Réseaux d'eau glacée et frigorifiques

Un groupe de production d'eau glacée ne refroidit rien par lui-même : il refroidit de l'eau, et c'est le réseau qui porte ce froid jusqu'aux batteries. Il ressemble à celui du chauffage, mais il travaille avec des écarts trois fois plus petits, sous le point de rosée de l'air qui l'entoure, pour une machine qui supporte mal de manquer d'eau. Ce chapitre suit le réseau du plateau de bureaux de l'installation de référence du cours, de la machine aux ventilo-convecteurs.

51.1 Ce que porte un kilogramme d'eau glacée

Un réseau d'eau transporte une puissance par son débit et par l'écart de température entre l'aller et le retour. Le bilan est le même qu'au chapitre 22 :

Le groupe du cours produit 120 kW en régime 12/6 °C : l'eau part à 6 °C et revient à 12 °C, soit 6 K d'écart. À cₚ = 4 186 J/(kg·K), il faut donc 4,778 kg/s, soit 17,20 m³/h à la masse volumique de l'eau à 9 °C (999,78 kg/m³). La pointe de projet du plateau, 114,71 kW, somme la batterie froide de la centrale de traitement d'air (32,51 kW) et cent ventilo-convecteurs de 822 W, sans foisonnement : c'est sur elle que se dimensionne le réseau, alors que la charge simultanée ne dépasse pas 93,4 kW.

Pourquoi 6 K et pas 20 K comme en chauffage ? Parce que la plage utile est étroite. Le départ ne peut guère descendre sous 5 à 6 °C sans abaisser l'évaporation du groupe vers 0 °C, où l'eau gèle sur les tubes. Le retour ne peut guère dépasser 12 à 14 °C sans que les batteries perdent leur pouvoir de déshumidifier : pour condenser l'eau de l'air à 26 °C et 50 %, il faut une surface sous 14,8 °C (chapitre 37). À puissance égale, le réseau d'eau glacée fait donc passer trois fois plus d'eau : 4,567 kg/s pour la pointe à 6 K contre 1,370 kg/s à 20 K, un rapport de 3,33. Le collecteur principal passe du DN 50 (0,63 m/s) au DN 80 (0,89 m/s).

Élargir l'écart est tentant, et c'est souvent juste quand on le fait côté retour, avec des batteries plus profondes. Le faire en abaissant le départ coûte plus qu'il ne rapporte. Avec un départ à 4 °C (régime 4/12 °C, 8 K), la pompe secondaire du plateau ne fait plus passer que 75 % du débit et descend de 583 à 246 W : 337 W gagnés. Mais le groupe évapore à 0,78 °C au lieu de 2,00 °C, son coefficient d'efficacité frigorifique (EER) passe de 5,215 à 5,018, et pour 120 kW il absorbe 903 W de plus. Le froid se paie d'abord au compresseur ; la pompe vient loin derrière.

51.2 Trois architectures

Un évaporateur veut un débit à peu près constant : trop faible, l'eau s'y refroidit trop et peut geler, l'échange se dégrade, le groupe se protège en s'arrêtant. Les batteries, elles, gagnent à recevoir un débit qui suit leur charge. Les trois architectures courantes sont trois manières de concilier ces deux exigences.

Primaire seul à débit constant. Une pompe à vitesse fixe fait circuler le débit du groupe dans tout le réseau ; chaque batterie a une vanne trois voies qui renvoie au retour l'eau dont elle n'a pas besoin. C'est simple et sûr pour la machine, mais la pompe tient à toute heure le Δp de l'évaporateur et du réseau : sur le plateau, 121,2 kPa et 965 W, à pleine charge comme à 50 %. À 50 %, le retour revient au groupe à 8,87 °C : l'eau des vannes trois voies dilue celle des batteries.

Primaire et secondaire découplés. Une pompe primaire à débit constant tient l'évaporateur ; une pompe secondaire, souvent à vitesse variable, alimente des batteries à vannes deux voies. Une bouteille de découplage relie les deux boucles (section 51.3). C'est le réseau du cours : 325 W au primaire et 583 W au secondaire à la pointe, 908 W en tout ; à 50 % de débit secondaire, 552 W, et 768 W si la pompe secondaire tournait à vitesse fixe.

Primaire variable. Une seule pompe à variateur pousse l'eau à travers l'évaporateur puis les batteries à vannes deux voies. Elle doit vaincre le Δp de l'ensemble, 111,0 kPa au projet pour 881 W, mais tout baisse avec le débit. Le constructeur fixe un débit minimal d'évaporateur, ici pris à 50 % de son débit nominal à titre d'exemple : à 50 % de charge, la pompe donne 2,389 kg/s dont 0,105 kg/s repassent par une vanne de contournement, et consomme 274 W. C'est la plus sobre et la plus exigeante : contournement régulé, débit qui varie lentement, machines à séquencer.

À mi-charge, les trois architectures ne diffèrent que de quelques centaines de watts, peu devant les 23,0 kW du groupe ; mais une pompe tourne bien plus d'heures à charge partielle qu'à pleine charge.

51.3 La bouteille de découplage

La bouteille est un tronçon de gros diamètre, vertical, où les deux boucles se rejoignent avec très peu de perte de charge commune. Elle joue le même rôle que la bouteille de mélange d'une chaufferie (chapitre 22) : chaque pompe ne voit que son propre circuit. Le débit qui la traverse est imposé par les deux autres :

Si le secondaire tire moins que le primaire, l'excédent descend la bouteille, du départ vers le retour : à la pointe, 4,778 − 4,567 = 0,211 kg/s, et le groupe reçoit un mélange à 11,74 °C ; à 50 %, 2,494 kg/s descendent et le retour du groupe tombe à 8,87 °C. Le secondaire, lui, part toujours à 6 °C. Si le secondaire tire plus que le primaire, le sens s'inverse : de l'eau de retour remonte et se mélange au départ secondaire, qui se réchauffe. Les bilans de masse et d'énergie aux deux nœuds donnent alors :

Le sens de l'eau dans la bouteille est l'indicateur le plus simple de l'état du réseau : vers le haut, le secondaire réclame plus d'eau que le groupe n'en fait passer.

51.4 Dimensionner les tuyauteries

Le débit de chaque tronçon se déduit des puissances qu'il dessert ; le diamètre se choisit ensuite par la vitesse et la perte de charge linéique (chapitre 9). Le socle du cours retient deux bornes de règle de l'art, 1,5 m/s et 200 Pa/m, et prend le plus petit tube de la série qui les respecte. Sur le plateau, cela donne un DN 80 au départ du secondaire, un DN 50 pour la batterie, un DN 65 pour la colonne, des DN 50 puis DN 40 dans les collecteurs et les amenées, et des DN 15 pour les branches des ventilo-convecteurs, qui ne passent que 117,8 kg/h chacune. Les vitesses vont de 0,16 à 0,89 m/s.

1. Débit de la pointe : m = 114 710 / (4 186 × 6) = 4,567 kg/s, soit 16,45 m³/h.
2. Tube : un DN 80 (88,9 × 4,05 mm) laisse passer l'eau à 0,89 m/s pour 110,3 Pa/m, sous les deux bornes ; le DN 65 monterait à 244 Pa/m.
3. Circuit le plus défavorisé : le dernier ventilo-convecteur de l'antenne sud demande 73,49 kPa, vanne et appareil compris. C'est la hauteur de la pompe secondaire.
4. Puissance : P = (4,567 / 999,78) × 73 490 / (0,6 × 0,96) = 583 W avec un rendement de pompe de 0,6 et un variateur à 0,96.
5. Primaire : 40,78 kPa (évaporateur 35 kPa et tuyauterie), 325 W.

La batterie de la centrale, proche de la pompe, n'a besoin que de 56,50 kPa : 16,99 kPa de trop. Sans organe de réglage, elle prendrait 1,486 kg/s au lieu de 1,294, 15 % de trop, au détriment des appareils lointains. L'équilibrage (chapitre 22, et chapitre 69 pour la mesure) n'est pas une finition : il fixe qui reçoit l'eau quand toutes les vannes sont ouvertes.

51.5 Vannes deux voies, vannes trois voies

Une vanne deux voies étrangle le débit de sa batterie : le débit du réseau varie avec la charge. Une vanne trois voies le dévie : le débit du réseau reste constant, et l'eau non utilisée revient froide au retour.

Une vanne ne règle bien que si elle porte une part suffisante du Δp de son circuit : c'est l'autorité (chapitre 24). Sur le plateau, la vanne d'un ventilo-convecteur (kᵥₛ 0,25) prend 22,2 kPa, une autorité de 0,52 ; celle de la batterie (kᵥₛ 10) prend 21,7 kPa, 0,41. La règle courante demande 0,5 (chapitre 24) et l'on descend rarement sous 0,25 à 0,3 : la première y est, la seconde reste acceptable. Une vanne trop grosse travaille presque fermée : quelques pour cent de course font varier fortement le débit, la régulation oscille, et la batterie reçoit en moyenne trop d'eau. Elle rend un écart trop faible, et l'on retrouve le syndrome de la section 51.7.

51.6 Pompes à vitesse variable et consigne de pression

Quand les vannes deux voies se ferment, le réseau devient plus résistant. À vitesse fixe, la pompe remonte sur sa courbe et dépense presque autant pour moins de débit. Un variateur ajuste la vitesse pour tenir une consigne de Δp. Le modèle de pompe du socle, une parabole autour du point de projet avec une hauteur à débit nul de 1,25 fois la hauteur de projet, donne à 50 % du débit secondaire :

• vitesse fixe : 87,3 kPa, rendement 0,450, 443 W ;
• Δp constant au refoulement : 73,5 kPa, 92 % de la vitesse, 369 W ;
• Δp proportionnel au débit : 55,1 kPa, 255 W ;
• Δp tenu au circuit le plus défavorisé : 50,2 kPa, 77 % de la vitesse, 227 W.

Les lois de similitude disent la limite de ces gains : à rendement égal, le débit suit la vitesse, la hauteur son carré et la puissance son cube. Sans consigne, la pompe descendrait à 73 W à 50 % de débit ; c'est le Δp qu'on lui impose de tenir qui la retient plus haut. La meilleure consigne mesure la pression là où elle manque : en bout de réseau, aux bornes du dernier circuit, comme le capteur de la figure 51.1. Sur l'année, avec les 1 463 heures de marche du groupe réparties par classe de température, la pompe secondaire consomme 615 kWh à vitesse fixe, 504 kWh à Δp constant, 320 kWh à Δp proportionnel et 301 kWh au circuit défavorisé : 315 kWh de gagnés, 51 %. La pompe primaire, à débit constant, consomme 475 kWh sur les mêmes heures ; c'est elle que le primaire variable supprime.

51.7 Le syndrome du petit ΔT

Le réseau est calculé pour 6 K. Les batteries rendent souvent moins : batteries encrassées côté air, surdimensionnées, raccordées à co-courant au lieu de contre-courant, consignes de soufflage trop basses, vannes trois voies oubliées, vannes trop grosses ou qui fuient. À puissance égale, un écart plus petit demande plus de débit, et le secondaire finit par tirer plus que le primaire.

Le seuil se calcule d'avance : le primaire peut fournir mₚ · cₚ · ΔT. À 4 K, c'est 4,778 × 4 186 × 4 = 80,0 kW, soit 66,7 % du groupe. Au-delà, si la pompe secondaire peut donner plus de débit que le primaire, l'eau de retour remonte la bouteille.

1. À la pointe avec 4 K : mₛ = 114 710 / (4 186 × 4) = 6,851 kg/s, soit 150 % du débit de projet.
2. Débit inverse : 6,851 − 4,778 = 2,073 kg/s d'eau de retour remontent la bouteille et se mélangent au départ du groupe.
3. Départ secondaire : t = 6 + 114 710 / (4,778 × 4 186) − 4 = 7,74 °C ; le retour est à 11,74 °C, et c'est aussi ce que reçoit le groupe.
4. Le groupe reçoit 11,74 °C, comme au projet, et fournit toute la pointe, 114,71 kW ; mais l'eau qu'il livre est réchauffée avant d'atteindre les batteries : à 7,74 °C, elles déshumidifient moins.
5. Ce calcul suppose que la pompe secondaire donne 150 % de son débit de projet. Vérifions-le sur sa courbe : vannes grandes ouvertes, le réseau suit Δp = H × r², H étant sa hauteur de projet, et la pompe, à sa vitesse de projet, le croise exactement à r = 1. Pour 150 %, il lui faut 150 % de sa vitesse, 165,4 kPa et 1 967 W, 3,38 fois sa puissance de projet, et une consigne de Δp relevée. Une pompe choisie au plus juste ne le peut pas.
6. Avec une pompe juste, le secondaire plafonne à 4,567 kg/s, sous le primaire : rien ne remonte la bouteille, 0,211 kg/s la descendent encore et le départ secondaire reste à 6 °C. Mais les batteries ne reçoivent que 76,47 kW, il en manque 38,24 ; le groupe reçoit 9,82 °C et ne travaille qu'à 63,7 %.

Les deux issues sont mauvaises : avec une pompe de réserve, le départ se réchauffe et la pompe consomme plus de trois fois plus ; avec une pompe juste, le groupe reste au tiers inemployé pendant que les locaux manquent de froid. Démarrer un groupe de plus ajoute du débit primaire et supprime le débit inverse, mais fait tourner deux machines à charge partielle : on paie en machines et en pompes l'écart que les batteries ne rendent pas.

Les remèdes s'attaquent à la cause : nettoyer les batteries, remplacer les vannes trois voies par des deux voies, choisir des vannes à la bonne taille, contrôler les consignes et l'équilibrage, relever l'écart de projet des batteries neuves. Un clapet anti-retour dans la bouteille empêche le mélange mais force alors les pompes en série, ce qui déplace le problème. Abaisser la consigne du groupe est un palliatif : pour rendre 6 °C au secondaire dans le cas ci-dessus, il faudrait, avec la pompe de réserve, produire à 4,26 °C ; le groupe donnerait alors 114,38 kW avec un EER de 4,967, inférieur de 4,8 %.

51.8 Condensation, isolation et pare-vapeur

Un tube à 6 °C est sous le point de rosée de presque tout l'air intérieur. L'isolant a deux rôles : garder sa surface extérieure au-dessus du point de rosée, et empêcher la vapeur d'eau d'atteindre le tube froid, où elle condenserait à l'intérieur même de l'isolant. La méthode de calcul de l'épaisseur est celle du chapitre 29 et de l'EN ISO 12241:2022.

Pour un DN 80 dans un faux plafond à 26 °C et 50 %, le point de rosée est à 14,8 °C et 2,8 mm d'isolant suffisent en théorie, sans marge, à garder la surface sèche. Dans un local technique non climatisé à 32 °C et 80 %, le point de rosée monte à 28,1 °C et il faut 19,6 mm. La seconde menace est plus lente : à travers 20 mm d'isolant, dans ce local, une mousse à cellules fermées (facteur de résistance à la vapeur de 7 000) laisse passer 44 g d'eau par mètre et par an ; une laine minérale sans pare-vapeur en laisserait passer 836 g par mètre et par jour. D'où la règle de l'art : isolant à cellules fermées ou pare-vapeur continu, joints collés, aucun pont au droit des supports, des vannes et des brides.

51.9 Pression, expansion et eau glycolée

L'eau glacée se dilate peu, mais elle se dilate : un réseau fermé à l'arrêt en été, en terrasse, peut monter à 35 °C. Le vase se calcule par la méthode de l'EN 12828, écrite pour le chauffage et appliquée ici par analogie (chapitre 25) :

avec Vₑ le volume de dilatation, Vᵣ la réserve d'eau, p₀ la pression de prégonflage et pₑ la pression finale, en bar relatifs.

1. Volume : 880 L de tuyauteries, plus 100 L de ventilo-convecteurs, 20 L de batterie et 30 L d'évaporateur, soit 1 030 L.
2. Dilatation de 10 °C (remplissage) à 35 °C : 0,57 %, soit 5,9 L ; réserve d'eau 5,2 L.
3. Pressions, avec les marges usuelles du chapitre 25 : point haut à 3 m, prégonflage 0,5 bar ; soupape à 4 bar, pression finale 3,5 bar.
4. Vₙ = (5,87 + 5,15) × 4,5 / 3,0 = 16,5 L : un vase de 18 L. Le même réseau chauffé à 80 °C se dilaterait de 2,87 % et demanderait 52,1 L, un vase de 80 L.

Le vase impose sa pression à son point de raccordement, le point neutre (chapitre 25) : on le pique à l'aspiration de la pompe primaire, pour que les pompes ne fassent que relever la pression ailleurs. De 10 à 4 °C, l'eau se contracte de 0,027 % : à 4 °C, sa masse volumique est maximale, et la réserve d'eau garde le point haut en pression. Comptée depuis 4 °C, la dilatation passe à 0,60 % et Vₙ à 17,0 L : le vase de 18 L suffit encore.

Quand le réseau peut geler (batterie d'air neuf, aérorefroidisseur, stockage, chapitre 50), on ajoute un antigel. Un monopropylène glycol à 30 % en masse gèle à −12,8 °C, mais il change l'hydraulique : à 9 °C, sa capacité thermique tombe à 3 827 J/(kg·K), sa masse volumique monte à 1 028,4 kg/m³ et sa viscosité à 4,64 mPa·s, contre 1,34 pour l'eau. Pour la même puissance et le même écart, il faut 1,094 fois plus de masse et 1,063 fois plus de volume, 17,49 m³/h. Le nombre de Reynolds du DN 80 tombe de 53 849 à 16 972, et la perte linéique passe de 110 à 160 Pa/m. Le circuit défavorisé passe de 73,49 à 91,75 kPa, 1,25 fois plus, et la pompe secondaire consomme 1,33 fois plus, 774 W. Les batteries échangent aussi moins bien (chapitres 37 et 44) : un réseau glycolé se dimensionne glycolé.

51.10 Réseaux frigorifiques à détente directe

Sans eau intermédiaire, le fluide frigorigène va lui-même du groupe aux unités intérieures. Deux conduites suffisent : la ligne liquide, du condenseur au détendeur, et la ligne d'aspiration, de l'évaporateur au compresseur (chapitre 43).

La ligne liquide doit arriver au détendeur sans vapeur. Avec le R32 du groupe du cours, condensé à 32,95 °C et sous-refroidi de 3 K, le liquide à 29,95 °C pèse 940 kg/m³ ; un tube de cuivre de 9,52 mm (7,92 mm intérieur) en contient 46 g par mètre. Si l'unité intérieure est 10 m plus haut, la colonne de liquide fait perdre 0,92 bar ; la pente de saturation étant de 0,529 bar/K à la condensation, cette montée consomme 1,74 K des 3 K de sous-refroidissement. Il ne reste que 1,26 K pour les pertes par frottement et les accessoires : au-delà, du gaz se forme avant le détendeur.

La ligne d'aspiration coûte en efficacité : à l'évaporation (2 °C), chaque 0,273 bar de perte de charge abaisse d'un kelvin la température de saturation à l'aspiration du compresseur. Elle doit aussi ramener l'huile entraînée : la règle de l'art impose une vitesse minimale dans les remontées, quitte à les réduire ou à les doubler. Enfin, toute la charge est dans les tubes : le volume compte, les fuites aussi. L'EN 378 fixe les limites de charge selon les locaux, et le règlement (UE) 2024/573 encadre les contrôles d'étanchéité. Les chambres froides (chapitre 66) y reviennent.

51.11 Mise en service et réception

Un réseau d'eau glacée se rince, se remplit, se purge et s'éprouve en pression avant d'être isolé. L'EN 14336:2025 décrit ces étapes pour les réseaux de chauffage et de refroidissement. Viennent l'équilibrage, toutes vannes ouvertes, et le réglage de la consigne de Δp (chapitre 69). La réception mesure ce qui compte : le débit primaire, le sens de l'eau dans la bouteille à plusieurs charges, et l'écart rendu par les batteries. Un écart de 6 K au projet qui n'en donne que 4 à la réception annonce le syndrome de la section 51.7.

À retenir

• L'eau glacée travaille avec 5 à 7 K d'écart contre 20 K en chauffage : trois fois plus de débit.
• Abaisser le départ pour élargir l'écart coûte plus au groupe qu'il ne rapporte aux pompes.
• Primaire seul, primaire-secondaire, primaire variable : du plus simple au plus sobre ; à mi-charge, 965, 552 et 274 W sur le plateau.
• Le débit dans la bouteille vaut mₚ − mₛ ; vers le haut, il annonce un départ secondaire réchauffé.
• Le petit ΔT se traite à sa cause, aux batteries et aux vannes ; un groupe de plus ou une consigne plus basse ne font qu'en payer le prix.
• Une pompe choisie au point de projet ne donne pas 150 % de son débit : il faut vérifier sa courbe avant de compter sur une surcharge.
• Isolant à cellules fermées ou pare-vapeur continu : la condensation dans l'isolant est le défaut le plus durable.
• Un réseau glycolé se dimensionne glycolé : plus de débit, plus de Δp, moins d'échange.

Sources publiques : ASHRAE Handbook, HVAC Systems and Equipment, chapitre sur les réseaux hydrauliques de chauffage et de refroidissement, et Fundamentals, chapitre sur le dimensionnement des tuyauteries ; S. T. Taylor, « Degrading chilled water plant delta-T : causes and mitigation », ASHRAE Transactions, 2002, et « Primary-only vs. primary-secondary variable flow systems », ASHRAE Journal, 2002 ; G. S. Kell, masse volumique de l'eau, Journal of Chemical and Engineering Data, 1975 ; C. F. Colebrook, 1939 (chapitre 9) ; S. W. Churchill et H. H. S. Chu, convection naturelle autour d'un cylindre horizontal, 1975 (chapitre 29) ; I. H. Bell et al., CoolProp, Industrial & Engineering Chemistry Research, 2014, et Å. Melinder, propriétés des fluides frigoporteurs (Institut international du froid), pour l'eau glycolée ; NIST Chemistry WebBook pour le R32 saturé ; EN 12828:2012+A1:2014 (méthode du vase d'expansion) ; EN ISO 12241:2022 (isolation) ; EN 14336:2025 (mise en service) ; EN 378 ; règlement (UE) 2024/573. Nombres : le modèle du cours, qui importe le modèle commun du cours.