Bouclage ECS — dimensionnement du réseau bouclé

Un réseau bouclé d'eau chaude sanitaire est un réseau dans lequel une pompe entretient une circulation permanente, même robinets fermés. L'eau part de la production, parcourt le collecteur aller, descend ou monte chaque boucle, puis revient au générateur par le collecteur retour. Cette circulation compense en continu les pertes thermiques des canalisations : l'eau reste chaude jusqu'au dernier piquage, et l'usager n'a plus à laisser couler des litres d'eau froide avant d'obtenir de l'eau chaude.

Le second motif est sanitaire, et c'est lui qui rend le bouclage obligatoire : une eau maintenue au-dessus de 50 °C n'offre plus de conditions favorables à la prolifération des légionelles, alors qu'un bras mort tiède en constitue le terrain idéal.

L'objectif de dimensionnement : plus de 50 °C en tout point

Les calculs doivent viser une température d'eau supérieure à 50 °C en tout point du système de distribution, à l'exception des tubes finaux qui alimentent les points de puisage. Viser exactement 50 °C au point le plus défavorable reviendrait à ne se garder aucune marge devant les tolérances de pose, l'encrassement du calorifuge et les conditions réelles d'exploitation : on retient donc une consigne de calcul légèrement supérieure.

Ce qu'est une boucle, au sens du DTU

Selon le NF DTU 60.11 Partie 1-2, les boucles sont les circuits dérivés branchés sur le collecteur principal. Chaque boucle comprend :

• une canalisation aller, qui part du piquage sur le collecteur aller — typiquement une colonne montante dans un immeuble — et amène l'eau chaude vers les points de puisage ;
• une canalisation retour, qui ramène l'eau de bouclage vers le collecteur retour et porte l'organe d'équilibrage.

Un circuit désigne l'ensemble « une boucle + les tronçons de collecteurs qui la relient à la production » ; c'est sur les circuits que se compare la perte de charge. Les antennes, elles, ne font pas partie du réseau bouclé : ce sont les tubes terminaux qui desservent un appareil ou un groupe d'appareils.

Collecteur aller et collecteur retour

Le collecteur aller achemine l'eau chaude depuis la production vers les différents piquages de boucle. Il se découpe en tronçons successifs entre chaque piquage ; en régime de bouclage, le débit y diminue au fur et à mesure que les boucles sont alimentées.

Le collecteur retour fonctionne en sens inverse : les débits de retour de chaque boucle s'y cumulent, si bien que le dernier tronçon — le plus proche du générateur — transporte le débit total de bouclage. C'est aussi sur lui que se place la pompe. À chaque piquage, l'eau du collecteur se mélange au retour d'une boucle : la température qui en résulte est la moyenne des deux flux pondérée par leurs débits.

La question précède le dimensionnement, et c'est un texte réglementaire qui y répond, pas le DTU. L'arrêté du 30 novembre 2005, qui modifie celui du 23 juin 1978, impose que le volume des tubes finaux d'alimentation, entre le point de distribution et le point de puisage, soit aussi réduit que possible et n'excède pas 3 litres. C'est ce que la profession appelle le volume hors bouclage.

Tant que chaque point de puisage reste sous ces 3 litres, aucun maintien en température n'est exigé. Dès qu'un seul les dépasse, il faut un dispositif de maintien en température : un bouclage dans l'immense majorité des cas, un traçage électrique plus rarement. Le même arrêté fixe alors l'objectif thermique : une eau à 50 °C au moins en tout point du système de distribution, antennes terminales exceptées.

Trois litres ne se traduisent pas en une longueur unique : tout dépend du diamètre. Le tableau ci-dessous donne la longueur correspondante pour quelques tubes courants — c'est le contenu géométrique du tube, π·d_i²/4 × L.

Ne pas confondre cette règle avec la règle des 8 mètres du NF DTU 60.11, qui plafonne la longueur des antennes. La première est réglementaire et s'exprime en volume ; la seconde relève des règles de l'art et s'applique une fois le réseau bouclé. Respecter les 3 litres n'exonère pas des 8 mètres dès lors qu'un bouclage existe.

Les autres seuils de température de l'arrêté

Le même texte encadre la production et le puisage, et il faut les distinguer de la consigne de distribution :

• Stockage de 400 litres ou plus : eau à 55 °C au moins en sortie, ou élévation quotidienne de la température de l'ensemble du volume — une heure à 60 °C, quatre minutes à 65 °C ou deux minutes à 70 °C.
• Aux points de puisage : 50 °C au maximum dans les pièces destinées à la toilette, 60 °C au maximum dans les autres pièces. C'est une limite anti-brûlure, à ne pas confondre avec le minimum de 50 °C imposé dans le réseau.

Le bouclage vit donc entre deux contraintes opposées : assez chaud pour la légionelle dans les canalisations, assez tempéré pour la brûlure au robinet. C'est le rôle du mitigeur thermostatique, en aval du bouclage.

Un bouclage se dimensionne par la vitesse autant que par la thermique. Trop lente, l'eau stagne, le biofilm se développe et les dépôts s'accumulent ; trop rapide, elle fait du bruit et érode les parois. Le NF DTU 60.11 P1-2 retient trois seuils, que l'outil applique tels quels :

• 0,20 m/s au minimum dans les canalisations de retour de boucle ;
• 0,50 m/s au maximum — valeur conseillée — dans ces mêmes retours ;
• 1,00 m/s au maximum dans le collecteur retour, où les débits de toutes les boucles se cumulent.

Le calcul part du plus petit diamètre de retour admis pour le matériau, puis remonte le catalogue tant que la vitesse dépasse 0,50 m/s. À l'autre extrémité, si la vitesse tombe sous 0,20 m/s, c'est le débit qui est relevé pour l'atteindre : la boucle circule alors plus vite que ses seules pertes thermiques ne l'exigeraient, et sa chute de température réelle passe bien en dessous de l'hypothèse de départ. Sur un immeuble de logements, c'est le cas le plus fréquent.

Le DTU fixe enfin un plancher de diamètre pour les canalisations de retour, matériau par matériau — un diamètre intérieur d'au moins 12 mm dans tous les cas. Voici le plus petit tube que l'outil retient dans chaque catalogue :

Si le diamètre de retour calculé dépassait celui de la canalisation aller, la boucle est mal conçue — trop longue, trop peu isolée, ou desservant trop d'appareils : l'outil le signale plutôt que de produire un réseau irréalisable.

Le DTU ne prescrit pas une épaisseur, mais une performance : le coefficient de transmission thermique linéique de la canalisation habillée doit rester sous un plafond qui dépend du diamètre extérieur du tube nu.

L'épaisseur qui satisfait ce critère se déduit de la formule (1) en résolvant à rebours : elle dépend du diamètre, de la conductivité du tube et de celle de l'isolant. Les deux abaques ci-dessous sont calculés par le moteur de l'outil, pour les trois conductivités utiles les plus courantes — mousse phénolique (0,023), polyuréthane (0,028) et laine minérale ou mousse élastomère (0,038 W/(m·K)).

Deux lectures s'imposent. D'abord, ces épaisseurs sont des minima réglementaires, pas des recommandations économiques : le critère borne la perte linéique, il ne dit rien de la consommation annuelle du bouclage, souvent le premier poste de pertes d'une production collective. Un cahier des charges énergétique demande couramment davantage, et les épaisseurs du commerce (9, 13, 19, 25, 30 mm) laissent de toute façon peu de choix intermédiaire.

Ensuite, l'écart entre matériaux est trompeur. Un tube en cuivre demande moins d'isolant qu'un acier galvanisé de même dimension parce que son diamètre extérieur est plus faible — pas parce qu'il conduit moins : à ces épaisseurs, la résistance du métal est négligeable devant celle du calorifuge. Sur les tubes de synthèse, en revanche, la paroi elle-même participe à l'isolation.

Immeuble de logements, production centralisée en sous-sol, trois colonnes montantes bouclées. Réseau en acier galvanisé, calorifuge en laine minérale (λ = 0,038 W/(m·K)). Départ ECS à 60 °C, consigne minimale 55 °C, locaux traversés à 20 °C. Le générateur oppose 5 000 Pa, les accessoires de pompe 3 000 Pa.

Le calcul converge dès la première itération et donne :

• Débit total de bouclage : 0,47 m³/h, soit 0,158 m³/h par colonne.
• Retours de colonne en DN 15, le plus petit diamètre admis en acier galvanisé, à 0,20 m/s.
• Pertes thermiques du réseau : 1 412 W — 795 W sur l'aller, 618 W sur le retour, pour 176 mètres de canalisations, soit un peu plus de 8 W par mètre.
• Point le plus froid à 57,0 °C, pour une consigne de 55 °C : la marge est tenue.
• HMT de la pompe : 1,70 mCE, dont 0,88 mCE pour le circuit le plus défavorisé — celui de la troisième colonne, la plus éloignée — et le reste pour le générateur et les accessoires.

Le résultat instructif est ailleurs. Les trois colonnes se calent sur le plancher de vitesse de 0,20 m/s : leur débit n'est pas dicté par les pertes thermiques mais par cette vitesse minimale. La chute de température réelle par boucle tombe alors autour de 1,5 K, très en dessous de l'hypothèse de départ du DTU (la moitié de 5 K, soit 2,5 K). Autrement dit, sur des boucles courtes et bien calorifugées, le dimensionnement n'est pas thermique : il est sanitaire. Vouloir réduire le débit de bouclage pour économiser la pompe reviendrait à descendre sous 0,20 m/s, ce que le DTU écarte pour des raisons de biofilm.