Lire et dessiner un schéma de principe de chaufferie

Le schéma de principe d'une chaufferie dit par où passe l'eau et pourquoi chaque organe est là. Il ne montre ni les longueurs ni les cotes, mais il suffit pour juger si une chaufferie peut marcher, condenser et rester en sécurité. Ce chapitre apprend à le lire puis à le dessiner, sur la chaufferie du plateau de bureaux du cours : deux chaudières murales à condensation en cascade, une bouteille de découplage, un circuit de ventilo-convecteurs et la batterie chaude de la centrale de traitement d'air. Chaque organe y est justifié par le défaut qu'il évite, chiffré par le modèle.

65.1 Ce que montre un schéma de principe

Un schéma de principe représente la topologie hydraulique : quels organes, dans quel ordre, sur quel tube, avec quel sens d'écoulement. Il porte aussi les régimes de température et les débits de projet de chaque circuit, les points de mesure et les organes de régulation. On l'affiche au mur de la chaufferie, et l'exploitant le consulte avant de fermer une vanne.

Il ne montre pas l'implantation : une chaudière dessinée à gauche peut se trouver à droite dans le local. Diamètres et longueurs relèvent du plan d'implantation, le câblage du schéma électrique, les consignes de l'analyse fonctionnelle. Les hauteurs, qui décident de la pression du vase, n'y figurent pas : on les note en marge. Ici, la chaufferie est en terrasse ; le point haut, aux purgeurs de la batterie de la centrale, est 3 m au-dessus du vase, et le point bas, aux ventilo-convecteurs, 4 m au-dessous.

La chaufferie du cours chauffe un plateau de 2 160 m², soit 100 bureaux de référence. À −7 °C, les bureaux demandent 31,64 kW et la batterie de la centrale 9,65 kW, soit 41,29 kW en occupation ; une relance d'exemple porte la pointe à 47,61 kW, soit 22,0 W/m². Deux chaudières de 35 kW sur PCI, qui modulent jusqu'à 7,0 kW, la produisent.

65.2 Symboles, couleurs et repères

Chaque organe a sa forme. Le cours ne suit aucune norme de symboles et s'en tient aux usages les plus répandus. Une pompe est un cercle dont le triangle intérieur pointe dans le sens de l'écoulement. Une vanne d'arrêt est faite de deux triangles opposés par la pointe. Une vanne trois voies en a trois, et le schéma doit dire quelle voie reste toujours ouverte. Un clapet est une vanne barrée dans un seul sens. Une soupape porte un ressort, un vase a la forme d'une capsule, une bouteille de découplage est un rectangle vertical. Ces usages varient d'un bureau d'études à l'autre : une légende sur la feuille même lève l'ambiguïté.

Les couleurs suivent un usage presque universel : l'aller en rouge, le retour en bleu. Une flèche sur chaque tronçon donne le sens. Un croisement sans raccordement se marque d'un petit saut, un raccordement d'un point. Production à gauche, circuits à droite, aller en haut, retour en bas : l'eau se lit comme un texte.

Chaque organe reçoit un repère : C1 et C2 pour les chaudières, P1 à P4 pour les pompes, BH pour la bouteille, V3 pour la vanne trois voies, V2 pour la vanne deux voies. Le même repère se retrouve dans la nomenclature, sur l'étiquette posée en chaufferie, et dans la gestion technique. À côté de chaque circuit, on inscrit son régime et son débit : 45/35 °C et 2,74 m³/h pour les ventilo-convecteurs, 45/35 °C et 0,84 m³/h pour la batterie. Le cartouche, en bas à droite, porte le projet, l'émetteur, la date, l'indice de révision et la mention « sans échelle ».

La figure 65.1 monte la chaufferie organe par organe, dans l'ordre de ce chapitre ; le voyant nomme le défaut qui subsiste. Le curseur fixe la température extérieure, la case règle le primaire trop fort une fois la vanne trois voies posée, et la lecture vient de la table du modèle du cours. Une visite automatique reprend dix secondes après la dernière action. La planche à dessin porte le schéma de principe de la même chaufferie.

65.3 Les organes de sécurité de la production

L'EN 12828:2012+A1:2014 fixe les principes de sécurité des installations de chauffage à eau, présentés au chapitre 25. Chaque chaudière porte sa soupape de sécurité tarée à 3 bar, sans vanne entre elle et le corps de chauffe. Une chaudière que l'on peut isoler pour l'entretien doit rester protégée quand ses vannes sont fermées : la soupape se place donc entre la chaudière et sa vanne d'isolement. Sa décharge, visible, coule dans un entonnoir avec une garde d'air. Le limiteur de température de sécurité et la sécurité de manque d'eau sont souvent intégrés aux chaudières murales. Le schéma les mentionne quand même, par une note ou un repère, pour que personne ne les cherche en vain. Leurs exigences, qui dépendent de la puissance, se lisent dans le texte.

Le vase d'expansion fixe la pression au point où il se raccorde : c'est le point neutre, où la pression ne dépend pas de la marche des pompes (chapitre 25). On le raccorde donc sur le retour commun, à l'aspiration des pompes de chaudières, près de la bouteille, là où les pressions bougent le moins. Aucune vanne librement manœuvrable ne doit pouvoir l'isoler. L'usage admet un robinet d'entretien, à condition qu'il soit protégé contre une fermeture accidentelle.

V_n = (V_e + V_wr) · (p_e + 1) / (p_e − p₀)

Exemple : le vase et les soupapes de la chaufferie

1. Volume d'eau de l'installation, tubes, chaudières, ventilo-convecteurs, batterie et bouteille : 620,9 L.
2. De 10 °C au remplissage à 80 °C, départ maximal réglable, l'eau se dilate de 2,871 % : V_e = 17,83 L. Réserve usuelle (chapitre 25) : 0,5 % du volume et au moins 3 L, soit V_wr = 3,10 L.
3. Le point haut est 3 m au-dessus du vase : p_st = 0,294 bar. Gonflage usuel p₀ = p_st + 0,2 bar, arrondi au dixième supérieur : 0,5 bar. Soupapes de 3 bar, d'où p_e = 2,5 bar, avec la marge usuelle de 0,5 bar sous le tarage. Ces marges sont celles des guides reprises au chapitre 25, à vérifier sur le texte de la norme.
4. V_n = (17,83 + 3,10) × 3,5 / 2,0 = 36,6 L, d'où un vase de série de 50 L.
5. Remplissage à 0,80 bar (la réserve seule demandait 0,60 bar, 0,91 bar au plus). La pression au vase vaut 1,10 bar à 45 °C et 2,146 bar à 80 °C, sous p_e. À froid, le point haut garde 0,51 bar ; à 80 °C, le point bas, 4 m sous le vase, voit 2,53 bar.

Sans vase, l'eau n'a plus de place. Entre 10 et 45 °C, elle gagne 0,958 % de volume, soit 5,95 L. Dans un volume rigide, la hausse de pression vaudrait à peu près Δp = e / κ, où κ ≈ 0,45 GPa⁻¹ est la compressibilité de l'eau, prise comme ordre de grandeur : 213 bar à 45 °C. La pente vaut 1,95 bar par kelvin au remplissage, et la soupape atteint son tarage après 1,04 K de chauffe. Sans vase, la soupape devient le vase : elle crache à chaque chauffe, et l'appoint remet à chaque refroidissement de l'eau neuve, chargée d'oxygène et de calcaire (chapitre 64).

65.4 Découpler les débits

Chaque chaudière a sa pompe, et chaque circuit a la sienne. Mises en série sans découplage, ces pompes se contrarient : chacune voudrait imposer son débit. Le débit réel dépend de leurs courbes (chapitre 23), que le modèle ne calcule pas ; il chiffre l'écart des intentions. À −7 °C, les deux pompes primaires, à vitesse fixe, veulent 1,73 kg/s quand les circuits en demandent 0,99 kg/s, soit 1,75 fois plus. À +10 °C, une seule chaudière tourne et sa pompe veut 0,86 kg/s pour 0,102 kg/s demandés, soit 8,5 fois plus.

Le découplage donne à chaque groupe de pompes son propre circuit fermé. La bouteille de découplage est un tube vertical de grand diamètre, où l'eau circule assez lentement pour que la perte de charge entre ses quatre piquages soit négligeable. L'usage retient une vitesse de l'ordre de 0,1 m/s au plus fort débit primaire. Ici, une bouteille DN150 (149 mm au moins) de 1 m de haut contient 19,1 L. Son sommet recueille l'air et son fond les boues. Le collecteur à faible perte de charge joue le même rôle, par un court tronçon de gros diamètre entre aller et retour. L'échangeur à plaques sépare complètement les deux eaux, avec deux pressions, deux vases et deux qualités d'eau. Il coûte un écart de température entre primaire et secondaire (chapitre 8), que la condensation paie.

65.5 Les deux bilans de la bouteille

La bouteille ne fait que mélanger. Si le débit primaire m_p dépasse le débit secondaire m_s, l'excédent d'eau de départ descend dans la bouteille et réchauffe le retour vers les chaudières. S'il est plus faible, de l'eau de retour remonte et refroidit le départ des circuits.

m_p ≥ m_s : θ_{retour chaudières} = [m_s θ_{retour circuits} + (m_p − m_s) θ_départ] / m_p

m_p < m_s : θ_{départ circuits} = [m_p θ_départ + (m_s − m_p) θ_{retour circuits}] / m_s

Le premier cas défait la condensation, qui demande un retour froid (chapitre 28). Le second prive les circuits de leur température. Le schéma doit donc dire quel débit primaire passe, et la régulation doit le tenir. Dans le réglage « bon » du socle, les pompes primaires tournent à vitesse variable et suivent le débit secondaire. Dans le réglage « mal », elles tournent à vitesse fixe, chacune au débit nominal de sa chaudière sous 10 K.

Exemple : une bouteille mal réglée

1. À −7 °C, les circuits prennent m_s = 0,986 kg/s, retour à 35,0 °C. Réglage « bon » : m_p = 0,986 kg/s, les deux chaudières à 56,6 % reçoivent 35,0 °C. Rendement : 104,1 % sur PCI, 93,8 % sur PCS, pour 39,65 kW de gaz sur PCI et 3,34 kg/h de condensat.
2. Réglage « mal » : deux pompes à vitesse fixe, m_p = 1,725 kg/s. Il descend 0,739 kg/s dans la bouteille.
3. Retour chaudières : (0,986 × 35 + 0,739 × 45) / 1,725 = 39,28 °C. Le rendement tombe à 92,3 % sur PCS, soit 1,7 % de gaz en plus.
4. À +10 °C, une seule pompe tourne, mais elle pousse 0,863 kg/s pour un secondaire de 0,102 kg/s. Le retour passe de 22,2 à 42,3 °C, et le rendement de 97,1 à 91,4 % sur PCS : 6,3 % de gaz en plus.
5. Sur l'année, en cascade parallèle, la chaufferie fournit 77 474 kWh. Elle brûle 80 869 kWh sur PCS en réglage « bon » (95,8 %) et 84 671 kWh en réglage « mal » (91,5 %) : 3 802 kWh de plus, soit 4,7 %. La part de chaleur latente récupérée tombe de 69,9 à 35,1 %, et 3 876 L de condensat en moins sortent de la chaufferie.

Exemple : un primaire trop faible

1. À −7 °C, on règle le primaire à 0,8 fois le secondaire : m_p = 0,789 kg/s pour m_s = 0,986 kg/s. Il remonte 0,197 kg/s de retour à 35 °C.
2. Départ des circuits : (0,789 × 45 + 0,197 × 35) / 0,986 = 43,00 °C au lieu de 45.
3. Pour retrouver 45 °C, les chaudières devraient partir à 45 + (0,197 / 0,789) × 10 = 47,50 °C, avec un retour d'autant plus chaud.

65.6 Les circuits secondaires

Un circuit direct n'a qu'une pompe : il reçoit l'eau à la température de départ des chaudières, ici 45 °C. Le circuit mélangé ajoute une vanne trois voies montée en mélange. Sa pompe garde un débit constant, et la vanne fait la température du circuit en mêlant de l'eau de départ prise à la bouteille et de l'eau du retour du circuit, ramenée par un by-pass. Le bilan est celui d'un mélange :

θ_{départ circuit} = [m_pris θ_départ + (m_c − m_pris) θ_{retour circuit}] / m_c

Le circuit des ventilo-convecteurs est de ce type. Son débit vaut 0,756 kg/s, et sa loi d'eau donne 45/35 °C à −7 °C, puis baisse avec la charge. En injection, une petite vanne ou une petite pompe injecte l'eau de départ dans une boucle qui garde sa propre pompe, pour les circuits éloignés. La vanne deux voies enfin, ici sur la batterie de la centrale, fait varier le débit. Le retour se refroidit à mesure que la charge baisse, ce que la condensation apprécie. La pompe doit alors suivre, à vitesse variable ou sous pression différentielle régulée (chapitres 23 et 24). Aux faibles débits, la batterie craint davantage le gel (chapitre 36).

Exemple : la mi-saison avec une chaudière

1. À +10 °C, en occupation, la charge vaut 9,73 kW : 7,19 kW pour les ventilo-convecteurs et 2,54 kW pour la batterie. Une seule chaudière tourne, à 25,8 % de sa puissance.
2. La loi d'eau donne aux ventilo-convecteurs 25,7 °C au départ et 23,4 °C au retour. La vanne trois voies ne prend que 0,080 kg/s à la bouteille : (0,080 × 45 + 0,676 × 23,4) / 0,756 = 25,7 °C.
3. La vanne deux voies réduit le débit de la batterie à 0,022 kg/s, et son retour descend à 17,9 °C.
4. Secondaire : 0,102 kg/s, retour mélangé 22,2 °C. Avec un primaire égal, la chaudière reçoit 22,2 °C : 107,8 % sur PCI, 97,1 % sur PCS.

65.7 Cascade, clapets et thermosiphon

Les deux chaudières fournissent chacune 36,11 kW utiles en 45/35 °C. Une seule tient 75,8 % de la pointe, et la charge d'occupation jusqu'à −4,4 °C dehors : c'est un secours partiel. En cascade parallèle, les deux tournent dès que la charge atteint 14,58 kW, deux fois la puissance minimale utile d'une chaudière. En cascade séquentielle, la seconde n'entre qu'au-delà de 36,11 kW. Avec un primaire qui suit le secondaire, la cascade parallèle gagne un peu : 95,8 % sur PCS sur l'année contre 95,6 %, avec le même nombre de démarrages, 264. Avec des pompes primaires à vitesse fixe, l'ordre s'inverse, 91,5 % contre 92,1 %, car la cascade parallèle fait tourner deux pompes là où une suffirait. Avec des pompes bridées à 30 % de leur débit au minimum, la variante « plancher » du socle donne 94,0 % contre 94,8 %.

Deux chaudières de 36,11 kW utiles en 45/35 °C font 72,22 kW. En France, l'arrêté du 23 juin 1978 sur les installations fixes de chauffage des bâtiments d'habitation, de bureaux ou recevant du public impose, au-delà de 70 kW de puissance utile totale, de placer les générateurs dans une chaufferie ou une sous-station ; le texte rapproche ce seuil d'environ 85 kW de puissance calorifique installée. Mesurée en 80/60 °C, la même paire ne rend que 67,85 kW : la chaufferie du plateau est au seuil, et la puissance qui compte est celle que déclare le fabricant. Le cours la traite comme une chaufferie au sens de ce texte, dont les règles de local (ventilation, accès, parois) ne sont pas reprises ici.

Chaque pompe primaire porte un clapet à son refoulement. Quand C2 et sa pompe s'arrêtent, la pompe de C1 pourrait sinon pousser de l'eau à rebours à travers C2. Une vanne motorisée par chaudière rend le même service. Le clapet arrête aussi le thermosiphon : à l'arrêt des pompes, l'eau chaude monte d'elle-même vers les appareils placés plus haut, ici la batterie de la centrale, et chauffe ce qui ne doit pas l'être. Un clapet sur chaque départ de circuit, ou une boucle descendante en col de cygne, l'empêche. Le modèle ne chiffre pas ces débits parasites.

65.8 Remplissage, qualité de l'eau, purge et équilibrage

La ligne de remplissage se raccorde sur le retour, près du vase. Elle comprend une vanne d'arrêt, un compteur et un disconnecteur, qui protège le réseau d'eau potable selon l'EN 1717:2025+A1:2026 (chapitre 25). La catégorie de fluide et le type de disconnecteur dépendent de l'eau de chauffage et de ses additifs : ils se vérifient dans le texte. Un appoint régulier au compteur signale une fuite, une soupape qui coule ou un vase dégonflé.

Chaque litre d'eau neuve apporte de l'oxygène et du calcaire (chapitre 64). Saturée d'air à 10 °C, l'eau de premier remplissage contient 11,38 mg/L d'oxygène, soit 7,1 g pour l'installation, de quoi changer en magnétite au plus 18,5 g de fer, et 14,2 L(n) d'air dissous. Le pot à boues, sur le retour commun en amont des chaudières, retient les particules avant qu'elles ne se déposent dans leurs échangeurs.

Le schéma place un purgeur à chaque point haut, au sommet de la bouteille et aux points hauts des circuits, et une vidange à chaque point bas et sur chaque chaudière. Des vannes d'isolement encadrent chaque chaudière et chaque circuit. Les organes d'équilibrage se placent sur les circuits et leurs branches (chapitre 22). Des thermomètres lisent le départ et les deux retours, un manomètre la pression près du vase.

65.9 Quatre erreurs fréquentes

Le vase au refoulement. Le vase fixe la pression là où il se raccorde. Placé au refoulement d'une pompe, il laisse l'aspiration descendre de toute la hauteur de la pompe. Un point haut qui ne garde que 0,51 bar à froid peut alors passer sous la pression atmosphérique et aspirer de l'air (chapitre 25).

Une bouteille sans débit primaire défini. Dessiner une bouteille ne suffit pas : avec des pompes primaires à vitesse fixe, le retour monte à 39,28 °C à −7 °C et à 42,3 °C à +10 °C, et l'année coûte 4,7 % de gaz.

Des pompes en série sans découplage. Les pompes primaires veulent 1,75 fois le débit des circuits à −7 °C et 8,5 fois à +10 °C.

Une vanne trois voies montée en répartition. Elle envoie de l'eau de départ directement au retour par son by-pass, ou fait varier le débit d'un circuit dont la pompe le veut constant. Le circuit ne reçoit plus de température réglée. Le modèle ne simule pas ce montage, mais il chiffre le cas voisin d'un circuit sans vanne, à 45 °C toute l'année et réglé sur l'air seul. À −7 °C, rien ne change. À +10 °C, le retour des ventilo-convecteurs reste à 42,7 °C, le secondaire passe à 0,778 kg/s, le retour des chaudières à 42,0 °C et le rendement à 91,5 % sur PCS. Sur l'année, le rendement tombe à 92,6 % et la consommation de gaz atteint 83 666 kWh, soit 3,5 % de plus.

65.10 Dessiner le schéma du plateau, pas à pas

1. Poser la production à gauche : C1 et C2, chacune avec sa soupape de 3 bar, ses vannes d'isolement, sa vidange, et sur son retour une pompe et un clapet.
2. Poser la bouteille au centre, avec son purgeur et sa vidange, et noter la règle du primaire : débit égal au secondaire, pompes à vitesse variable.
3. Tirer les circuits à droite, aller en haut : les ventilo-convecteurs avec P3, la vanne trois voies mélangeuse, son by-pass et la mention 45/35 °C, 2,74 m³/h ; la batterie avec P4 et la vanne deux voies, 45/35 °C, 0,84 m³/h.
4. Raccorder le vase sur le retour commun, à l'aspiration des pompes primaires : 50 L, gonflé à 0,5 bar, rempli à 0,80 bar.
5. Ajouter sur le retour le remplissage, avec vanne, compteur et disconnecteur, puis le pot à boues.
6. Placer thermomètres, manomètre, sondes, repères, légende et cartouche.
7. Relire au doigt : chaque pompe doit avoir un circuit fermé, sans pousser contre une autre pompe. Chaque chaudière isolable doit garder sa soupape, le vase ne doit dépendre d'aucune vanne libre, chaque point haut doit avoir un purgeur et chaque point bas une vidange.

À retenir

• Le schéma de principe donne la topologie, les sens, les régimes et les débits, pas l'implantation ; les hauteurs s'écrivent en marge.
• Une soupape par chaudière, sans vanne entre la soupape et sa chaudière ; le vase sur le retour commun, à l'aspiration des pompes, sans vanne libre.
• Sans vase, dans un volume rigide, la soupape s'ouvre après 1,04 K de chauffe et l'appoint remet de l'eau neuve à chaque cycle.
• Une bouteille sépare les débits ; elle ne garantit pas le retour froid. Si m_p > m_s, le retour se réchauffe (39,28 °C au lieu de 35,0 °C à −7 °C) ; si m_p < m_s, le départ des circuits se refroidit (43,00 °C au lieu de 45).
• Primaire réglé trop fort : 4,7 % de gaz en plus sur l'année, et deux fois moins de chaleur latente récupérée.
• La vanne trois voies se monte en mélange, la vanne deux voies refroidit le retour ; clapets contre le débit inverse et le thermosiphon.

Sources publiques : EN 12828:2012+A1:2014, systèmes de chauffage dans les bâtiments, conception des installations de chauffage à eau (principes des organes de sécurité, place du vase et formule de son volume nominal, telles que reprises au chapitre 25 ; marges de gonflage, de réserve et de pression finale usuelles, à vérifier sur le texte) ; EN 1717:2025+A1:2026, protection contre la pollution de l'eau potable dans les réseaux intérieurs (principe du disconnecteur seulement, sans valeur tirée du texte) ; bilans de masse et d'énergie des mélanges ; compressibilité isotherme de l'eau, κ ≈ 0,45 GPa⁻¹, ordre de grandeur des tables usuelles ; loi de Henry et constantes de l'IAPWS G7-04, par le socle ; chapitres 8, 22, 23, 24, 25, 28, 36 et 64 du cours. Symboles : usages courants, sans norme de dessin. Installation de référence : le modèle commun du cours, avec le modèle du cours. Tous les nombres viennent du modèle du cours, qui les importe ; les charges, les longueurs de tubes, les hauteurs et les réglages de pompes sont des hypothèses d'exemple.