Todo sobre el balanceo hidráulico estático y automático

En un mismo circuito de calefacción, la presencia simultánea de locales demasiado calientes y locales poco calientes es sintomática del defecto de equilibrio tan extendido.
Independientemente de su verdadero origen, ajuste hidráulico incorrecto, errores de dimensionamiento, operación de aislamientos heterogéneos, etc., el problema puede corregirse ajustando válvulas de equilibrio, siempre que estén correctamente distribuidas y sean suficientemente accesibles.

Figura n°1: Te de regulación y grifo volumétrico IMI Hydronic

El ajuste a realizar consiste en limitar los grifos de las antenas favorecidas de tal manera que, al disminuir su caudal, aumente el de las antenas desfavorecidas.

El principio de ajuste es, por tanto, fácil de entender, pero su aplicación mucho más delicada. Este documento detalla en qué condiciones se llevará a cabo correctamente una operación de equilibrado hidráulico, especialmente en instalaciones existentes.

En términos generales, una distribución de agua de calefacción existente sólo puede ser fácilmente equilibrado si se han previsto grifos de equilibrado accesibles, fuera de los locales ocupados.
Si la instalación no es demasiado antigua, esto normalmente ha sido previsto por las oficinas de ingeniería durante el diseño de la instalación mediante la instalación de grifos llamados de 2^enésimo nivel de equilibrado, situados en los sótanos, los forjados sanitarios, o incluso los huecos de escalera y en cualquier caso en el exterior de los locales ocupados.

Figura 2: Grifos de 2^enésimo nivel de equilibrio

Los circuitos que solo tienen válvulas de equilibrado instaladas en los radiadores son difíciles de equilibrar, ya que el acceso simultáneo a todos los locales es muy difícil de organizar cuando están ocupados.

En esta situación, corresponde hacer estudiar la distribución por una oficina de estudios o un experto en equilibrado para determinar las posibilidades de instalación de grifos accesibles de 2^enésimo nivel.
Observemos que el equilibrio del circuito será tanto más eficaz cuanto mayor sea el número de emisores «controlados» por las válvulas de 2^enésimo El nivel será moderado con un número óptimo de 5 a 10 unidades.

En regla general, en las instalaciones existentes, el único ajuste del 2^enésimo El nivel de equilibrado (y de los niveles superiores) es suficiente para obtener un resultado correcto. Si, aun así, persistieran desórdenes en algunas antenas particulares, siempre será posible proceder localmente a su equilibrado complementario. Este podrá realizarse correctamente porque el grupo de emisores correspondiente habrá sido previamente alimentado normalmente con el ajuste correcto de su grifo de 2^enésimo nivel.

Si la instalación de válvulas de equilibrio de 2^enésimo el nivel no es factible, habrá que considerar un difícil plan de acceso a todas las instalaciones.
Ya que vamos a optar por esta solución costosa, podremos aprovechar para estudiar la instalación de la última generación de grifos termostáticos capaces de garantizar además un equilibrado «dinámico» cuyo interés estudiaremos posteriormente.

Figura 3: Válvulas termostáticas hidráulicamente dinámicas Danfoss

Finalmente, cabe señalar que el ajuste de estas válvulas requiere, como en todas las válvulas de equilibrado, un ajuste hidráulico inicial preciso.
Como veremos posteriormente, si el balance se realiza ajustando caudales, su determinación requerirá, en ausencia de referencias sobre instalaciones existentes, la intervención de una oficina de estudios.

 

Tres generaciones de grifos de equilibrado coexisten.

1^ère generación: Las válvulas o llaves de equilibrado estáticas y no volumétricas.
Estos grifos no permiten medir los caudales en circulación.

Figura 4: Válvulas de equilibrado no volumétricas

Dos métodos permiten ajustarlos:

• Simulación hidráulica de distribuciones
• Uniformización de las temperaturas de retorno de las antenas a equilibrar

La simulación hidráulica de las distribuciones supone el levantamiento detallado de la distribución (longitudes de tramos, diámetros, etc.), la determinación del comportamiento hidráulico de las válvulas instaladas y el cálculo de los caudales a ajustar en cada antena.
En las instalaciones existentes, el conjunto de estos datos es complejo de reunir y las incertidumbres generadas limitan las posibilidades de obtener fácilmente un buen resultado.

Cuando las instalaciones están equipadas con grifos de este tipo, la mejor solución consiste en proceder por unificación de las temperaturas de retorno de agua de las antenas a equilibrar.
Este método reciente se presentará más adelante.

2^enésimo generación: Las llaves o válvulas de equilibrado estáticas y volumétricas.
Estos grifos permiten la medición de caudales en circulación.

Figura n° 5: Válvulas de equilibrado volumétrico Oventrop y Compa

Tres métodos permiten resolverlos:

• Simulación hidráulica de distribuciones
• Reglaje y control de caudales mediante mediciones in situ
• Uniformización de las temperaturas de retorno del agua de las antenas a equilibrar

Si se descarta la primera solución dadas las dificultades que presenta en las instalaciones existentes, cabe señalar que trabajar mediante el ajuste de caudales también requiere la intervención de una oficina de estudios para determinar el caudal a ajustar en cada antena a equilibrar.
En las instalaciones existentes, la solución más sencilla sigue siendo proceder mediante la uniformización de las temperaturas de retorno de agua.

3^enésimo Generación: Las válvulas de equilibrado dinámicas
La última generación de grifos de equilibrado, están destinados a ser instalados en los circuitos de flujo variable como los que están equipados con válvulas termostáticas.

Hay que distinguir 2 tipos de grifos:

• Las válvulas de equilibrado « reguladores de presión diferencial »

Figura n°6 : Válvulas reguladoras de presión diferencial Honeywell y Danfoss

En una instalación equipada con válvulas termostáticas (Rth), cuando estas se «cierran», el diferencial de presión de alimentación (DP) de la red aumenta. Este aumento del DP se opone entonces al cierre de las Rth y conduce al aumento del caudal en los emisores cuyas válvulas termostáticas aún no se han cerrado.
En esta situación, la válvula reguladora de presión diferencial detecta el aumento de la DP y se «cierra» para restablecerla.

Ciertos modelos, como los de la foto de arriba, no son volumétricos y por lo tanto no permiten la medición de caudales regulados. Su ajuste o el control de su ajuste deberá realizarse mediante la medición de las temperaturas de retorno.

• 2^enésimo tipo de válvulas de equilibrado dinámicas: Las válvulas de equilibrado automáticas (también llamados autoequilibrados o independientes de la presión de alimentación, o reguladores de caudal)

Figura n.º 7: Válvulas de equilibrado llamadas «automáticas» IMI Hydronic

Estos grifos fueron diseñados para permitir el ajuste de una única unidad terminal como un intercambiador de calor para una CTA o un ventiloconvector.
Pueden ser motorizados y así permitir la regulación de la unidad en las mejores condiciones de funcionamiento hidráulico.

A veces se utilizan para equilibrar antenas que tienen varios emisores equipados con válvulas de control de 2 vías tales como radiadores equipados con válvulas termostáticas. Las válvulas de equilibrado automáticas sustituyen entonces a las válvulas reguladoras de presión diferencial previstas normalmente para este caso.

Esta situación no estaba prevista originalmente y no se menciona en las especificaciones técnicas de los fabricantes. De hecho, el funcionamiento de la válvula de equilibrado automático no es del todo óptimo en ese momento y, en esta situación, se asemeja al de una válvula de equilibrado estático.

Podremos estudiar este funcionamiento consultando el artículo: « Equilibrio automático, las condiciones del éxito »

Se notará en los comentarios al final de este artículo la opinión de 2 grandes fabricantes.
Así, IMI – Hydronic precisa:
« Sobre la instalación de válvulas automáticas (PIBCV, Regulador de caudal en este caso) en redes de caudal variable (viviendas equipadas con válvulas termostáticas, por ejemplo), nuestras posiciones de expertos o industriales especialistas en hidráulica nos imponen mantener un discurso técnicamente impecable. Aunque es innegable el desarrollo de la instalación de PIBCV a la entrada de las viviendas, éticamente no podemos fomentar esta práctica. »

Más pragmático sobre el mismo tema, Oventrop indica que si hay una concesión técnica en la hidráulica, el ajuste general obtenido con grifos automáticos es, de todos modos, mucho mejor que el obtenido con grifos estáticos y grifos reguladores de presión, ya que estos últimos, en la mayoría de los casos, están poco o nada ajustados.

Efectivamente, el ajuste de los grifos reguladores de presión diferencial a menudo deja que desear, especialmente en modelos que no son volumétricos. Si no se trabaja mediante mediciones de temperatura de retorno, su ajuste solo podrá realizarse sobre la base de un cálculo hipotético de pérdida de carga. Si se desea realizar el equilibrado mediante medición de caudal, es indispensable optar por modelos volumétricos, y varias marcas ofrecen grifos volumétricos adaptables.

Figura n°6 bis: Válvula volumétrica adaptada con una válvula reguladora de presión diferencial Oventrop

Notemos, pues, sobre todo en conclusión, que no hay que confundir « instalación de grifos » y « ajuste de grifos », y esto sea cual sea la generación de los modelos instalados.

Al igual que las generaciones anteriores, los grifos de equilibrado dinámico deben someterse a un ajuste inicial riguroso. Este ajuste se puede realizar mediante simulación y/o mediciones de caudal y/o medida de las temperaturas de retorno. El tema se desarrollará en el § siguiente.

En las instalaciones de calefacción colectiva existentes, tres metodologías de réglage initial des robinets d’équilibrage sont aujourd’hui utilisées.

• 1^ère 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^enésimo 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^enésimo 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 Mapa

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^enésimo niveau (voir 2^enésimo §). En conséquence, la plus ou moins bonne implantation de ce 2^enésimo 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.