S’équiper en eau chaude : Guide pratique des systèmes de chauffage à eau chaude

La partie la plus visible d’un système à eau chaude est le réservoir d’eau. Les réservoirs standard adaptés aux systèmes de chauffage à eau chaude sont disponibles dans une variété de tailles, de capacités et d’épaisseurs de parois. Les réservoirs souterrains ont des parois plus épaisses que les réservoirs hors sol, ce qui les rend beaucoup plus faciles à souder. Si l’on a le choix, il est préférable d’utiliser un réservoir court et de grand diamètre plutôt qu’un réservoir long et mince, car un réservoir plus court a moins de surface, ce qui réduit les pertes de chaleur et le coût de l’isolation. Le tableau 3 donne les dimensions et les capacités d’une large gamme de réservoirs de stockage de pétrole standard.

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Bien qu’il soit préférable d’utiliser un réservoir neuf, de nombreux systèmes réussis ont été construits avec des réservoirs usagés. Les réservoirs de stockage d’huile usagés peuvent souvent être obtenus simplement pour la demande. Si vous décidez d’essayer un réservoir usagé, inspectez-le minutieusement pour vérifier qu’il n’y a pas de trous ou de taches minces. Demandez également quel liquide a été stocké dans le réservoir. Attention : Ne soudez ou ne coupez jamais un réservoir que vous soupçonnez d’avoir contenu une matière inflammable, à moins qu’il ne soit soigneusement nettoyé et ventilé. Une méthode pour éliminer les résidus d’huile ou d’essence d’un grand réservoir consiste à mélanger environ 2 livres de détergent par mille gallons de capacité avec suffisamment d’eau pour le dissoudre et à verser cette solution dans le réservoir. Ensuite, remplissez complètement le réservoir d’eau et laissez-le reposer pendant plusieurs jours avant de le vider et de commencer à travailler dessus.

Capacité de stockage de la chaleur

Comme mentionné dans une section précédente, une mesure de la capacité d’un système est sa capacité de stockage de la chaleur. L’eau est l’une des substances les moins chères et les plus faciles à déplacer et à contrôler. C’est également l’un des meilleurs supports de stockage de chaleur connus. Par unité de poids, l’eau peut stocker quatre ou cinq fois plus de chaleur que la pierre, jusqu’à dix fois plus que la plupart des métaux, et environ quatre fois plus que l’air. Son seul inconvénient est qu’elle ne peut pas stocker la chaleur à des températures supérieures à 212°F, à moins d’être sous pression. Cela limite son utilité pour les applications à haute température. Cependant, pour les applications de chauffage d’espace dans les serres et autres applications agricoles, commerciales ou résidentielles, cette limitation n’est généralement pas un problème.

Par définition, une unité thermique britannique (BTU) est la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température d’une livre d’eau de 1°F. Un gallon d’eau pèse environ 8,3 livres, donc l’énergie thermique nécessaire pour augmenter la température d’un gallon de 100°F est :

8,3 livres x 100°F = 830 BTU

Par comparaison, augmenter la température de 8,3 livres de gravier de 100°F ne nécessiterait qu’environ 166 BTU.

Comme indiqué précédemment, l’eau ne peut pas être chauffée à plus de 212°F à la pression atmosphérique. Cette température détermine la limite supérieure de la quantité de chaleur que l’eau non pressurisée peut stocker. La limite inférieure est établie par la température de charge souhaitée. Par exemple, si une serre doit être maintenue à 65°F, cette température constitue la limite inférieure. La différence entre la limite supérieure et la limite inférieure,

212°F – 65°F = 147°F

indique la quantité de chaleur utilisable qu’un volume d’eau donné peut contenir.

En fait, il n’est pas pratique de ramener la température de stockage à la limite inférieure. Le taux de transfert de chaleur à la charge (par exemple, des radiateurs à l’air à l’intérieur d’une serre) est fortement réduit lorsque la température de l’eau entrante chauffée se rapproche de la température de l’air de la charge. C’est pourquoi il est souhaitable de maintenir la température inférieure de stockage de l’eau à au moins 35°F au-dessus de la température de charge souhaitée. Dans l’exemple précédent, donc, la température limite inférieure serait de 100°F et la différence de température ne serait pas de 147°F, mais

212°F – (65°F + 35°F) = 112°F

Donc, la plage de température de stockage de l’eau est limitée à 112°F. En utilisant cette information comme guide, nous pouvons maintenant déterminer la capacité de stockage nécessaire.

Si l’on détermine que la charge thermique souhaitée est de 200 000 BTU par heure et que l’on souhaite disposer de 6 heures de chauffage après l’extinction du feu, la quantité d’eau doit être adéquate pour stocker :

200 000 BTU/hr x 6 hr = 1 200 000 BTU

Soulever une livre d’eau de 1°F nécessite 1 BTU. Chaque livre d’eau ne peut stocker que 112 BTU. Par conséquent, la quantité d’eau nécessaire est :

1 200 000 BTU ÷ 112 BTU/lb = 10 714 lb

Puisque l’eau pèse 8,3 livres par gallon, 10 714 livres d’eau sont égales à 1 291 gallons.

Dans la pratique, la température maximale de l’eau dépasse rarement 200°F ; par conséquent, une capacité de stockage légèrement supérieure à 1 291 gallons est nécessaire.

Ces calculs supposent qu’aucune chaleur n’est perdue par le réservoir ou par les tuyaux qui transportent l’eau vers et depuis la charge. Ces pertes peuvent être importantes, selon la qualité de l’isolation des tuyaux, la distance entre le réservoir et la charge, et la température extérieure.

C’est une très bonne idée d’installer un thermomètre dans la ligne de sortie du réservoir. Il donnera une indication précise de la température de l’eau à l’intérieur du réservoir. Une baisse de la température de l’eau de plus de 20°F par heure est une bonne indication que le réservoir d’eau est trop petit, puisque le but d’un système d’eau chaude est de fournir une source constante de chaleur sans avoir besoin d’alimenter le feu constamment.

C’est aussi une bonne idée d’installer un thermomètre dans les lignes des deux côtés de la charge – par exemple, sur les lignes d’entrée et de sortie du radiateur ou de la banque de radiateurs. Cela permet de déterminer non seulement la quantité d’énergie perdue entre le réservoir et la charge, mais aussi l’efficacité avec laquelle les radiateurs extraient la chaleur de l’eau.

Pour une conception optimale du système, la capacité de stockage doit être basée sur la puissance nominale maximale du brûleur, la charge thermique requise et la durée maximale souhaitée entre les chargements de combustible. La discussion suivante illustre comment ces trois facteurs interagissent.

Supposons, comme dans l’exemple ci-dessus, que la charge thermique moyenne requise est de 200 000 BTU par heure. Cela signifie que pendant une heure de fonctionnement typique, 200 000 BTU de chaleur sont nécessaires. Il est probable qu’au milieu d’une nuit très froide, la quantité de chaleur nécessaire soit supérieure à ce chiffre. Mais pour disposer d’une quantité suffisante de chaleur, la capacité du brûleur doit être au moins égale à la charge moyenne plus les pertes. D’un point de vue pratique, il est conseillé que la puissance du brûleur soit égale à une fois et demie ou deux fois la charge thermique moyenne. Un brûleur plus grand peut produire de la chaleur pour le stockage ainsi que pour une utilisation immédiate aux moments où la charge est moyenne.

En plus de l’énergie stockée dans l’eau chaude (stockage dans le réservoir), il est également possible de stocker l’énergie thermique dans le système sous forme de bois non brûlé. C’est ce qu’on appelle le stockage dans le foyer. En prévision d’une nuit très froide, un exploitant de serre peut alimenter le système tout au long de la journée afin d’augmenter progressivement la température de l’eau jusqu’à 212°F. Même si l’eau contient déjà près de sa quantité maximale de chaleur, l’opérateur peut remplir à nouveau le foyer juste avant de partir pour la nuit. Ce combustible supplémentaire ajoute de l’énergie au système. Le combustible brûlant peut simplement remplacer la chaleur sortante et ainsi maintenir la température élevée de l’eau. Cependant, si le combustible supplémentaire ajoute trop de chaleur trop rapidement, l’eau dans le réservoir bouillira et l’énergie sera gaspillée sous forme de vapeur.

Il est peu probable qu’un système à eau chaude en fonctionnement réel soit soumis à de très grandes variations de charge. En d’autres termes, on ne lui demanderait pas de produire la puissance maximale une heure et aucune l’heure suivante. Au contraire, des augmentations et des diminutions graduelles se produisent normalement au cours de la journée, en fonction de la température extérieure et de nombreux autres facteurs. D’autre part, la chaleur fournie au système par le feu est normalement assez sporadique, en fonction de la quantité et de la fréquence de l’ajout de combustible. La valeur d’un système à eau chaude repose en partie sur sa capacité à stocker rapidement l’énergie thermique mais à la restituer lentement à un rythme contrôlé.

Si le brûleur produit plus de chaleur que ce qui est utilisé par le système, la chaleur supplémentaire sera stockée, à condition que la capacité de stockage n’ait pas été dépassée. Le dépassement de la capacité de stockage entraîne l’ébullition de l’eau. Dans ce cas, la chaleur excédentaire produite est évacuée du système sous forme de vapeur. L’énergie nécessaire pour faire bouillir l’eau est tout simplement gaspillée. L’ébullition fréquente dans un système d’eau chaude indique que le brûleur est trop grand ou qu’il est allumé trop souvent ou que la capacité de stockage de la chaleur du système est trop faible.

Si la capacité de stockage de la chaleur est insuffisante, une solution consiste à ajouter un autre réservoir. Un réservoir tandem est normalement positionné aussi près que possible du réservoir principal et relié par un tuyau d’entrée et de sortie et une pompe (figure 3). De cette façon, la capacité de stockage peut être augmentée assez facilement sans perturber le reste du système. L’eau doit toujours être pompée en permanence entre les deux réservoirs pour répartir la chaleur de manière uniforme. Cela peut être fait en ajoutant une pompe supplémentaire ou en utilisant une partie du débit d’une pompe existante si elle a une capacité excédentaire.

Les systèmes à eau chaude ne sont pas des systèmes à vapeur, c’est-à-dire qu’il n’y a jamais de pression dans le système autre que celle produite par les pompes. Le réservoir d’eau chaude doit être ventilé pour éviter que la pression ne s’accumule lorsque l’eau est chauffée et se dilate ou se transforme en vapeur. Un réservoir de stockage non ventilé est extrêmement dangereux. Il faut au moins deux évents sur le dessus du réservoir. Mieux encore, le trou d’homme qui est généralement découpé dans le haut du réservoir pendant la construction peut être laissé ouvert mais recouvert d’un morceau de tôle.

Isolation

Il est nécessaire d’isoler le réservoir et tous les tuyaux pour empêcher la fuite de la chaleur. Pour les réservoirs extérieurs, l’isolation en polyuréthane pulvérisé convient, surtout si elle est peinte et protégée de l’exposition directe au feu et au soleil. Un revêtement d’un pouce d’épaisseur, donnant un indice d’isolation R-7, coûte environ 1 $ par pied carré. Par exemple, pour un réservoir de 2 000 gallons de 64 pouces de diamètre et de 12 pieds de long, l’isolation coûtera environ 250 $. Le tableau 4 donne la valeur isolante estimée de différentes épaisseurs de polyuréthane sur les réservoirs.

Ce tableau montre que le coût de l’application d’une quantité minimale d’isolation peut facilement être justifié par les économies de coûts énergétiques. Le coût supplémentaire d’une isolation supérieure à 1⁄2 pouce d’épaisseur, cependant, est difficile à justifier.

Une alternative est de placer le système sous un toit de type shed où il peut être isolé avec des battes de fibre de verre relativement peu coûteuses. La fibre de verre, qui peut avoir un support en feuille d’aluminium, peut être maintenue en place avec un grillage à poules à grandes mailles. Le coût du hangar, de l’isolation, du film, du fil et de la main-d’œuvre peut être plus élevé que celui de l’isolation en polyuréthane pulvérisé, mais ce type d’isolation durera probablement beaucoup plus longtemps et donnera une meilleure valeur R.

Prévention de la rouille

Il est conseillé d’utiliser un certain type de mesures de prévention de la rouille pour protéger l’intérieur du réservoir et des tuyaux contre la corrosion. Il existe un certain nombre de produits chimiques commerciaux destinés à être utilisés principalement dans les chaudières à haute température. Certains d’entre eux seraient assez coûteux à acheter dans la quantité nécessaire pour protéger un système d’eau chaude de taille modérée.

Une méthode qui a été jugée adéquate dans les systèmes d’eau chaude est d’ajouter certains produits chimiques relativement peu coûteux pour augmenter le pH de l’eau. Parmi ceux-ci figurent le carbonate de potassium, le carbonate de sodium (lessive de soude) et l’hexa méta phosphate de sodium (Calgon). Ces produits chimiques empêchent la corrosion en recouvrant les parois métalliques des systèmes. Parmi les produits chimiques mentionnés ci-dessus, le Calgon est le plus efficace. On peut l’acheter dans la plupart des épiceries. Utilisez 5 livres pour chaque 1 000 gallons d’eau. Dans des conditions normales, aucun de ces produits chimiques ne se dégradera et, par conséquent, restera actif dans le système pendant longtemps.

Tubes à feu

Bien qu’une partie de la chaleur passe à l’eau à travers les parois de la chambre de combustion, le principal chemin de la chaleur du feu à l’eau passe par les tubes à feu. La plupart des systèmes sont conçus de telle sorte que les gaz chauds dégagés par le feu passent par une série de tubes à feu qui vont d’une extrémité à l’autre du réservoir de stockage. Dans de nombreux systèmes, on fait passer les gaz par le réservoir plus d’une fois.

Il est très important que le nombre et la taille des tubes à feu soient suffisants pour que la majeure partie de la chaleur soit transférée des gaz chauds à l’eau avant que les gaz ne s’échappent. En règle générale, environ 1 pied carré de surface d’échange de chaleur est nécessaire pour chaque 2 000 BTU de puissance nominale. Par exemple, si un système est dimensionné pour produire 200 000 BTU par heure, une surface d’échange thermique d’environ 100 pieds carrés est nécessaire. Cette zone peut inclure la surface refroidie à l’eau de la chambre de combustion ainsi que les tubes de feu eux-mêmes. Ces deux surfaces sont souvent appelées la surface du foyer.

Le diamètre extérieur des tubes à feu est utilisé pour calculer la surface. Le tableau 5 énumère plusieurs tailles couramment utilisées de tuyaux standard ainsi que leur diamètre extérieur réel et le nombre de pieds courants nécessaires pour obtenir 1 pied carré de surface.

La taille appropriée du tuyau à utiliser dépend d’un certain nombre de facteurs. Dans l’exemple de système ayant une capacité de 200 000 BTU par heure, 100 pieds carrés de surface d’échange thermique sont nécessaires. D’après le tableau 1, le volume recommandé pour le foyer est de 9 pieds cubes. Un foyer approprié ayant ce volume serait un foyer de 11⁄2 pieds de long, 2 pieds de large et 3 pieds de haut. La surface de cette chambre de combustion est de 27 pieds carrés (y compris la porte refroidie par eau). Par conséquent, la chambre de combustion fournira 27 pieds carrés des 100 pieds carrés nécessaires. Les tubes à feu doivent fournir les 73 pieds carrés restants.

Pour trouver la longueur de tuyau d’un diamètre donné nécessaire pour fournir la surface désirée, multipliez les chiffres de la troisième colonne du tableau 5. Par exemple, si vous choisissez un tuyau de 11⁄2 pouces, multipliez 73 pieds linéaires par 2,01 :

73 pieds x 2,01 pieds/pied carré = 146,72 pieds

Environ 147 pieds linéaires de tuyau de 11⁄2 pouces sont nécessaires pour obtenir 73 pieds carrés de surface d’échange thermique. En revanche, si vous utilisez un tuyau de 3 pouces, vous n’avez besoin que d’environ 80 pieds :

73 pieds x 1,09 pied/pied carré = 79,73 pieds

Quelle est la meilleure taille ? Considéré strictement du point de vue du coût, il n’y a pas beaucoup de différence entre 147 pieds de tuyau de 11⁄2 pouces et 80 pieds de tuyau de 3 pouces. Cependant, il est beaucoup plus facile de souder le plus gros tuyau. De plus, il sera nécessaire de nettoyer l’intérieur du tuyau de temps en temps pour enlever la cendre, la suie et autres dépôts. Il est plus facile de nettoyer une longueur plus courte de tuyau plus grand. Un plus grand nombre de petits tuyaux, cependant, serait un peu plus efficace dans le transfert de chaleur. L’expérience a montré que les tuyaux de 2 à 3 pouces fonctionnent mieux dans l’ensemble.

Les dépôts de cendres dans les tubes à feu réduiront considérablement le taux de transfert de chaleur. Il est bon d’avoir un moyen de déterminer leur bon fonctionnement. L’une des méthodes les plus efficaces et les moins coûteuses consiste à placer un thermomètre à haute température à l’endroit où les gaz quittent les tubes de fumée et commencent à monter dans la cheminée. Plus la température de l’eau est proche, plus les tubes à feu transfèrent efficacement la chaleur. Une température de gaz de 300 à 350°F indique un transfert de chaleur efficace. Une température de gaz de plus de 450°F indique que la zone d’échange de chaleur est trop petite ou que les firetubes ont été recouverts.

Stratification

Une condition curieuse se produit parfois dans les systèmes moyens à grands. Même si le foyer est constamment alimenté et que l’on peut voir l’eau bouillir par le haut du réservoir, la température de l’eau prélevée du réservoir pour être distribuée n’est que de 170 à 180°F. Cette situation se produit dans les systèmes où l’entrée et la sortie sont proches du fond du réservoir et où il n’y a pas de pompe de circulation auxiliaire pour maintenir l’eau en mouvement. Cette situation est appelée stratification et se produit lorsque de l’eau à différentes températures se sépare en couches distinctes, l’eau la plus chaude restant au sommet. La stratification peut se produire dans n’importe quel système, mais elle est généralement plus prononcée dans les grands systèmes.

La densité de l’eau à 100°F est environ 3,5 pour cent plus élevée qu’à 200°F. Tout comme l’air, l’eau chaude monte et l’eau froide descend. Pour éviter la stratification, l’eau doit rester en mouvement. Une méthode consiste à raccorder les tuyaux de retour en haut du réservoir, au-dessus de la chambre de combustion (la partie la plus chaude du système) et à tirer l’eau de la partie inférieure du réservoir à l’autre extrémité. Le problème avec cette approche est que les pompes de distribution peuvent ne pas fonctionner tout le temps et qu’une stratification peut se produire lorsque les pompes sont arrêtées.

Une meilleure solution consiste à installer une pompe de circulation auxiliaire fonctionnant en continu pour déplacer l’eau de la partie la plus froide à la partie la plus chaude du réservoir. Le mélange constant de l’eau empêchera la stratification. La pompe de circulation n’a pas besoin d’être volumineuse, car la hauteur de chute à surmonter est très faible. Elle doit être capable de pomper 0,2 à 0,5 fois la capacité du système par heure. Par exemple, un système de 2 000 gallons devrait avoir une pompe capable de pomper 400 à 1 000 gallons par heure. Une pompe électrique de 1⁄6 à 1⁄2 chevaux est généralement adéquate.

Figure 3. Un réservoir supplémentaire augmentera la capacité de stockage.

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Figure 3. Un réservoir supplémentaire augmentera la capacité de stockage.

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