Boucle d’eau chaude sans débit : air, vannes, circulateur

Le circulateur tourne, le moteur absorbe du courant et les manomètres affichent des valeurs. Pourtant, les radiateurs, les batteries ou les échangeurs de procédé situés en bout de boucle d'eau chaude restent froids. Vous pouvez rencontrer ce cas à la mise en service d'un circuit d'eau chaude fermé conçu par un entrepreneur japonais, construit autour de pompes et d'échangeurs japonais, ou livré avec une fiche d'essais japonaise pleine de termes comme jusui (remplissage) et ea-nuki (purge d'air).

En bref : une pompe qui tourne ne garantit pas que la bonne quantité d'eau chaude arrive aux utilisateurs. Quand une boucle d'eau chaude ne circule pas, vérifiez les causes dans l'ordre : eau d'appoint et remplissage, vannes fermées, sens de rotation de la pompe, corps étrangers restés dans la ligne, air piégé, et seulement ensuite l'adéquation de la pompe au circuit. Distinguez aussi deux pressions : la pression statique qui maintient la boucle pleine, et la pression différentielle dont la pompe a besoin pour faire circuler l'eau. Dans une boucle fermée et pleine, la hauteur du bâtiment ne s'ajoute pas à la hauteur manométrique du circulateur.

Ce guide passe en revue six causes, déroule un exemple de calcul de pression statique et de hauteur manométrique, liste les relevés à consigner pendant la mise en service, puis propose une liste de contrôle et des questions à poser au fournisseur.

Sommaire

1. D'abord, distinguer « pas de débit » et « du débit mais pas de chaleur »
2. Six causes à vérifier, dans l'ordre
3. Pression statique et hauteur manométrique de circulation : un exemple chiffré
4. Relevés à consigner pendant la mise en service
5. Liste de contrôle avant d'appeler le fournisseur
6. Questions à poser au fournisseur ou à l'entrepreneur japonais
7. Limites de ce guide
8. FAQ
9. Sources

D'abord, distinguer « pas de débit » et « du débit mais pas de chaleur »

Avant de toucher à la moindre vanne, déterminez de quel problème il s'agit : l'eau de la boucle ne circule-t-elle pas du tout, ou circule-t-elle sans apporter de chaleur ? Relevez en même temps le débit, les températures de départ et de retour, et les pressions à l'aspiration et au refoulement de la pompe. Des mesures prises simultanément réduisent bien plus le champ de recherche qu'un manomètre isolé.

Ce guide concerne les boucles fermées de circulation d'eau chaude, comme celles des hôpitaux, des hôtels et des usines : l'eau chauffée dans un échangeur part vers les utilisateurs, puis revient pour être réchauffée. Ne les confondez pas avec la tuyauterie qui compense l'eau soutirée pour l'eau chaude sanitaire, ni avec les circuits qui transfèrent de l'eau vers un réservoir ouvert distinct. Avant de commencer, suivez le schéma du circuit : entrée et sortie d'eau, raccordement du vase d'expansion, position de la pompe et trajet de retour de chaque utilisateur.

Six causes à vérifier, dans l'ordre

1. L'eau d'appoint ne remplit pas le circuit

Après une installation neuve ou une vidange, une vanne d'isolement fermée sur la ligne d'eau d'appoint (hokyu-sui) empêche de remplir le circuit, et l'air y reste. Ne vous fiez pas à la seule pression de la ligne d'appoint. Comparez les pressions en amont et en aval de la vanne ainsi que du côté boucle, et vérifiez le niveau d'eau et les enregistrements de remplissage.

La position normale de la vanne d'appoint et la commande de remplissage automatique dépendent de la conception et des procédures d'exploitation. Les soupapes de sécurité ainsi que les petites vannes et instruments ne sont pas représentés.

Une boucle fermée déjà pleine, sans fuite et qui conserve son volume d'eau peut circuler sans apport continu d'eau d'appoint. Une vanne d'appoint fermée ne prouve donc pas, à elle seule, la cause du problème. Cherchez des preuves que la boucle manque réellement d'eau.

Si la pression baisse de façon répétée, ne vous contentez pas de compléter. Vérifiez aussi les fuites, les vidanges, les rejets par la soupape de sécurité et l'état du dispositif d'expansion. Le vase d'expansion absorbe la variation de volume de l'eau due à la température ; son rôle est différent de celui du circulateur.

2. Une vanne de la boucle est fermée

Si une vanne d'isolement située sur un trajet en série est fermée, la circulation dans ce trajet s'arrête. Reportez les numéros de vannes et le sens d'écoulement sur le schéma, puis suivez toute la boucle : aspiration et refoulement de la pompe, les deux côtés de l'échangeur et le côté utilisateurs.

Lorsque des branches sont montées en parallèle, la fermeture d'une vanne de branche peut n'arrêter l'écoulement que dans cette branche, l'eau continuant de passer par les autres. Si le débit total semble normal mais que les utilisateurs éloignés restent froids, contrôlez pour chaque branche les vannes, les signaux de commande et les réglages d'équilibrage.

Un by-pass ouvert peut aussi priver les utilisateurs éloignés : l'eau emprunte le chemin court, de faible résistance, et n'arrive pas en quantité suffisante à destination. N'ouvrez pas toutes les vannes en grand par principe. Comparez plutôt les positions actuelles des vannes avec les positions approuvées de mise en service.

Contrôlez également les vannes dont la position du volant ne correspond plus à celle de l'obturateur interne, ainsi que les clapets anti-retour montés à l'envers ou défaillants. Lisez chaque manomètre en tenant compte de son emplacement et du côté de la vanne où il se trouve.

3. La pompe tourne à l'envers

Modifier les raccordements d'un moteur triphasé inverse son sens de rotation, et une pompe centrifuge qui tourne à l'envers ne fournit ni le débit ni la hauteur attendus. Un arbre qui tourne ne prouve pas que le sens est correct. Comparez-le avec la flèche portée par la pompe et avec le point d'observation indiqué par le fabricant.

Le contrôle du sens de rotation est confié au personnel responsable, pompe amorcée et vannes positionnées, selon la procédure de mise en service de la notice. N'enlevez pas les protections pour approcher les parties tournantes et ne laissez pas la pompe fonctionner à sec pour observer le sens.

Permuter deux des trois phases inverse un moteur triphasé, mais toute modification de câblage exige d'abord la consignation de l'alimentation et la vérification d'absence de tension (VAT). Pour une pompe pilotée par un variateur de fréquence, suivez les instructions du fabricant et ne supposez pas qu'un simple changement d'ordre des phases en entrée du variateur corrigera le sens de rotation.

Une consigne de vitesse ou de fréquence inférieure aux conditions de conception ne donnera pas non plus les performances attendues. Consignez la valeur de commande et l'état réel de fonctionnement, puis comparez le débit et la pression mesurés avec la courbe de la pompe correspondant à la vitesse effective.

4. Ruban, bouchons ou plaques d'obturation restés dans la ligne

Les bouchons de protection, les protections de faces de bride et les plaques d'obturation provisoires restés en place après les travaux peuvent bloquer le passage. Un ruban de protection oublié est une possibilité de plus, liée à l'installation, à examiner lorsque l'eau ne passe toujours pas alors que toutes les vannes sont ouvertes.

Commencez par les comptes rendus de travaux et les enregistrements des inspections réalisées tuyauterie ou équipement ouverts, puis vérifiez la pression différentielle et le débit de part et d'autre du tronçon suspect. Ne forcez pas la pompe pour pousser l'obstacle : préparez une inspection qui évite d'entraîner des débris dans les équipements.

L'ouverture d'une bride pour regarder à l'intérieur n'intervient qu'après l'arrêt, la consignation, le refroidissement, la vidange et la vérification de l'absence de pression résiduelle. Ne desserrez jamais un raccord sur une tuyauterie chaude ou sous pression, et convenez du périmètre d'intervention avec l'installateur avant l'inspection.

Un filtre (crépine) encrassé par des copeaux, des scories de soudure ou de la rouille est une autre obstruction à écarter. Tenez compte de la maille du filtre et de sa perte de charge, et comparez les relevés avant et après nettoyage au même débit.

5. De l'air est piégé aux points hauts

L'air resté aux points hauts ou dans les équipements après le premier remplissage rétrécit le passage de l'eau ou est aspiré par la pompe. Un débit instable et des gargouillis sont des indices, mais le bruit seul ne suffit pas à conclure que l'air est la seule cause.

Purgez l'air aux points hauts, sur les équipements et sur les pompes prévus pour le circuit, en suivant leurs procédures. Sur les boucles à nombreuses branches, suivez l'état de remplissage section par section. Toutes les pompes n'ont pas la même vis de purge, et l'on n'ouvre pas un purgeur à volonté pendant le fonctionnement.

L'ouverture d'une vanne sur de l'eau chaude ou sous pression résiduelle peut provoquer une projection d'eau chaude : consultez la notice pour connaître la destination du rejet ainsi que les conditions de refroidissement et d'arrêt. Aux points en dépression, un purgeur peut aspirer de l'air extérieur ; multiplier les purgeurs ne règle donc pas le problème.

Si les symptômes reviennent après la purge, poursuivez : pression statique insuffisante, air aspiré par une fuite, état du dispositif d'expansion et de l'appoint. Distinguez l'air qui entre de l'extérieur de la vapeur qui se forme dans le liquide lui-même : c'est la différence entre entrée d'air et cavitation.

6. La pompe n'est pas adaptée au circuit

Si la boucle est pleine, le passage dégagé et la pompe tourne dans le bon sens, mais que le débit requis n'est toujours pas atteint, comparez la résistance réelle du circuit avec les performances de la pompe. Des tuyauteries plus longues que prévu, un diamètre intérieur plus petit, des équipements ajoutés ou une vanne de régulation étranglée modifient tous la pression différentielle nécessaire.

Sur le tour complet d'une boucle fermée et pleine, l'eau qui monte et l'eau qui descend se compensent. Le circulateur compense surtout l'énergie perdue par les résistances à l'écoulement ; il ne soulève pas l'eau jusqu'en haut du bâtiment, et la hauteur du bâtiment ne s'ajoute donc pas à la hauteur manométrique de circulation.

La hauteur n'est pas sans importance pour autant : elle influe sur la pression de remplissage au point le plus haut et sur la pression nécessaire pour que l'eau reste stable à l'état liquide à l'aspiration de la pompe. Les installations qui refoulent de l'eau vers un réservoir ouvert à un autre niveau ont une autre frontière de hauteur statique, et le raisonnement de la boucle fermée ne s'y applique pas.

Additionnez les pertes de charge au débit requis dans les tuyauteries, raccords, vannes, échangeur et utilisateurs, puis choisissez une pompe qui fournit ce débit et cette hauteur manométrique en même temps. Le débit maximal et la hauteur maximale d'une fiche technique ne sont pas disponibles simultanément.

Si un changement d'antigel ou de sa concentration augmente la viscosité, la résistance du circuit peut différer de celle supposée pour de l'eau. Réintégrez la température de service, le type de fluide et le débit dans les données de sélection, comme un seul ensemble de conditions.

Il faut réunir des preuves solides de la cause avant de décider de remplacer la pompe. Ne multipliez pas les essais pendant que la pompe tourne sans débit ou avec un bruit anormal. Décidez des changements de réglage, des modifications du circuit ou du remplacement de la pompe avec le fabricant, en vous fondant sur l'adéquation des performances.

Pression statique et hauteur manométrique de circulation : un exemple chiffré

Dans une installation arrêtée et remplie d'eau, la pression en bas et la pression au point le plus haut ne sont pas les mêmes. Dans une colonne d'eau de masse volumique constante, la pression diminue avec l'altitude : la pression en bas ne dit donc pas, à elle seule, si le haut est plein.

Prenons un exemple fictif : 20 m entre le bas et le point le plus haut, une masse volumique de l'eau de 1 000 kg/m³ et une pression relative de 250 kPa (2,5 bar) en bas. Avec une accélération de la pesanteur de 9,80665 m/s², la pression au point le plus haut vaut environ 53,9 kPa relatifs (0,54 bar).

En fonctionnement, le circulateur augmente et diminue les pressions autour de la boucle : cette valeur statique ne donne donc pas la pression en tout point. Pour trouver le point de pression la plus basse, tenez compte de la pression de vapeur de l'eau à sa température, des pertes de charge à l'aspiration et du point de raccordement du vase d'expansion.

Supposons maintenant, au débit requis, les pertes de charge suivantes : tuyauteries 15 kPa, échangeur 20 kPa, utilisateurs 10 kPa et vannes 5 kPa. Le total de 50 kPa (0,5 bar) correspond à une hauteur manométrique d'environ 5,10 m. Les 20 m de hauteur du bâtiment n'entrent pas dans ce calcul.

Les coordonnées des courbes ne sont pas des données d'un produit et ne reportent pas les valeurs de droite. Sur un équipement réel, comparez la courbe du modèle et de la vitesse réels avec la résistance réelle du circuit.

Pour convertir entre hauteur et pression, regardez la différence entre l'aspiration et le refoulement, et pas seulement la pression au refoulement, et tenez compte de la hauteur d'installation de chaque manomètre. Une forte pression différentielle à faible débit ne prouve pas que la circulation est suffisante si elle est due à une vanne fermée ou à une obstruction.

Relevés à consigner pendant la mise en service

Réunissez dans un même enregistrement : l'heure de la mesure, le numéro de la pompe, la vitesse, la position des vannes, les températures de départ et de retour, les pressions à l'aspiration et au refoulement, et le débit. Avec les conditions avant et après chaque étape alignées, vous voyez quelle valeur chaque action a modifiée.

Si la vanne d'isolement d'un manomètre est fermée, l'indication peut ne pas suivre la pression réelle de la tuyauterie. Vérifiez aussi l'échelle du manomètre, son zéro et l'état de la prise de pression. S'il faut remplacer un manomètre, intégrez la consignation et la vérification de l'absence de pression résiduelle au plan d'intervention.

Lorsque vous comparez un débitmètre local avec l'écran de supervision, vérifiez que les deux utilisent les mêmes unités et la même plage, par exemple L/min et m³/h. Distinguer « le débit est nul » de « l'affichage ne se met plus à jour » évite de prendre un problème d'instrumentation pour un problème de tuyauterie.

Modifier plusieurs vannes ou réglages à la fois empêche de savoir lequel a été utile. En suivant une procédure approuvée, changez un seul élément à la fois et consignez les valeurs avant et après. Décidez à l'avance des conditions qui imposent l'arrêt, et ne poursuivez pas les essais tant que des alarmes ou des anomalies persistent.

Symptôme	Valeurs à comparer	À vérifier ensuite
Presque aucun débit dans toute la boucle	Pression de remplissage, pression différentielle de la pompe, rotation	Boucle pleine ? Trajet en série, obstruction, air
Seuls certains utilisateurs restent froids	Débit et température par branche, signaux de commande des vannes	Vanne de branche fermée, air, by-pass, équilibrage des débits
Le débit ou la pression fluctue	Bruit, pression d'aspiration, température, historique d'appoint	Entrée d'air, vaporisation, régulation ou position de vanne instable
L'eau circule mais ne chauffe pas	Températures de départ et de retour, débit, conditions de la source de chaleur	Puissance de chauffe, échangeur, charge, mélange

Un grand écart de température entre départ et retour peut indiquer un débit faible, mais il apparaît aussi lorsque la charge augmente. Lisez-le avec le débitmètre et les conditions de la source de chaleur, et n'utilisez pas l'écart de température seul pour déclarer le système normal ou défectueux.

Faites correspondre les numéros de vannes des plans avec les repères sur les équipements, et consignez ce qu'il est advenu des protections et pièces provisoires retirées. Si le système change après la fin des travaux, mettez à jour les plans de récolement (shunko-zu) et les positions de vannes de mise en service : le prochain diagnostic sera plus rapide.

Liste de contrôle avant d'appeler le fournisseur

• Symptôme défini : aucun débit, ou débit sans chaleur
• Débit, températures de départ et de retour, pressions d'aspiration et de refoulement relevés au même moment
• Boucle pleine : pression côté boucle, enregistrements de remplissage, et tout signe de fuite, de vidange ou de rejet par la soupape de sécurité
• Toutes les vannes du trajet en série suivies sur le schéma, y compris des deux côtés de la pompe et de l'échangeur
• Vannes de branche, by-pass et réglages d'équilibrage comparés aux positions approuvées de mise en service
• Sens de rotation de la pompe contrôlé avec la flèche de la pompe et le point d'observation du fabricant (et les réglages du variateur, le cas échéant)
• Consigne de vitesse ou de fréquence comparée aux conditions de conception
• Comptes rendus de travaux vérifiés pour repérer bouchons, protections, plaques d'obturation ou ruban éventuellement restés ; pression différentielle du filtre contrôlée
• Air purgé aux points prévus ; symptômes après purge consignés
• Vannes d'isolement des manomètres ouvertes, échelles et zéros contrôlés, unités de débit harmonisées
• Débit requis et perte de charge du circuit disponibles dans les documents de conception

Questions à poser au fournisseur ou à l'entrepreneur japonais

Si le débit de conception et la perte de charge ne figurent pas dans les documents de conception, revenez aux exigences du cahier des charges d'achat (kobai shiyosho) et confirmez-les avec le fournisseur. Il faut que la capacité de l'équipement seul et la performance exigée du circuit installé concordent. Les questions suivantes vous y aident :

1. Quels sont le débit de conception et la perte de charge totale du circuit à ce débit ? Quelle courbe de pompe (modèle et vitesse) a servi à la sélection ?
2. Quelles sont la pression de remplissage requise et la pression minimale au point le plus haut, et où le vase d'expansion est-il raccordé ?
3. Quelle est la position normale de la vanne d'appoint, et le remplissage est-il automatique ou manuel ?
4. Où se trouvent les points de purge d'air prévus, et quelle est la procédure de purge pour les pompes et les équipements ?
5. Quel point d'observation définit le sens de rotation correct, et comment contrôler le sens si la pompe fonctionne avec un variateur de fréquence ?
6. A-t-on utilisé pendant les travaux des bouchons de protection, des protections de brides, des plaques d'obturation ou du ruban de protection, et les enregistrements montrent-ils qu'ils ont été retirés ?
7. Si le fluide est remplacé par un mélange antigel, comment revérifier la sélection de la pompe et la perte de charge du circuit ?

Exemple de courriel (données fictives) :

Objet : Boucle d'eau chaude HW-01 – débit insuffisant en mise en service
Nous mettons en service la boucle HW-01. La pompe P-1 fonctionne, mais les utilisateurs du 3e étage restent froids. Mesures de 10 h 00 : débit 4 m³/h pour 12 m³/h de conception, aspiration 210 kPa rel. (2,1 bar), refoulement 260 kPa rel. (2,6 bar). L'air a été purgé aux points prévus, toutes les vannes du trajet principal sont ouvertes et le sens de rotation correspond à la flèche de la pompe. Pourriez-vous nous transmettre (1) le débit de conception et la perte de charge du circuit, (2) la courbe de pompe utilisée pour la sélection, (3) la pression de remplissage requise et le point de raccordement du vase d'expansion, et (4) les positions de mise en service des vannes de branche et de by-pass ?

Les repères, les mesures et les valeurs de conception ci-dessus sont fictifs ; remplacez-les par les vôtres.

Limites de ce guide

• Il traite des boucles fermées de circulation d'eau chaude. Les tuyauteries d'appoint d'eau chaude sanitaire et les systèmes qui transfèrent de l'eau vers un réservoir ouvert fonctionnent autrement.
• Les calculs sont illustratifs, avec des valeurs fictives. Ce ne sont ni des valeurs de conception ni des exigences de pression minimale pour un système donné.
• La purge et l'ouverture des brides exigent l'arrêt, le refroidissement, la consignation et la vérification de la pression résiduelle selon les procédures du site ; les modifications de câblage exigent la consignation de l'alimentation et la vérification d'absence de tension, par du personnel habilité selon la réglementation locale (en France, par exemple, habilitation électrique selon NF C 18-510). Ce guide indique ce qu'il faut contrôler, pas comment réaliser ces travaux.
• Pour les installations de chauffage à eau, les normes NF EN 12828 (conception) et NF EN 14336 (installation et mise en service) sont des points de repère. Confirmez avec le bureau d'études ou le fournisseur les versions et les exigences qui s'appliquent à votre projet : une installation d'origine japonaise n'est pas nécessairement dimensionnée selon ces normes.
• Les positions de vannes, les méthodes de remplissage et les points de purge varient selon le système et l'entreprise. Les documents de conception et de mise en service approuvés prévalent.

FAQ

Une vanne d'eau d'appoint fermée arrête-t-elle toujours la circulation ?

Non. Si la boucle n'a pas pu être remplie et que de l'air y reste, c'est possible. Si la boucle est déjà pleine et conserve son volume d'eau, elle peut circuler malgré tout. Contrôlez la pression côté boucle, les enregistrements de remplissage, ainsi que les fuites ou rejets éventuels, plutôt que la seule position de la vanne d'appoint.

Si le bâtiment fait 20 m de haut, le circulateur doit-il fournir 20 m de hauteur manométrique ?

Non. Dans une boucle fermée et pleine, la hauteur ne s'ajoute pas à la hauteur manométrique de circulation. Séparez la pression statique qui maintient plein le point le plus haut de la pression différentielle nécessaire pour vaincre la résistance du circuit au débit requis, et traitez à part les systèmes qui refoulent vers un réservoir ouvert.

Si le manomètre indique une pression élevée, l'eau circule-t-elle ?

Pas forcément. Une vanne fermée ou une obstruction peut créer une différence de pression de part et d'autre de la pompe même avec très peu de débit. Lisez ensemble les pressions d'aspiration et de refoulement, le débit et la position des vannes : la pression de refoulement seule ne confirme pas la circulation.

Pourquoi les gargouillis reviennent-ils après la purge de l'air ?

L'air resté du premier remplissage n'est qu'une cause parmi d'autres. Vérifiez aussi les chutes de pression, l'air extérieur aspiré et les gaz qui se dégagent de l'eau quand la température change. Consignez la pression, la température de l'eau et l'historique d'appoint et de vidange au moment du phénomène, puis cherchez pourquoi il se répète.

Une pompe plus grosse règle-t-elle un débit insuffisant dans une boucle d'eau chaude ?

Pas si la cause est de l'air, une vanne fermée, une obstruction ou un court-circuit par un by-pass. Confirmez d'abord que la boucle est pleine et le passage dégagé, puis comparez le débit requis et les pertes de charge réelles avec la courbe de la pompe.

Sources

• Pression de remplissage, pertes de charge de circulation et élimination de l'air dans les systèmes de chauffage fermés : Grundfos, Circulator Handbook « Hydronic Heating Systems », p. 40–41 et 68–69 (en anglais)
• Pression statique, pression différentielle de la pompe et risque de basse pression à haute température : Grundfos, « Static pressure » (en anglais)
• Tuyauteries et poches d'air, sens de rotation, enregistrements de fonctionnement et inspection : Ebara, notice de la pompe type S (en japonais) ; les valeurs admissibles de chaque modèle ne sont pas généralisées ici
• Hauteur dans les circuits fermés, circulation et propriétés des fluides : Caleffi, « Physical operating conditions in hydronic systems » (en anglais)
• Isolement des problèmes d'air, de débit, de vannes et de régulation : Caleffi, « Troubleshooting process » (en anglais)
• Courbes de pompe, résistance du circuit et point de fonctionnement : Caleffi, « Physical concepts that aid troubleshooting » (en anglais)
• Ordre des phases en entrée et sens de rotation sur variateurs : Mitsubishi Electric, FAQ FA (en japonais)
• Vérification de la tension résiduelle après coupure de l'alimentation : Mitsubishi Electric, catalogue FR-D700, consignes de sécurité (en japonais) ; pour les temps d'attente et les autres précautions, suivez la notice de votre équipement