Expansion et sécurité

Une installation de chauffage à eau est un volume clos rempli d'un liquide presque incompressible qui se dilate quand il chauffe. Sans place pour ce surplus, la pression dépasserait celle de la soupape après une faible hausse de température. Ce chapitre dimensionne cette place, le vase d'expansion, puis passe en revue les organes qui protègent l'installation : soupape, limiteur de température, manque d'eau, disconnecteur et purgeurs. Le fil conducteur reste la maison du chapitre 17 et son installation des chapitres 22 à 26, avec 30,55 L d'eau.

25.1 Pourquoi l'eau a besoin de place

La masse d'eau enfermée dans l'installation ne change pas quand elle chauffe ; c'est sa masse volumique qui baisse. On la calcule avec la formule de Kell, déjà utilisée au chapitre 9 pour les pertes de charge : 999,70 kg/m³ à 10 °C, 985,70 kg/m³ à 55 °C, 971,80 kg/m³ à 80 °C. Le coefficient d'expansion entre la température de remplissage t0 et la température maximale t vient directement de ce rapport.

e = ρ(t0) / ρ(t) − 1 Ve = e · Vs

Vs est le volume d'eau de l'installation, Ve le volume d'expansion. Le calcul à la main avec les masses volumiques des tables IAPWS-95 donne e = 999,70 / 971,79 − 1 = 2,872 % entre 10 °C et 80 °C, ce que le modèle retrouve à 2,871 %. Le tableau montre que la courbe n'est pas linéaire : l'eau se dilate peu près de son maximum de densité, vers 4 °C, puis de plus en plus vite.

Le volume de la maison sort de l'installation de référence : 21,02 L dans les radiateurs, 6,53 L dans les tubes et 3,0 L dans le générateur, soit 30,55 L. Le modèle reprend ce volume tel quel, sans écart. Deux simplifications vont dans le sens de la sécurité : l'eau du vase, en bras mort, reste à la température de remplissage, et la dilatation des tubes et des radiateurs, qui offrirait un peu de place, est négligée.

25.2 Vase ouvert, vase fermé à membrane

La solution historique est le vase ouvert : un réservoir à l'air libre au-dessus du point haut, relié par des tubes de sécurité. Son niveau suit la température. Simple et sûr, il a trois défauts : l'eau au contact de l'air se recharge en oxygène et corrode l'acier, le vase placé sous la toiture craint le gel, et la pression disponible se limite à la hauteur du bâtiment.

Le vase fermé à membrane l'a remplacé presque partout. Une membrane souple partage une enveloppe en acier : l'eau entre par le bas, un coussin d'azote occupe le haut. Quand l'eau chauffe, le surplus entre dans le vase, la membrane monte et comprime le gaz. Le gaz restant à la température du local, on le traite comme isotherme, avec la loi de Boyle-Mariotte : le produit de sa pression absolue par son volume reste constant. La pression de l'installation devient une fonction connue de l'eau contenue dans le vase, et l'installation reste fermée à l'air.

25.3 Les pressions du vase

La norme EN 12828, qui fixe la conception des installations de chauffage à eau, définit le vase par une suite de pressions mesurées au raccordement du vase. Toutes sont des pressions relatives, en bar. Les marges indiquées ici sont les valeurs usuelles des guides qui appliquent cette méthode ; elles restent à confirmer dans l'édition en vigueur pour un projet réel.

Pression statique pst

Le poids de la colonne d'eau entre le vase et le point haut. Pour notre maison de plain-pied, on prend 2 m entre le vase et le radiateur ou le purgeur le plus haut : pst = ρ g H = 999,70 × 9,81 × 2 / 10⁵ = 0,196 bar.

Pression de gonflage p0

La pression de l'azote, vase vide d'eau. Elle doit dépasser pst, sinon le point haut passerait sous la pression atmosphérique et aspirerait de l'air. La marge usuelle est de 0,2 bar, plus la pression de vapeur pour une eau au-delà de 100 °C. Ici pst + 0,2 = 0,396 bar, arrondi au dixième supérieur : p0 = 0,40 bar.

Pression initiale pa

La pression de remplissage, installation froide. Elle est choisie pour que le vase contienne déjà une réserve d'eau Vwr, qui compense les petites pertes et la contraction de l'eau quand elle refroidit. La marge usuelle est pa ≥ p0 + 0,3 bar.

Pression finale pe

La pression atteinte à la température maximale. Elle doit rester sous la pression de tarage de la soupape, avec une marge d'usage de 0,5 bar pour une soupape tarée à 5 bar au plus, car une soupape commence à suinter un peu avant sa pression nominale. Avec une soupape à 3 bar, pe = 2,50 bar.

Pression de tarage psv

La pression d'ouverture de la soupape de sécurité ; elle ne dépasse pas la plus basse des pressions maximales admissibles des composants. Les chaudières murales ont couramment une soupape à 3 bar, valeur retenue dans nos exemples.

25.4 Le volume nominal et la réserve d'eau

Le gaz du vase passe de (p0 + 1) bar absolus et Vn litres, vase vide d'eau, à (pe + 1) bar absolus quand le vase a reçu la réserve et l'expansion. Boyle-Mariotte s'écrit (p0 + 1) Vn = (pe + 1)(Vn − Ve − Vwr), d'où la formule de l'EN 12828 :

Vn = (Ve + Vwr) · (pe + 1) / (pe − p0)

Le rapport (pe − p0) / (pe + 1) est le rendement du vase, la fraction de son volume qui sert vraiment entre la pression de gonflage et la pression finale. Avec p0 = 0,40 bar et pe = 2,50 bar, il vaut 60,0 %. Gonfler plus haut que nécessaire réduit ce rendement : pour la maison, Vn passe de 6,46 L avec p0 = 0,4 bar à 6,79 L avec 0,5 bar, 9,05 L avec 1,0 bar et 13,57 L avec 1,5 bar. On règle donc le gonflage sur la hauteur statique avant la mise en eau, sans se fier à celui d'usine.

La réserve d'eau Vwr se prend usuellement égale à 0,5 % du volume de l'installation, avec un minimum de 3 L. Dans une petite installation, ce minimum domine : 0,5 % de 30,55 L ne font que 0,153 L, la réserve retenue est 3,00 L, plus de trois fois le volume d'expansion à 80 °C, et c'est elle qui fixe la pression de remplissage. Le vase gardé à 3 L d'eau froide contient encore 5 L de gaz, donc pa = 11,20 / 5 − 1 = 1,240 bar, avec 11,20 bar·L la quantité d'azote, égale à (p0 + 1) Vn.

La figure 25.1 montre ce vase sur un banc, avec une virole transparente. Sa jauge gravée lit l'eau contenue ; le thermomanomètre et la lecture suivent le modèle de 10 à 80 °C. Le bouton « Vase dégonflé » reprend le même vase après une longue perte d'azote (25.9).

25.5 Exemple : le vase de la maison

La maison a 30,55 L d'eau remplis à 10 °C. On retient comme température maximale 80 °C, le départ le plus haut que la chaudière murale accepte en réglage, même si la loi d'eau ne dépasse pas 55 °C à −7 °C. La hauteur statique vaut 2 m et la soupape est tarée à 3 bar.

1. Expansion : e(10 → 80) = 2,871 %, Ve = 0,02871 × 30,55 = 0,877 L.
2. Réserve : 0,5 % de Vs donne 0,153 L, inférieur au minimum ; Vwr = 3,00 L.
3. Pressions : pst = 0,196 bar, p0 = 0,40 bar, pe = 3 − 0,5 = 2,50 bar.
4. Volume nominal : Vn = (0,877 + 3,00) × 3,50 / 2,10 = 6,46 L. On choisit le vase de série immédiatement supérieur, 8 L.
5. Remplissage : avec 8 L gonflés à 0,40 bar, l'azote vaut 11,20 bar·L ; pour garder 3 L d'eau froide, pa = 1,240 bar, soit p0 + 0,84 bar, au-dessus de la marge de 0,3 bar.
6. Vérification à chaud : à 80 °C le vase contient 3,877 L et la pression monte à 1,717 bar, sous pe. On pourrait remplir jusqu'à 1,747 bar sans atteindre pe à 80 °C ; la plage de remplissage froide va donc de 1,24 à 1,75 bar.
7. Régime de projet : à 55 °C, le vase contient 3,434 L et le manomètre lit 1,453 bar, voisin de l'exemple de 1,5 bar pris au chapitre 23.

Le vase de 8 L est neuf fois plus grand que le volume d'expansion. Il peut recevoir 4,8 L d'eau avant d'atteindre pe ; la réserve en prend 3 L, il reste 1,8 L pour 0,877 L d'expansion. Si l'on avait dimensionné sur la loi d'eau seule, 55 °C, Vn serait tombé à 5,72 L ; à 90 °C il monterait à 6,81 L. Dans une maison, la réserve compte plus que la température maximale.

25.6 Exemple : la même maison passée à la pompe à chaleur

La chaudière est remplacée par une pompe à chaleur (chapitre 48). Le générateur garde la même contenance, mais on ajoute un ballon tampon de 50 L pour assurer des cycles assez longs au compresseur. La température maximale de la pompe à chaleur seule est prise à 60 °C.

1. Volume : Vs = 30,55 + 50 = 80,55 L, 2,64 fois l'installation d'origine.
2. Expansion à 60 °C : e = 1,678 %, Ve = 1,352 L, seulement 1,54 fois plus que la chaudière à 80 °C, parce que l'eau chauffe moins.
3. Réserve : 0,5 % de 80,55 L donnent 0,40 L, toujours sous le minimum ; Vwr = 3 L.
4. Volume nominal : Vn = (1,352 + 3) × 3,50 / 2,10 = 7,25 L. Le vase de 8 L d'origine suffit, rempli à la même pression de 1,240 bar ; à 60 °C, la pression atteint 2,070 bar.
5. Variante avec appoint électrique capable de porter l'eau à 80 °C : Ve = 2,313 L et Vn = 8,85 L, il faut passer au vase de 12 L, rempli à 0,867 bar pour garder la réserve ; à 80 °C la pression atteint 1,512 bar.
6. Si l'on garde le vase de 8 L avec cet appoint, la pression calculée sans soupape atteindrait 3,168 bar : la soupape s'ouvre et rejette 0,113 L à la première montée à 80 °C après chaque remplissage.

Le ballon tampon et la température de l'appoint, pas la pompe à chaleur elle-même, décident du vase. Toute modification qui ajoute de l'eau ou relève la température maximale relance ce calcul.

25.7 Le point neutre et la place du circulateur

Le vase impose sa pression à son point de raccordement, et seulement là : c'est le point neutre de l'installation, où la pression ne dépend pas du fonctionnement du circulateur. Ailleurs, le circulateur ajoute ou retire sa hauteur selon que l'on est à son refoulement ou à son aspiration. Pour la maison, la hauteur du circulateur au point de projet vaut 16,23 kPa, soit 0,162 bar (chapitre 23).

• Vase raccordé à l'aspiration du circulateur, comme sur la figure : l'aspiration reste à 1,240 bar à froid et le refoulement monte à 1,402 bar. Le circulateur n'abaisse nulle part la pression sous sa valeur à l'arrêt.
• Vase raccordé au refoulement : l'aspiration tombe à 1,078 bar. Sans conséquence ici, cette baisse peut, dans un bâtiment haut équipé d'un circulateur puissant, amener l'aspiration ou un point haut sous la pression atmosphérique, avec entrée d'air ou cavitation.

Au point haut de la maison, 2 m au-dessus du vase, il reste 1,240 − 0,196 = 1,044 bar à froid. La règle pratique est de raccorder le vase sur le retour, près du générateur, à l'aspiration du circulateur. Sa conduite ne doit pas pouvoir être fermée par erreur : un robinet à capuchon, sans poignée, permet de l'isoler et de le vidanger pour l'entretien.

25.8 Les organes de sécurité

Les organes de sécurité traitent ce que le vase ne gère pas : un vase dégonflé, une régulation défaillante, une fuite. L'EN 12828 les décrit selon le type et la puissance du générateur ; on en retient les principes.

Soupape de sécurité

Elle limite la pression. Elle est placée sur le générateur ou sur le départ tout près de lui, sans aucun organe d'arrêt entre les deux, et dimensionnée pour évacuer la puissance du générateur. Sa décharge doit être visible : un tuyau ouvert au-dessus d'un entonnoir, avec une garde d'air, montre qu'elle a coulé et empêche tout retour d'eau usée. Une soupape qui goutte n'est pas en panne : elle signale presque toujours un vase dégonflé ou trop petit.

Limiteur de température de sécurité

Il coupe le brûleur ou la résistance si l'eau dépasse une température fixée au-dessus du réglage maximal, indépendamment de la régulation. Il se réarme à la main, pour obliger à chercher la cause. Un thermostat de régulation ne le remplace pas.

Sécurité de manque d'eau

Un pressostat de pression minimale ou un contrôleur de niveau arrête le générateur quand l'installation se vide, avant que le corps de chauffe ne surchauffe à sec. Les chaudières murales l'intègrent souvent sous la forme d'un capteur de pression.

25.9 Exemple : un vase dégonflé

L'azote traverse lentement la membrane et la valve. Au bout de quelques années sans contrôle, notre vase de 8 L n'en garde qu'un quart. On remplit l'installation comme d'habitude à 1,240 bar.

1. Gaz restant : 11,20 / 4 = 2,80 bar·L. Vidangé côté eau, le vase lirait 0,00 bar à la valve : le gaz ne remplit plus le vase à la pression atmosphérique. Il se comporte comme un vase sain de 2,00 L gonflé à 0,40 bar.
2. Remplissage : à 1,240 bar, le gaz n'occupe plus que 2,80 / 2,24 = 1,250 L et l'eau 6,750 L. La pression de remplissage est normale, rien ne se voit à froid.
3. Régime de projet : à 55 °C, le manomètre lit 2,432 bar au lieu de 1,453 bar avec le vase sain.
4. Ouverture : la soupape atteint ses 3 bar à 62,3 °C. Entre 62,3 et 80 °C elle rejette 0,327 L, le gaz étant réduit à 2,80 / 4 = 0,700 L.
5. Retour à 10 °C : il manque 0,327 L, la pression retombe à 0,775 bar. À la chauffe suivante, la pression remonte exactement à 3,000 bar à 80 °C, sans nouveau rejet.
6. Seuil : pour atteindre 80 °C sans ouvrir la soupape, il faut au moins 4,466 bar·L de gaz. Le vase peut perdre jusqu'à 60,1 % de son azote sans symptôme à la soupape, ce qui explique qu'un vase dégonflé passe longtemps inaperçu.

Le scénario typique suit : la pression froide baisse, on rajoute de l'eau, la soupape coule à la chauffe suivante, et chaque appoint apporte oxygène et calcaire. Le bon réflexe est de lire le manomètre à chaud : entre le froid et 55 °C, la pression gagne 0,21 bar avec le vase sain et 1,19 bar avec le vase dégonflé.

25.10 Remplissage, disconnecteur et EN 1717

L'installation se remplit depuis le réseau d'eau potable. L'eau de chauffage, restée des années dans l'acier, parfois traitée par un inhibiteur ou un antigel, ne doit jamais refluer vers l'eau potable, par exemple quand une coupure met la conduite en dépression. La norme EN 1717, en vigueur dans son édition EN 1717:2025+A1:2026, range les fluides en cinq catégories selon leur danger et associe à chaque catégorie des dispositifs de protection ; la révision a gardé ces cinq catégories en précisant leur définition.

En pratique courante, établie sous l'édition de 2000, l'eau de chauffage sans additif est rangée en catégorie 3 et l'eau traitée en catégorie 4 ; la catégorie 4 demande un disconnecteur à zone de pression réduite contrôlable, dit de type BA. Ce classement et ce dispositif sont à vérifier sur l'édition 2025+A1:2026, où la limite entre les catégories 3 et 4 tient à la toxicité des substances présentes, et dans les règles nationales applicables. Le disconnecteur a trois chambres : amont, intermédiaire et aval. Dès que la pression amont ne dépasse plus assez celle de la chambre intermédiaire, celle-ci s'ouvre à l'air libre par sa décharge, visible comme celle de la soupape. Un clapet anti-retour simple ne suffit pas.

La ligne de remplissage comprend donc une vanne d'arrêt, le disconnecteur et un raccord vers le retour. Après le remplissage, on ferme la vanne : un remplissage laissé ouvert masque une fuite ou un vase dégonflé et fait entrer de l'eau neuve en continu.

25.11 Dégazage, air dissous et purgeurs

L'eau du réseau contient de l'air dissous. La loi de Henry, avec les constantes de l'azote et de l'oxygène publiées par l'IAPWS, donne pour une eau à 10 °C sous la pression atmosphérique 22,9 mL d'air par litre, en accord avec les tables usuelles, soit 0,699 L pour toute la maison.

La solubilité diminue quand la température monte et remonte avec la pression. À 80 °C sous la pression atmosphérique, l'eau ne retient plus que 6,3 mL/L. Au point haut de la maison à 80 °C, la pression vaut encore 1,526 bar relatifs et la saturation 24,1 mL/L, un peu plus que l'eau n'a reçu : l'air reste dissous. À cette température, il ne sortirait que sous 1,42 bar relatifs. La pression du vase protège donc aussi du dégazage ; l'air se libère là où l'eau est la plus chaude et la pression la plus basse, et il arrive surtout en poches à la mise en eau puis avec chaque appoint d'eau neuve. Il bloque la circulation, fait du bruit, et son oxygène corrode.

• Le purgeur automatique, placé aux points hauts, laisse sortir l'air qui s'accumule dans sa chambre à flotteur. On garde en plus un purgeur manuel sur chaque radiateur pour la première mise en eau.
• Le séparateur de microbulles, placé sur le départ, là où l'eau est la plus chaude, piège les bulles avant qu'elles ne se redissolvent plus loin.

25.12 Le contrôle annuel de la pression de gonflage

Le contrôle annuel se fait installation froide. On isole le vase par son robinet à capuchon, on vidange son côté eau par le robinet de purge, puis on lit la pression de l'azote à la valve de gonflage, avec un manomètre à pneu. Mesurée côté eau en charge, la valve ne lirait que la pression de l'eau, quel que soit l'état du vase.

• On compare la lecture à p0, ici 0,40 bar, et on regonfle à l'azote ou à l'air sec si elle est basse.
• De l'eau qui sort par la valve signale une membrane percée : le vase est à remplacer. Une lecture nulle sans eau, comme en 25.9, se regonfle et se recontrôle peu après.
• On rouvre le robinet à capuchon, on remet en eau jusqu'à pa, 1,24 bar pour la maison, et l'on purge.
• On note la pression lue à chaud en régime normal, 1,45 bar à 55 °C pour la maison : c'est la référence des contrôles suivants.

Le même jour, on manœuvre la soupape pour vérifier qu'elle s'ouvre et se referme, et l'on contrôle que le disconnecteur ne coule pas en continu.

À retenir

• Entre 10 et 80 °C, l'eau gagne 2,87 % de volume : 0,877 L pour la maison. Ce surplus doit trouver place dans un vase, sinon la pression explose.
• Vn = (Ve + Vwr)(pe + 1)/(pe − p0) n'est que Boyle-Mariotte écrit entre p0 et pe ; le rendement (pe − p0)/(pe + 1) baisse quand on gonfle trop haut.
• Usuellement, p0 = pst + 0,2 bar, pa ≥ p0 + 0,3 bar, pe = psv − 0,5 bar ; dans une petite installation, la réserve minimale de 3 L fixe le vase et la pression de remplissage.
• Raccorder le vase à l'aspiration du circulateur garde toute l'installation au-dessus de sa pression à l'arrêt.
• Une soupape qui goutte désigne d'abord le vase. La pression à chaud est le diagnostic : 1,45 bar avec un vase sain, 2,43 bar avec un vase dégonflé, à 55 °C dans la maison.
• Pas de reflux vers l'eau potable : disconnecteur adapté à la catégorie du fluide selon l'EN 1717:2025+A1:2026, remplissage refermé après usage.
• Contrôler chaque année la pression d'azote côté eau vidangé, purger l'air aux points hauts chauds.

Sources publiques. EN 12828, Systèmes de chauffage dans les bâtiments, conception des installations de chauffage à eau : méthode de dimensionnement des vases d'expansion et organes de sécurité (marges citées comme usuelles, à vérifier dans l'édition en vigueur). EN 1717:2025+A1:2026 (NF EN 1717+A1, juillet 2026), Protection de l'eau potable contre la pollution par retour d'eau dans les installations intérieures ; le classement usuel de l'eau de chauffage vient de la pratique établie sous l'édition de 2000. EN ISO 4126-1, Dispositifs de sécurité pour protection contre les pressions excessives, soupapes de sûreté. G. S. Kell, « Density, thermal expansivity, and compressibility of liquid water from 0 °C to 150 °C », J. Chem. Eng. Data 20 (1975), formule reprise du chapitre 9. Équation d'Antoine pour la pression de vapeur de l'eau, coefficients classiques de 1 à 100 °C. IAPWS G7-04, ligne directrice sur les constantes de Henry des gaz dans l'eau (Fernández-Prini, Alvarez et Harvey, 2003). IAPWS-95 pour les masses volumiques de contrôle. Loi de Boyle-Mariotte. Installation de référence des chapitres 22 à 26 : le modèle commun du cours. Calculs : le modèle du cours.