All about static and automatic hydraulic balancing

On the same heating circuit, the simultaneous presence of rooms that are too hot and rooms that are poorly heated is symptomatic of the very common lack of balancing.
Whatever the true origin, be it faulty hydraulic balancing, sizing errors, operation of heterogeneous insulation, etc., the problem can be corrected by adjusting so-called balancing valves, as long as these are correctly distributed and sufficiently accessible.

Figure n°1: Adjustment tee and volumetric valve IMI Hydronic

The adjustment to be made is to throttle the taps of the favoured aerials in such a way that their flow decreases, and that of the unfavoured aerials increases.

The principle of regulation is therefore easy to understand, but its implementation is much more complex. This document details the conditions under which a hydraulic balancing operation will be carried out correctly, particularly on existing installations.

In general, a heating water distribution existing can only be easily balanced if balancing valves have been provided accessible, outside the occupied premises.
If the installation is not too old, this will normally have been allowed for by the design offices during the installation's conception by the installation of so-called 2-way taps.^th balancing level, located in basements, crawl spaces, or even stairwells and in any case outside occupied premises.

Figure 2: Taps (valves) for 2^th Balancing level

Circuits that only have balancing valves installed on the radiators are difficult to balance, as concurrent access to all of the rooms is very difficult to arrange if they are occupied.

In this situation, the distribution should be studied by a design office or a balancing expert to determine the possibilities of installing accessible taps of 2^th level.
It should be noted that the balancing of the circuit will be all the more effective, the greater the number of emitters «controlled» by the taps of 2^th The level will be moderate with an optimal number of 5 to 10 units.

As a general rule on existing installations, the only adjustment of the 2^th The balancing level (and higher levels) is sufficient to obtain a correct result. If disorders were to persist on a few particular antennae, it will always be possible to carry out additional local balancing. This can be done correctly because the corresponding group of emitters will have previously been normally supplied by the correct setting of its 2 valve.^th level.

If the installation of 2-way balancing valves^th given that the level is not achievable, a difficult access plan to all premises will have to be considered.
Since we're going with this expensive solution, we might as well also have the latest generation of thermostatic valves studied for installation, which will also provide «dynamic» balancing, the benefits of which we will study later.

Figure 3: Hydraulically dynamic thermostatic radiator valves Danfoss

Finally, it should be noted that setting these valves, like all balancing valves, requires precise initial hydraulic adjustment.
As we shall see later, if balancing is achieved by adjusting flow rates, determining these rates will require the involvement of a design consultancy, in the absence of records for the existing installations.

 

Three generations of balancing valves exist side by side.

1^Era Balancing valves (static and non-volumetric).
These taps do not allow for the measurement of circulating flow rates.

Figure 4: Non-volumetric balancing valves

There are two methods for settling them:

• Hydraulic simulation of distributions
• Standardisation of antenna return temperatures to balance

Hydraulic simulation of distribution systems requires a detailed survey of the network (section lengths, diameters, etc.), determination of the hydraulic behaviour of installed valves, and calculation of the flow rates to be set on each branch.
With existing installations, gathering all this data is complex and the uncertainties generated limit the chances of easily achieving a good result.

When facilities are equipped with this type of tap, the best solution is to proceed by Standardisation of water return temperatures for balancing the antennae.
This recent method will be presented further on.

2^th Generation: Static and volumetric balancing taps or valves.
These taps allow for the measurement of flow rates in circulation.

Figure no. 5: Volumetric balancing valves Oventrop and Company

Three methods allow for their settlement:

• Hydraulic simulation of distributions
• Setting and control of flow rates by on-site measurement
• Balancing water return temperatures of heating circuits

If we set aside the first solution due to the difficulties it presents on existing installations, we note that working by adjusting flow rates also requires the intervention of a design office to determine the flow rate to be adjusted on each antenna to be balanced.
On existing installations, the simplest solution remains to proceed by standardising water return temperatures.

3^th generation: Dynamic balancing taps or valves
Latest generation balancing valves, they are intended to be installed on variable flow circuits such as those fitted with thermostatic valves.

There are 2 types of taps to distinguish:

• Balancing taps or valves« Differential pressure regulators »

Figure n°6: Differential pressure control valves Honeywell and Danfoss

On a distribution system equipped with thermostatic radiator valves (TRVs), when they «close», the supply differential pressure (DP) of the circuit increases. This DP increase then opposes the closing of the TRVs and leads to an increase in flow in the emitters whose thermostatic radiator valves have not yet closed.
In this situation, the differential pressure control valve registers the DP increase and «closes» to restore it.

Some models, such as those pictured above, are not volumetric and therefore do not allow for the measurement of regulated flow rates. Their adjustment or the control of their adjustment will have to be carried out by measuring the return temperatures.

• 2^th types of dynamic balancing valves: Automatic balancing valves (also called self-balancing, supply pressure independent, PIBCV or flow regulators)

Figure n°7: So-called «automatic» balancing valves» IMI Hydronic

These taps have been designed to allow the adjustment of a single terminal unit as a heating coil for a CTA or fan coil unit.
They can be motorised, thus allowing the unit to be regulated under optimal hydraulic operating conditions.

They are sometimes used to ensure the balancing of aerials comprising several emitters fitted with 2-way control valves such as radiators fitted with thermostatic valves. Automatic balancing valves then replace the differential pressure control valves normally intended for this scenario.

This situation was not originally foreseen and is not mentioned in the manufacturers' technical specifications. Indeed, the functioning of the automatic balancing valve is not entirely optimal in this case and resembles that of a static balancing valve.

We can study this operation by consulting the article: «Automatic balancing, the conditions for success»

It is worth noting in the comments at the end of this article the points of view of two major manufacturers.
Therefore, IMI-Hydronic clarifies:
«Regarding the installation of automatic valves (PIBCVs, i.e. flow regulators) on variable flow rate systems (e.g. domestic premises fitted with thermostatic radiator valves), our positions as experts or as manufacturers specialising in hydraulics require us to maintain a technically irreproachable discourse. Even though the installation of PIBCVs at the entrance to domestic premises is undeniably increasing, we cannot ethically encourage this practice.»

More pragmatically on the same topic, Oventrop states even if there is a technical concession on hydraulics, the general regulation obtained with automatic valves is still much better than that obtained with static valves and pressure-regulating valves, as the latter are, most often, poorly or not at all regulated.

Indeed, the adjustment of differential pressure control valves often leaves something to be desired, particularly on non-volumetric models. If we do not work by return temperature measurements, their adjustment can only be carried out on the basis of a hypothetical pressure drop calculation. If we wish to balance by flow measurement, it is essential to opt for volumetric models, and several brands offer adaptable volumetric valves.

Figure n°6 bis: Adaptable volumetric tap with a differential pressure regulating tap Oventrop

It should be particularly noted in conclusion that one must not confuse «tap installation» with «tap adjustment», regardless of the generation of the models installed.

As with previous generations, dynamic balancing valves must undergo rigorous initial adjustment. This adjustment can be carried out by simulation and/or flow measurements and/or return temperature measurements. The subject will be developed in the following section.

On the existing collective heating installations, three methodologies de réglage initial des robinets d’équilibrage sont aujourd’hui utilisées.

• 1^Era méthode : Simulation du comportement hydraulique des réseaux

Sur les installations existantes, il est théoriquement possible d’effectuer les relevés nécessaires à l’estimation des débits et des pertes de charges des circuits pour en déduire par calcul le préréglage des robinets d’équilibrage. Il s’agit cependant d’un difficile « jeu de piste », sauf à exploiter des plans de distribution rarement disponibles.

Cette possibilité particulièrement développée par Monsieur Pierre Fridmann nécessite la possibilité de pouvoir ensuite vérifier le résultat de tous les préréglages effectués, soit par mesure des débits, soit par mesure des températures de retour d’eau.

Cette méthode concerne plutôt les installations neuves ou récentes qui ne présentent pas encore d’imprévisibles encrassements et sur lesquelles toutes les données de calcul nécessaires sont disponibles.
Elle peut notamment être utilisée pour déterminer les écarts de pression à régler sur les robinets « régulateurs de pression différentielle » disposant de graduations de réglage en unités de pression.
Le résultat de la simulation permet d’effectuer le préréglage des robinetteries avant qu’il soit ensuite contrôlé et ajusté sur site les débits d’eau ou les températures de retour d’eau effectivement obtenus.

• 2^th méthode : Calcul, réglage et contrôle des débits à véhiculer

La méthodologie consiste à calculer et régler les débits à véhiculer. Elle nécessite bien sûr la présence de robinetteries dites « volumétriques », statiques ou dynamiques, permettant la mesure des débits.
Elle n’est donc pas applicable aux robinets non-volumétriques tels que les simples té de réglage installés en sortie de radiateurs, mais aussi en pied de colonne et surtout en retour des boucles de plancher chauffant.

Rappelons également que certains robinets régulateurs de pression différentielle ne sont pas volumétriques. Leur réglage ou le contrôle de leur réglage devra s’effectuer que par mesure des températures de retour.

Sur les installations existantes, pour la détermination des débits à régler, un bureau d’étude devra effectuer les relevés nécessaires à l’estimation des déperditions correspondant à chacune des antennes de chauffage à traiter.
Il devra pour cela calculer les déperditions des locaux standards et des locaux particuliers (sous terrasse, contre pignon, etc.). Puis, ce qui est souvent très délicat, il devra correctement les affecter à chacune des antennes à régler.

Le réglage des débits nécessite l’utilisation d’une mallette de mesure et, si les robinets ne sont pas dynamiques, l’utilisation d’une méthodologie particulière.
On pourra acquérir une de ces méthodes sur l’Eformation Xpair ou sur Simulateur.

Figure n°9 : Contrôle de débit Source Oventrop et mallette de mesure IMI Hydronic

Si les robinets à régler sont de type dynamique le réglage des débits peut s’effectuer plus facilement, sans utilisation de méthode particulière, sinon la vérification que le robinet le plus défavorisé dispose d’une pression différentielle d’alimentation suffisante.

Sur certains robinets dynamiques gradués en débit, le préréglage pourra s’effectuer sans mesure, mais cela ne devra pas affranchir de la mesure finale des débits obtenus lorsque tous les robinets auront été préréglés.
Sur les modèles qui ne sont pas gradués en débit, notamment les robinets régulateurs de pression différentielle, le réglage des débits ne pourra être effectué sans leur mesure effective (s’ils sont par ailleurs de type volumétriques).

Lorsque tous les robinets dynamiques auront été réglés ou préréglés, s’ils sont de types volumétriques, un équilibrage sérieux se conclura par la mesure de tous les débits en circulation afin de s’assurer que les interactions hydrauliques entre les antennes ont bien été traitées.
Rappelons en effet qu’il suffit de quelques antennes défavorisées pour devoir surchauffer tout le reste de la distribution, et le comportement hydraulique des circuits, notamment existants, réserve souvent bien des surprises.

• 3^th méthode : Mesure et uniformisation en saison de chauffe des températures de retour d’eau

Cette solution plus récente dite « méthode EQUILOG » consiste, installation de chauffage en fonctionnement et température de départ stabilisée, à mesurer les températures de retour d’eau des antennes à équilibrer et à les uniformiser de telle sorte que toutes les antennes à régler soient « aussi chaudes » les unes que les autres.

D’apparence « simpliste », le procédé a fait, et fait encore, l’objet de critiques bien naturelles de ses concurrents. On pourra lire à ce sujet « Equilibrage hydraulique : du nouveau pour une méthode simple ». Mais on peut constater que sur plusieurs centaines de sites, plus de 80000 équivalents logements ont été à ce jour ainsi traités dans de bonnes conditions de rentabilité.

Après équilibrage, les antennes présenteront des températures de retour et des écarts de température aller/retour comparables (*).

Figure n°11 : Uniformisation(*) des températures d’eau d’un circuit de chauffage

(*) Lorsque la distribution hydraulique s‘y prête, il est bien sûr possible de régler des températures d’eau différenciées sur chaque antenne, pour tenir compte d’opérations locales d’isolation.
Cependant, on constate que sur les bâtiments ayant fait l’objet de rénovations thermiques homogènes (remplacement de l’ensemble des ouvrants, isolation de toutes les parois verticales extérieures), l’équilibrage initial ou postérieur réalisé par uniformisation des températures d’eau suffit à l’obtention d’un bon résultat.
L’ajustement de la puissance de chauffage peut ensuite s’effectuer par simple réglage de la température de l’eau en départ de chaufferie (réglage de la loi de chauffe).

Le procédé applicable à tous les types de robinets, a pu être optimisé grâce aux progrès réalisés dans le domaine de la thermométrie infrarouge et aux recherches effectuées par le GMTI94 – GEFEn.
On pourra étudier son principe sur l’Eformation Xpair ou sur Simulateur.

Le principal avantage de la méthodologie est de pouvoir s’affranchir de tous les calculs de déperditions ou de relevés d’installation sur les réseaux normalement dimensionnés. Elle est de ce fait particulièrement adaptée aux circuits existants sur lesquels les archives sont rarement disponibles.

Mise en œuvre expérimentalement dans les années 2000, cette procédure a été brevetée en France et récemment dans 15 pays européens.
La méthode « EQUILOG » est notamment mise en œuvre par « la société MAPSEC »(*) pour le compte de diverses sociétés d’exploitation et d’installation (Dalkia, Cofely-Soccram, Idex, etc.).
(*) MAPSEC 80 rue de Paris 93100 Montreuil Tél : 01 48 59 06 05 – www.mapsec.fr

Figure n°10 : Contrôle de température d’eau Source Mapsec

Notons enfin que dans l’article consacré aux robinets d’équilibrage dynamiques évoqué dans le § précédent, l’ingénieur représentant Oventrop indique dans les commentaires en fin de dossier.
« Pour l’existant l’équilibrage par uniformisation des températures de retour est également à mon sens la meilleure méthode, si la chute de température retenue est la bonne.
Malgré tout, cette méthode est chronophage et difficilement acceptée par les installateurs spécialistes du logement quand elle doit être effectuée manuellement.
Il existe des robinets qui font cela de façon automatique, mais le prix n’est pas le même »

Effectivement l’équilibrage par uniformisation des températures de retour nécessitait autrefois de longs temps d’attente de stabilisation thermique, mais les derniers progrès réalisés permettent aujourd’hui de s’en affranchir et la durée des opérations est devenue très compétitive.

On pourrait par ailleurs effectivement envisager de façon automatique la réalisation et le maintien dans la durée d’équilibrages par uniformisation des températures de retour. Mais, en l’état de la technologie cela nécessiterait l’installation et l’alimentation électrique de robinets d’équilibrage automatiques motorisés et raccordés à un automate ou à une GTB.
D’un point de vue économique cela reste pour le moment difficilement envisageable, du moins sur les installations existantes.

Il faut surtout bien distinguer les activités de désembouage (lorsque nécessaire) et celles d’installation de robinets d’équilibrage, de celle de leur réglage initial proprement dit.

En effet, quel que soit le type de robinet, il est tentant pour une entreprise d’installation ou de désembouage d’intégrer à sa proposition le poste de mise en service sans toujours être à même de pouvoir en définir tous les paramètres.

Evidemment on peut imaginer qu’une même société puisse répondre à l’ensemble d’une opération de rééquilibrage, mais il faut alors qu’elle dispose d’équipes aux savoirs-faire très différents, pratiques et théoriques.

D’une façon générale il faudra donc être extrêmement prudent dans le choix d’une entreprise candidate à une action d’équilibrage. Il s’agit d’une spécialité technique difficile et les contre-performances sont nombreuses car la vérification de la qualité du travail réalisé est difficile à effectuer.

Même si cela devait induire un surcout, on n’hésitera donc pas à dissocier les interventions de telle sorte que les phases d’étude et/ou de mise au point soient assurées par des spécialistes du sujet.

Un bon moyen de sélection sera de demander, lors de la consultation, le type de méthode qui sera utilisé, et de bien faire préciser les données qui seront restituées après l’opération.
Un quelconque flou ou une hésitation sur les réponses apportées sur l’un ou l’autre de ces 2 points sera sans doute le signe d’une prestation mal maitrisée.

Si l’entreprise travaille par mesure de débit ou par simulation hydraulique, on pourra ainsi demander que la proposition inclue la remise finale:

• Du calcul détaillé des déperditions en correspondance avec chaque robinet à traiter et ayant conduit à l’établissement des débits à régler. On pourra ainsi s’assurer que les débits visés ne sont pas le résultat de grossières estimations.
• D’une grille certifiée des débits mesurés à l’issue du réglage de tous les robinets (et ne pas se contenter de la grille des débits théoriquement prévus). On pourra ainsi s’assurer que les interactions hydrauliques entre les antennes à régler ont été effectivement prises en compte et si utile pouvoir le contrôler.

Si l’entreprise travaille par mesure des températures de retour, on pourra demander que la proposition inclue:

• Quelques références correspondantes ou mieux, la communication d’au moins un rapport détaillé d’une opération précédemment effectuée. On pourra ainsi s’assurer de l’expérience du candidat car si le principe de la méthode est ancien, il n’est vraiment maitrisé que depuis peu.
• La restitution d’un graphique certifié, complet et détaillé des températures de retour mesurées, avant et après équilibrage, avec indication des températures de départ stabilisées pour lesquelles ces relevés ont été effectués. On pourra ainsi s’assurer de la qualité du travail réalisé.

Il n’est pas facile de prévoir l’économie d’énergie à attendre d’une opération d’équilibrage.
En effet, si dans l’hypothèse d’un équilibrage parfaitement réalisé, on peut l’estimer à partir d’une cartographie des températures ambiantes initiales, celle-ci est en réalité très difficile à interpréter.
En tout état de cause, si l’on choisit cette voie d’estimation, il faut s’appuyer sur des enregistrements réalisés en période très froide et en l’absence de tout apport gratuit (ensoleillement, appareillage électrique, etc.) et non sur des mesures instantanées.

Fig 15 : Exemple d’enregistrement de températures ambiantes perturbées par les apports gratuits

Mais encore plus délicat est la prise en compte de l’implantation des robinetteries d’équilibrage qui pourront réellement être réglées. En effet, sur les installations de chauffage existantes, l’équilibrage ne s’effectue généralement que sur les robinets accessibles de 2^th niveau (voir 2^th §). En conséquence, la plus ou moins bonne implantation de ce 2^th niveau est un paramètre essentiel pour l’estimation de l’économie d’énergie à attendre.

Sur ce point la société MAPSEC utilise une méthodologie dite REQUILOG qui lui permet à partir d’une cartographie des températures de retour d’eau mesurées à hauteur des robinets à régler, d’évaluer l’ampleur du déséquilibre qui pourra effectivement être traité.
Aussi, lorsque cela est possible, les opérations d’équilibrage qui lui sont confiées sont précédées d’une opération de diagnostic incluant cette évaluation, ce qui permet au décideur de mieux juger de l’intérêt de procéder ou non à l’opération.

Enfin notons que l’économie d’énergie découlant d’une opération d’équilibrage nécessitera l’implication ultérieure du technicien en charge du réglage de sa régulation.
En effet si l’équilibrage devait consister au final à ramener les locaux initialement les moins bien chauffés dans la situation des mieux chauffés, ce n’est pas une économie d’énergie que l’on obtiendrait…

Globalement, il semble que le % moyen des économies d’énergie après rééquilibrage des distributions de chauffage soit de l’ordre de 7% pour des amortissements de l’ordre de 2 à 3 années si le circuit ne nécessite pas ou peu de remplacements de robinets.

Jusqu’en décembre 2014, ces opérations pouvaient être intégrées au dispositif des Certificat d’Economie d’Energie pour un pourcentage forfaitaire d’économie d’énergie de 10%.
Les fiches BAR et BAT SE 04 correspondantes sont actuellement en cours de modification. Elles devraient reparaitre sous d’autres appellations dans le prochain arrêté ministériel consacré aux CEE.

Enfin pour conclure, une certitude, les opérations d’équilibrage sont globalement parfaitement rentables si elles s’effectuent avec rigueur.

La meilleure preuve en est le travail accompli par le service d’équilibrage de la société Dalkia en IdF(*) créé il y a une dizaine d’année pour exploiter la méthode EQUILOG et actuellement géré par Monsieur Christophe Tillay.
On pourra lire sur Xpair le compte rendu d’une de ses réalisations dans l’article « Opération d’équilibrage par uniformisation des températures de retour ».

(*) Dalkia Ile-de-France, Service Equilibrage, 28 Boulevard de Pesaro, 92 751 NANTERRE CEDEX Tel: 01 55 67 68 97

Les centaines d’opérations d’équilibrage réalisées par ce service l’ont été exclusivement sur des ensembles immobiliers gérés par la société dans le cadre de contrats MF (marché forfaitaire) ou MT (marché température). Sur ce type de contrats insuffisamment répandus, le client verse annuellement à l’exploitant une somme forfaitaire (ou corrigée des DJU) contre l’assurance d’un chauffage optimal.

L’approvisionnement en combustible est alors entièrement à la charge de la société d’exploitation. Son premier intérêt est donc de le réduire dans la limite d’un chauffage correct pour le client, puisque l’intégralité des économies d’énergie réalisées lui reviendra.

Ce type d’affaire encourage bien évidemment le prestataire à la meilleure gestion possible de l’installation et à lui affecter ses meilleures équipes. D’un point de vue écologique la situation est ainsi optimale.
Pour sa part, sans surcout particulier, le client a la garantie d’un chauffage pérenne et bien réglé et celle de récupérer, à l’issue de contrats généralement de 8 années, une installation aussi bien entretenue que possible.

Les équilibrages réalisés par le service Equilibrage de Dalkia IdF ont donc été financés sur fonds propres et amortis en quelques années par les économies d’énergies engendrées.
Le maintien et le développement sur 10 ans de ce service est une preuve indéniable de la bonne rentabilité de ce type d’opérations.

L’abaissement de la consommation énergétique de notre parc de chauffages collectifs existants repose sur l’isolation, le bon réglage des combustions, de la régulation et de l’équilibrage.

Malgré son influence majeure sur le réglage de la régulation et le rendement des chaudières à condensation (et des cogénérations), le dernier poste était jusqu’à présent le maillon faible.

Après une très longue pause, jamais le problème n’a autant été d’actualité.

Les progrès récents dans le domaine des robinetteries et de la mise au point devraient permettre de mieux exploiter un des plus importants gisements d’économie d’énergie restant disponible.