWh sur la saison (69 €), 613 kWh toute l'année (123 €).
3. Économie sur la saison : 316 kWh, soit 63 € par an, pour une consommation 12,5 fois moindre. Pour 60 W, 267 kWh (53 €) ; pour 80 W, 365 kWh (73 €).
4. Posé sur la même courbe « 6 m » à pleine vitesse, ce vieux circulateur pousse 499,9 L/h dans la maison, soit 7,85 W hydrauliques : rendement global de 11,2 %, et 1,7 % rapporté au seul besoin de projet.

Les montants sont modestes devant une facture de chauffage, mais un vieux circulateur pèse souvent dans la consommation électrique d'une maison chauffée au gaz, et son remplacement se rembourse en quelques années. Encore faut-il régler le nouveau : laissé à vitesse maximale en mode fixe, il absorbe 25,50 W sur la maison, 4,55 fois sa consommation au point de projet, et fait siffler les robinets.

À retenir

• En circuit fermé, le circulateur compense les pertes de charge. H = Δp / (ρ · g) ; pour la maison, 264,3 L/h sous 16,23 kPa, soit 1,675 m et 1,19 W hydrauliques.
• Le point de fonctionnement est l'intersection des courbes de la pompe et du réseau, Δp = k · Q² en circuit fermé.
• Q suit n, H suit n², P suit n³ ; sur la maison, la similitude prévoit le débit à pleine vitesse à 1,3 % près.
• Les petits circulateurs ont des rendements globaux de l'ordre de 20 à 50 % : les pertes fixes dominent.
• Robinets fermés, la vitesse fixe fait monter pression, bruit et consommation ; la pression proportionnelle consomme ici 16 % de la vitesse fixe maximale.
• L'EEI des circulateurs sans presse-étoupe est plafonné à 0,23 depuis août 2015 ; il se calcule sur un profil conventionnel.
• Le vase d'expansion fixe la pression du point neutre ; raccordé à l'aspiration, la pompe élève la pression ailleurs.
• Remplacer un vieux circulateur de 70 W par un appareil bien réglé économise de l'ordre de 300 kWh par saison.

Sources publiques : règlement (CE) n° 641/2009 de la Commission du 22 juillet 2009 portant application de la directive 2005/32/CE en ce qui concerne les exigences d'écoconception applicables aux circulateurs sans presse-étoupe indépendants et aux circulateurs sans presse-étoupe intégrés dans des produits, annexes I et II, et règlement (UE) n° 622/2012 de la Commission du 11 juillet 2012 qui le modifie (annexes I, II et IV relues le 25 octobre 2026 sur legislation.gov.uk, qui reproduit le texte européen arrêté au 31 décembre 2020, avec des retouches britanniques sans effet sur la méthode ; la version de l'Union en vigueur se lit sur EUR-Lex), pour le plafond d'EEI, le point de référence, P_réf, la courbe de commande de référence, le profil de charge et C_20 % ; règlement (UE) 2019/1781, qui retouche encore le règlement 641/2009 ; EN 16297-1 et EN 16297-2, méthodes d'essai et de calcul de l'EEI des circulateurs ; règlement (UE) n° 813/2013, annexe III, pour les classes de température du climat moyen ; W. Wagner et A. Pruss, « International equations for the saturation properties of ordinary water substance. Revised according to the international temperature scale of 1990 », Journal of Physical and Chemical Reference Data 22, 1993, pour la pression de vapeur ; lois de similitude et notion de NPSH des manuels généraux de mécanique des fluides et de l'ISO 9906 (essais de réception des pompes rotodynamiques). La puissance électrique du circulateur d'exemple, le prix de l'électricité, la pression de l'installation, la puissance des anciens circulateurs et le seuil de bruit des robinets sont des hypothèses d'exemple ou des ordres de grandeur, pas des données de produit. Tous les nombres de ce chapitre sont calculés par le modèle du cours, commun aux chapitres 22 à 26.