L'air emprisonné est l'un des problèmes les plus sous-estimés des systèmes de chauffage, ventilation et climatisation (CVC) hydroniques commerciaux. Les microbulles érodent les turbines des pompes, les poches d'air libre aux points hauts bloquent l'écoulement et privent les serpentins de fluides, et l'oxygène dissous accélère la corrosion des tuyauteries en acier noir et des raccords en fonte. Il en résulte une réduction du transfert de chaleur, un fonctionnement bruyant, une défaillance prématurée des équipements et un gaspillage d'énergie. Tout circuit d'eau glacée, d'eau chaude ou de glycol bien conçu nécessite une stratégie de gestion de l'air basée sur un séparateur d'air approprié et des purgeurs d'air correctement positionnés. Ce guide technique explique aux ingénieurs mécaniciens, aux entrepreneurs et aux gestionnaires d'installations canadiens et américains les principes de la gestion de l'air dans les systèmes hydroniques, les différences entre les séparateurs d'air tangentiels, à microbulles et à coalescence, l'emplacement des purgeurs d'air automatiques et manuels, et comment spécifier les composants de gestion de l'air qui fonctionnent de manière fiable dans les climats froids, les immeubles de grande hauteur et les systèmes à glycol courants au Canada et aux États-Unis.
Comment l'air pénètre dans un système hydronique
L'air pénètre dans un circuit hydronique par trois mécanismes principaux, et la compréhension de chacun d'eux est essentielle pour choisir la bonne approche de gestion de l'air.
Tout d'abord, l'eau neuve contient de l'oxygène et de l'azote dissous à des concentrations qui dépendent de la température et de la pression. Selon la loi de Henry, l'eau à 10 °C et à pression atmosphérique peut contenir environ 30 milligrammes de gaz dissous par litre. Lorsque cette eau est chauffée à 80 °C dans une chaudière ou un serpentin, sa capacité à contenir des gaz dissous diminue de plus de moitié, libérant ainsi du gaz dans le circuit. Un système de 5 000 gallons peut libérer plusieurs pieds cubes d'air libre lors de sa mise en service initiale et lors de chaque remplissage ultérieur.
Deuxièmement, chaque ajout d'eau d'appoint apporte une nouvelle charge de gaz dissous. Les systèmes présentant des fuites chroniques, même minimes, des vases d'expansion mal entretenus ou des vannes d'alimentation en eau trop agressives font circuler d'importants volumes d'eau d'appoint dans le circuit pendant toute la durée du chauffage ou de la climatisation. Chaque ajout apporte de l'oxygène frais.
Troisièmement, l'air s'infiltre par diffusion à travers les composants non étanches. Les membranes en caoutchouc des anciens vases d'expansion, les tuyaux en EPDM, les purgeurs d'air automatiques qui fuient, et même certains systèmes de tuyauterie en plastique permettent à l'oxygène de pénétrer par diffusion. Les systèmes PEX sont particulièrement vulnérables, sauf si l'ingénieur a spécifié un niveau d'étanchéité à l'oxygène.
Pourquoi l'élimination de l'air est importante dans un circuit hydronique
La présence d'air dans un circuit hydronique engendre des conséquences en cascade à travers chaque composant du système.
La cavitation et l'érosion des pompes sont les problèmes les plus coûteux. Les microbulles qui traversent l'orifice de la roue implosent violemment au contact de la face haute pression, martelant la surface en bronze ou en acier inoxydable et la piquant progressivement. Des pompes conçues pour durer quinze ans peuvent tomber en panne en cinq ans si la gestion de l'air est défaillante.
Le transfert de chaleur diminue lorsque des bulles d'air déplacent l'eau dans les serpentins, les échangeurs de chaleur et les collecteurs de rayonnement. Un vide d'air de 2 % dans un circuit de poutre froide peut réduire sensiblement la capacité sensible, se traduisant souvent par une zone du bâtiment incapable d'atteindre la température de consigne malgré le débit nominal.
La corrosion s'accélère en présence d'oxygène dissous. Les composants ferreux réagissent avec l'oxygène pour former de la magnétite et de l'oxyde de fer rouge. Les boues de magnétite encrassent les filtres, recouvrent les surfaces des échangeurs de chaleur et usent les joints des pompes. Un système d'élimination d'oxygène trop agressif ne fait que retarder l'inévitable dans un système constamment alimenté en oxygène.
Les plaintes relatives au bruit sont le symptôme le plus visible pour l'exploitant. Les gargouillis dans les canalisations du plafond d'un couloir d'hôpital ou d'un appartement de luxe entraînent des interventions bien avant toute panne d'équipement.
Les trois états de l'air dans une boucle hydronique
Les ingénieurs doivent considérer l'air sous trois états distincts, car chacun requiert une stratégie d'élimination différente.
L'air libre est une bulle suffisamment grosse pour remonter d'elle-même. Il s'accumule aux points hauts, dans les zones à faible vitesse et à l'intérieur des serpentins et des pompes lors du démarrage. L'air libre est évacué mécaniquement par des évents situés aux points hauts.
L'air entraîné est constitué de microbulles dispersées dans l'eau en mouvement. Ces bulles sont trop petites pour remonter à contre-courant dans les conduites d'alimentation et les colonnes montantes, mais suffisamment grandes pour continuer à frotter les surfaces métalliques et perturber le fonctionnement de la pompe. L'air entraîné a besoin d'une zone de faible vitesse, précisément le rôle d'un séparateur d'air, pour se condenser et remonter hors du flux.
L'air dissous est le plus insidieux. Invisible et sans incidence sur les symptômes apparents, il fournit pourtant l'oxygène nécessaire à la corrosion à long terme. Pour être éliminé, l'air dissous doit être libéré sous forme entraînée ou libre. Les séparateurs à coalescence les plus modernes sont conçus pour accélérer cette libération en combinant une faible vitesse, un média à grande surface spécifique et les principes physiques de la loi de Henry au point le plus chaud du système.
Technologies de séparation d'air
Sur le marché nord-américain, il existe trois modèles dominants de séparateurs d'air, et chacun a sa place justifiée en termes de spécifications mécaniques.
Séparateurs d'air tangentiels
Un séparateur tangentiel est une cuve de grand diamètre dont l'entrée et la sortie sont tangentes à la paroi. Le fluide entre par le périmètre, tourbillonne à l'intérieur de la cuve et s'échappe par un tube central. La vitesse chute considérablement dans la section transversale plus large, et les bulles d'air remontent à la surface où elles se rassemblent dans une chambre d'évacuation d'air reliée à un évent automatique. Certains modèles comportent un filtre interne pour retenir les débris de mise en service.
Les séparateurs tangentiels sont performants pour l'élimination de l'air libre et la capture des débris lors du démarrage. Économiques, ils constituent la base de la production industrielle nord-américaine depuis des décennies. Leur point faible réside dans l'élimination des microbulles, car le temps de séjour et la surface d'échange à l'intérieur de la cuve sont généralement insuffisants pour permettre la coalescence des très petites bulles entraînées, notamment au débit nominal.
Séparateurs d'air à microbulles
Les séparateurs à microbulles intègrent un élément de coalescence interne, généralement une structure en treillis de cuivre ou d'acier inoxydable, qui offre une surface d'échange considérable dans un récipient compact. Lorsque l'eau traverse le treillis, les microbulles entrent en collision avec les fils, fusionnent, grossissent suffisamment pour remonter à la surface et s'échapper par un orifice d'aération intégré situé sur le dessus.
Cette catégorie de produits est la référence pour les systèmes résidentiels et les petits commerces. Les séparateurs sont efficaces aux vitesses rencontrées dans les circuits primaires et réduisent considérablement la teneur en oxygène dissous de l'eau au fil du temps grâce à la circulation répétée de l'eau à travers l'élément coalescent.
Séparateurs d'air et de poussière coalescents
Les technologies actuelles combinent un élément de coalescence de microbulles avec une chambre de collecte des impuretés magnétique et gravitationnelle dans un seul récipient. L'eau est forcée de circuler à travers un parcours sinueux qui permet aux microbulles d'adhérer à une grille tandis que les particules plus lourdes tombent dans une chambre de collecte inférieure pouvant être vidée périodiquement.
Les séparateurs air/impuretés combinés sont particulièrement précieux lors des projets de rénovation où des dépôts de magnétite se sont accumulés pendant des décennies. Ils constituent également le choix idéal pour les systèmes primaires à vitesse variable où les débits fluctuent fortement et où les séparateurs tangentiels classiques ne seraient pas performants sur toute la plage de fonctionnement.
Dimensionnement et emplacement du séparateur d'air
Un séparateur d'air doit toujours être installé au point de solubilité minimale du système, c'est-à-dire au point de température la plus élevée et de pression la plus basse. Dans un circuit d'eau chaude sanitaire, ce point se situe en aval de la chaudière. Dans un circuit d'eau glacée, il se situe à l'aspiration de la pompe primaire sur la conduite de retour, là où la température est la plus élevée. Ce positionnement maximise la quantité d'air dissous libérée sous forme de gaz libre à l'intérieur du séparateur.
Les fournisseurs publient des tableaux de dimensionnement en fonction du diamètre de la conduite, du débit ou des deux. Pour la plupart des applications commerciales, le séparateur est dimensionné en fonction du diamètre de la conduite qu'il interrompt, mais les concepteurs doivent toujours vérifier la vitesse nominale publiée par rapport au débit réel. Un séparateur sous-dimensionné fonctionnera à une vitesse supérieure à sa vitesse nominale et perdra rapidement en efficacité.
Le séparateur doit être installé horizontalement, avec une longueur de tuyau droit suffisante en amont et en aval. La plupart des fabricants préconisent une longueur de tuyau droit équivalente à trois à cinq diamètres de diamètre pour permettre aux turbulences générées par les coudes ou les pompes de se dissiper.
Bouches d'aération automatiques
Un séparateur d'air recueille l'air, mais celui-ci doit tout de même être évacué du récipient vers l'atmosphère. Cette fonction est assurée par l'évent.
Un purgeur d'air automatique à flotteur utilise un flotteur creux en plastique ou en acier inoxydable dans une petite chambre. Lorsque l'eau remplit la chambre, le flotteur monte et ferme un pointeau contre l'orifice d'admission d'air. Lorsque l'air s'accumule et remplace l'eau, le flotteur redescend et le pointeau s'ouvre, évacuant ainsi l'air. Les purgeurs à flotteur de qualité sont isolés par une vanne à bille, ce qui permet leur entretien sans vidanger le système.
Les purgeurs à flotteur présentent deux défaillances prévisibles : soit des impuretés obstruent le siège de l’aiguille et provoquent une fuite continue, soit le flotteur se bloque en position fermée et empêche la purge. Choisir un purgeur de qualité doté d’un mécanisme réparable et l’isoler avec un robinet à bille résout ces deux problèmes.
Les purgeurs d'air hygroscopiques utilisent un disque sensible à l'humidité qui gonfle au contact de l'eau et ferme l'orifice tout en laissant s'échapper l'air sec. Silencieux et sans fuite, ils sont couramment utilisés sur les radiateurs et les plinthes chauffantes. Leur débit est inférieur à celui des purgeurs à flotteur et ils sont moins fréquents sur les sorties des séparateurs d'air commerciaux.
Où installer les aérateurs manuels
Même avec un excellent séparateur d'air automatique, tout système hydronique nécessite des points de purge manuelle aux points hauts, aux unités terminales et aux ensembles de vannes d'isolement. Les normes ASHRAE 90.1 et le Code national de l'énergie du Canada pour les bâtiments valorisent une mise en service et une purge d'air adéquates grâce à leurs exigences d'équilibrage et de vérification du circuit d'eau.
La pratique courante consiste à installer une vanne à bille quart de tour avec raccord de tuyau flexible à chaque serpentin, à chaque point haut d'une colonne montante et sur chaque tronçon de tuyauterie horizontale ne pouvant être raccordé à un séparateur d'air inférieur. Lors de la mise en service, les techniciens utilisent ces points pour purger manuellement le système. Après la mise en service, les purgeurs manuels restent accessibles pour la maintenance.
Considérations relatives au système glycol
Les mélanges de propylène glycol et d'éthylène glycol se comportent différemment de l'eau pure dans le traitement de l'air. Le glycol augmente la viscosité, réduit la chaleur spécifique et modifie légèrement la solubilité des gaz dissous. Pour un mélange à 30 % de propylène glycol, typique des boucles des unités de toiture canadiennes, les fournisseurs réduisent généralement la capacité du séparateur et de l'évent de 10 à 15 %.
Le glycol a également tendance à mousser en cas de débit élevé ou de fonctionnement intensif de la pompe. La mousse peut bloquer le flotteur et empêcher l'évacuation efficace ; par conséquent, les systèmes de glycol réfrigéré doivent comporter un séparateur tolérant à la mousse, doté d'une chambre de récupération d'air de grande capacité et d'un système d'évacuation facilement accessible.
Boucles hydroniques pour immeubles de grande hauteur
Dans les immeubles de grande hauteur, la pression hydrostatique au bas de la colonne montante peut atteindre 10 à 20 bars. Une pression aussi élevée augmente considérablement la solubilité des gaz dissous et modifie le point de dégagement d'air. Il est recommandé, dans les immeubles de grande hauteur, d'installer un système de séparation d'air primaire dans le local technique le plus bas, où la température est la plus élevée en mode chauffage et où se trouvent les pompes et chaudières principales, et de le compléter par des purgeurs manuels et de petits purgeurs à flotteur en haut de chaque colonne montante.
Les vannes de régulation indépendantes de la pression et le pompage à vitesse variable complexifient davantage la gestion de l'air, car les débits et les pressions fluctuent tout au long de la journée. Les séparateurs d'air à coalescence, conçus pour un débit variable, constituent la solution la plus sûre pour ces systèmes.
Codes, normes et pratiques en climat froid au Canada
Les projets canadiens présentent des contraintes que les prescripteurs américains ne rencontrent pas forcément dans leur pays d'origine. Le Code national de l'énergie du Canada pour les bâtiments établit des exigences minimales en matière d'efficacité et de mise en service des équipements, ce qui implique notamment une élimination efficace de l'air. Les chaudières, en particulier, ne peuvent atteindre leur rendement annoncé si l'air entraîné endommage l'échangeur de chaleur.
La norme CSA B214 régit les installations de chauffage hydronique dans les applications résidentielles et les petits commerces. Les codes du bâtiment provinciaux adoptent soit la norme CSA B214, soit des modifications propres à chaque province ou territoire. En Colombie-Britannique, les zones sismiques ajoutent une protection contre le gel qui influe sur la gestion de l'air. Un système qui perd sa chaleur primaire et commence à geler libère violemment des gaz dissous lorsque l'eau se transforme en glace, ce qui peut endommager les évents et rompre les raccords. Un niveau de glycol suffisant, des séparateurs d'air bien entretenus et des évents fonctionnels sont les mesures techniques qui protègent contre ce type de défaillance.
Dans les Prairies, les cycles de gel et de dégel du chinook mettent à rude épreuve les composants de ventilation des circuits hydroniques sur les toits. L'utilisation de conduits de ventilation en laiton avec des éléments internes en acier inoxydable et des boîtiers de protection permet d'éviter les défaillances répétées.
Erreurs courantes de spécification
Trois erreurs récurrentes apparaissent dans les analyses des plans d'atelier de systèmes hydroniques.
Le premier problème est celui des séparateurs sous-dimensionnés, choisis uniquement en fonction du diamètre des tuyaux et non de la vitesse d'écoulement. Un séparateur dont le diamètre de bride est correct, mais dont la vitesse d'écoulement dépasse sa valeur maximale nominale, ne permettra pas la coalescence des microbulles, aussi performant soit le média filtrant interne.
La seconde solution consiste à placer le séparateur sur le retour d'eau froide plutôt que sur l'arrivée d'eau chaude. L'eau froide retient les gaz dissous ; l'eau chaude les libère. Un séparateur placé sur le retour d'eau froide plutôt que sur l'arrivée d'eau froide permettra de réduire la quantité de gaz libéré et, par conséquent, d'éliminer proportionnellement moins d'air au fil du temps.
La troisième erreur consiste à omettre les vannes d'isolement de part et d'autre du séparateur et sur l'évent intégré. Sans isolement, chaque entretien annuel nécessite la vidange et le remplissage d'une partie du circuit, ce qui introduit de l'oxygène frais et annule une grande partie du travail d'élimination de l'air.
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