plancher chauffant

Si le tuyau de chauffage (registre) est une partie du sol d'un intérieur donné, on parle de chauffage par rayonnement à grandes surfaces au sol. Actuellement, il s'agit d'un système de chauffage qui, en raison de ses nombreuses propriétés positives, connaît une certaine renaissance et est de plus en plus utilisé dans la construction résidentielle (notamment dans les maisons individuelles), dans les bâtiments de services publics (crèches, écoles maternelles, gymnases, piscines, etc.), ainsi que dans les grandes salles (garages collectifs, usines industrielles, bâtiments agricoles).

Le chauffage par le sol étendu a été autrefois utilisé comme complément du chauffage par le plafond, lorsque la surface du plafond n’était pas suffisante pour couvrir les pertes thermiques. L’extension plus importante du chauffage par le sol a été freinée par la nécessité d’une température basse de la surface du sol, ce qui impliquait une faible puissance thermique. Les nouvelles constructions, les projets architecturaux, l’amélioration des propriétés thermiques des bâtiments et les matériaux constructifs progressifs pour la réalisation des systèmes de chauffage ont permis aujourd’hui la création d’un grand nombre de systèmes de chauffage par le sol.

Le choix du chauffage par le sol est d’abord déterminé par l’édifice lui-même. Celui-ci doit satisfaire aux propriétés thermiques telles que la perte thermique moyenne doit être inférieure à 20 W.m-3, ou la consommation annuelle moyenne de chaleur inférieure à 70 à 80 kWh.m-2. D’où il est évident que la demande énergétique minimale est d’abord causée par l’édifice lui-même, puis par le mode de fonctionnement avec la possibilité d’accumulation de chaleur dans le sol, avec une inertie thermique d’environ 4 à 8 h et avec un haut degré d’autorégulation.

L’état thermique optimal des intérieurs avec chauffage par le sol est habituellement assuré avec des températures résultantes inférieures de 2 à 4 K par rapport au chauffage par convection, tout en offrant presque un gradient thermique idéal, aussi bien vertical qu’horizontal.

CHAUFFAGE PAR LE SOL À EAU CHAUDE

Du constatation précédente, il est évident que le chauffage par le sol à eau chaude appartient aux systèmes de chauffage par rayonnement, bien que la part de la composante rayonnante dans le transfert total de chaleur de la surface de chauffage soit à peine plus élevée que le flux de chaleur par convection (55 % : 45 %). En même temps, cela influence mutuellement les avantages des deux méthodes de transfert de chaleur vers l’intérieur.

Le chauffage par le sol à eau chaude est à la fois étendu, c’est-à-dire que les tuyaux de chauffage font partie de la structure du sol. En raison des exigences hygiéniques liées à la température limitée de la surface du sol, et donc aux puissances thermiques spécifiques relativement faibles de la surface chauffante, les tuyaux de chauffage sont presque toujours placés sous toute la surface du sol. Cela influence particulièrement positivement l’uniformité du transfert de chaleur dans l’intérieur et favorise la création d’un environnement thermiquement homogène, qu’il s’agisse de la direction verticale ou horizontale.

La température de l’eau de chauffage est habituellement inférieure à 50 °C, ce qui permet de parler du chauffage par le sol à eau chaude comme d’un chauffage à basse température, ce qui présente plusieurs avantages. D’une part, la garantie d’économies substantielles d’énergie thermique lors de l’exploitation, d’autre part, la possibilité d’appliquer des sources énergétiques non traditionnelles à faible potentiel, comme l’énergie solaire, l’énergie des eaux géothermiques, ou les pompes à chaleur utilisant la chaleur de l’environnement.

Ces faits classent le chauffage par le sol à eau chaude parmi les systèmes de chauffage progressifs, garantissant les trois E, c’est-à-dire les aspects énergétiques, environnementaux et économiques du chauffage des bâtiments. D’un autre côté, malgré l’existence de cette méthode de chauffage depuis plus de 2 000 ans, c’est précisément aujourd’hui qu’elle connaît son plus grand essor et renaissance.

C’est pourquoi il est nécessaire de définir théoriquement avec exactitude les principes pour l’application pratique du chauffage par le sol à eau chaude, ce qui est lié au choix, au calcul, au projet, à l’évaluation, à la construction, à l’installation, à la régulation, à l’exploitation et aux applications.

CHOIX DES BÂTIMENTS POUR LE CHAUFFAGE PAR LE SOL

Comme chaque objet de construction n’est pas adapté à l’application d’un système de chauffage par le sol, il est nécessaire de garantir les exigences suivantes lors du choix du bâtiment :

- thermiques,

- hygiéniques,

- énergétiques.

DÉTERMINATION DES GRANDEURS THERMIQUES DÉCISIONNELLES

Les propriétés thermiques des structures de construction et des bâtiments sont assurées par les grandeurs suivantes :

- résistance thermique des structures de construction,

- atténuation thermique des structures de construction,

- capacité thermique des structures de sol,

- quantité d’eau condensée et évaporée dans les structures de construction,

- perméabilité à l’air des structures de construction, leurs joints,

- stabilité thermique de la pièce,

- consommation d’énergie pour le chauffage.

Lors de la conception des structures de construction et des bâtiments définis par l’état déterminé de l’environnement intérieur, les critères de température minimale de la surface intérieure selon l’article 3 de la norme STN 73 0540 et de consommation maximale d’énergie pour le chauffage selon l’article 21 de la norme STN 73 0540 sont exigés.

TUYAUX DE CHAUFFAGE

Le composant le plus important du sol chauffant est le tuyau de chauffage, c’est pourquoi nous caractériserons plus en détail :

- tuyaux de chauffage,

- tuyaux pour chauffage par le sol.

TUYAUX DE CHAUFFAGE

Aujourd’hui, lors du chauffage central, on utilise le plus souvent ce matériau de tuyauterie :

- tuyaux métalliques,

- tuyaux en plastique,

- tuyaux combinés.

TUYAUX MÉTALLIQUES

On utilise l’acier (noir), galvanisé, inoxydable et le cuivre. Le matériau des raccords et des raccords est varié (fonte trempe, laiton, bronze, fer rouge, etc.). La variété des matériaux est à l’origine de la corrosion de contact, qui a un grand effet sur la durée de vie des installations de chauffage.

a) Tuyaux en acier

Ils appartiennent aux matériaux classiques de tuyauterie. On utilise principalement des tuyaux en acier lisse sans soudure. Le raccordement s’est stabilisé sur le soudage et les changements spatiaux dans le réseau de tuyauterie sont créés par le pliage à chaud. Les raccords filetés sont utilisés uniquement pour le raccordement des robinets et des corps de chauffe. Grâce à plus d’un siècle d’expérience, la plupart des inconvénients ont été éliminés. Il reste seulement la forte exigence en soudage. C’est précisément cette circonstance qui s’oppose aujourd’hui à l’introduction des profils rectangulaires fermés en acier mince, car le soudure miroir n’est pas apprécié et n’est plus couramment maîtrisé.

b) Tuyaux en acier galvanisé

Les tuyaux en acier galvanisé sont l’un des matériaux de tuyauterie les plus anciens, mais ils exigent un traitement artisanal parfait. L’épaisseur et la qualité de la couche de zinc ne sont pas toujours identiques. Lors de l’utilisation des fileteuses modernes, la création du filet entraîne souvent un affaiblissement local important de la partie portante du tuyau. Cette circonstance, conjuguée à l’élimination de la surface galvanisée, est la cause de la corrosion par fissuration. Comme les raccords filetés exigent une expertise et sont chronophages, ils sont remplacés, si possible, par le soudage. On peut toutefois constater que l’utilisation des tuyaux épais est en déclin.

c) Tuyaux en acier inoxydable

Apparemment idéal, le tuyau en acier inoxydable rencontrait lors de sa réalisation des problèmes de raccordement. Le soudage dans ce cas exige un procédé technologique très spécialisé, car autrement il se produit des déformations transcristallines indésirables. De même, lors du soudage au dur avec du soudure en argent, il y a souvent un risque de corrosion dans la zone de contact entre le soudure et la surface inoxydable. Ce n’est qu’au début des années 70 qu’un tournant décisif est intervenu, lorsque l’entreprise Mannesmann a développé le raccordement des tuyaux en acier inoxydable par des colliers en acier inoxydable authentique.

Ce type de technique de raccordement s’est progressivement étendu à d’autres types de tuyauterie (par ex. en plastique, où l’on utilise principalement des raccords en laiton sertis). En sertissant le raccord à l’aide d’un outil électrique manuel spécial, on obtient en environ 6 secondes un raccord étanche entre le tube et le raccord. La seule faiblesse semble être l’anneau d’étanchéité serti, placé à l’extrémité du raccord, généralement en caoutchouc butyle. Les avis sur la durée de vie de ce matériau varient et, pour l’instant, on ne dispose pas encore d’expériences suffisamment longues.

d) Tubes cuivre

Le cuivre appartient au matériau de tuyauterie le plus raffiné. Il est toutefois essentiel de respecter rigoureusement le dosage de l’inhibiteur dans l’eau de chauffage. En réaction avec la surface en cuivre, l’eau forme d’une part une couche protectrice d’oxyde de cuivre et d’autre part libère des ions de cuivre. Si, par ignorance ou par nécessité, un tronçon de tuyauterie en cuivre est suivi d’un tronçon en acier (même zingué) ou en aluminium, cela entraîne une attaque corrosive intense de cette surface. Ici, un inhibiteur approprié peut aider.

Une procédure de travail très importante est le raccordement des tuyaux en cuivre. Ils se raccordent très avantageusement par soudure molle ou dure. La soudure molle s’effectue selon le type de soude utilisé à une température de 230 à 240 °C, et la soudure dure à 710 à 730 °C. Il est impératif de respecter ces températures. On utilise exclusivement des soudes solubles dans l’eau, dont les résidus sont rincés et éliminés du tuyau.

En respectant les conditions de raccordement et en utilisant du cuivre désoxydé SF-Cu avec une teneur en cuivre d’au moins 99,9 %, on obtient une garantie d’une grande résistance à la corrosion et d’une suffisante résistance mécanique, même pour des tubes à paroi mince. L’installation est relativement simple et rapide. Le tuyau peut être utilisé sous des pressions opérationnelles jusqu’à 4 MPa et des températures opérationnelles jusqu’à 150 °C.

TUBES EN PLASTIQUE

Concernant les tubes adaptés au chauffage central, il faut distinguer entre les systèmes de chauffage par le sol et les systèmes classiques. En effet, les systèmes de chauffage par le sol nécessitent une grande flexibilité des boucles de tubes et, par ailleurs, sont moins sollicités thermiquement par rapport aux systèmes de chauffage classiques.

Pour le plancher chauffant, les types PB, PE-X, PVC-C, PP-R sont donc adaptés. À ce propos, il faut garder à l’esprit que pour le type PVC, la température opérationnelle maximale n’est que de 60 °C, tandis que pour le PVC-C, la température opérationnelle permanente est de 90 °C et temporaire de 110 °C. Un éventail similaire s’applique au PB, PE-X et PP-R. Le PVDF occupe une position particulière, car il peut être utilisé jusqu’à 140 °C. Certaines valeurs sont régulièrement à préciser. Par exemple, il est connu que les halogènes (fluor, chlore, brome, iode) réagissent avec le PE, ce qui entraîne des modifications moléculaires, une fragilisation du matériau et une perte de résistance déjà à des températures de 20 °C. Aux États-Unis, on a constaté un vieillissement et une dégradation du PB après une utilisation prolongée sous l’effet du chlore. Cette constatation ne peut toutefois pas être appliquée dans son intégralité à nos conditions, car la concentration de chlore dans l’eau y est nettement plus élevée (jusqu’à 2 ppm).

L’avantage principal des tuyaux en plastique est leur installation simple et rapide. Ils se raccordent soit par collage (PVC), soit par soudure (PB, PE, PP), soit par emboîtements et raccords filetés (PB, PE-X, PP).

L’inconvénient principal des tuyaux en plastique est leur faible résistance à la pression à des températures élevées, leur faible rigidité (stabilité dimensionnelle spatiale) et surtout leur grande dilatation linéaire thermique. En comparaison avec l’acier inoxydable, la dilatation thermique est pour le PB 10 fois plus grande, pour le PP 12 fois, pour le PE 14 fois et pour le PE-LO même 23 fois plus grande. Il faut tenir compte de ce fait lors de la conception de l’ancrage et du guidage des tuyaux en plastique. Sans supports intermédiaires et sans compensation de la dilatation du tuyau, l’installation de tuyaux en plastique ne devrait pas être entreprise.

TUBES MULTICOUCHES À ARMATURE MÉTALLIQUE

Une autre direction du développement s’est appuyée sur la constatation que l’isolation totale contre la diffusion de l’oxygène est assurée par un métal. À partir de cette idée, on a développé des tuyaux en plastique multicouches avec une armature métallique. Pour l’instant, deux types principaux se sont le plus répandus :

a) Un type avec un revêtement d’aluminium soudé longitudinalement intégré à l’intérieur, d’une épaisseur d’environ 0,5 mm. Ces tubes sont composés d’un revêtement intérieur en plastique (PB, PE-HD, PE-X, PP-R), d’une couche intermédiaire adhésive, d’un revêtement d’aluminium soudé, à nouveau d’une couche intermédiaire adhésive et d’un revêtement extérieur en plastique.

b) Un deuxième type s’est développé à partir d’un tube en plastique ordinaire, solidement enroulé d’une feuille d’aluminium d’une épaisseur d’environ 0,2 mm, dotée d’un côté des deux côtés d’une couche adhésive et, pour la protection extérieure, d’une couche plus faible de plastique.

Le composite plastique-métal ne se compose pas nécessairement d’aluminium. Dans un tube en acier inoxydable à paroi mince, on peut insérer un tube en plastique avec une couche adhésive appliquée, qui est ensuite soudée au revêtement en acier par un traitement thermique. Les tuyaux multicouches avec armature métallique réduisent la dilatation thermique linéaire jusqu’à des valeurs proches de celles de l’aluminium. Ils sont plus stables, ce qui réduit considérablement le nombre nécessaire de fixations.

Ce tuyau peut être raccordé par raccords filetés, raccords sertis ou par sertissage direct. La durée de vie du tuyau dépend de deux conditions fondamentales. D’une part, il faut empêcher l’entrée possible d’eau ou d’humidité de l’air sur la surface de coupe du tuyau multicouche (éviter le contact de l’eau avec l’aluminium) et, d’autre part, il faut éviter la possibilité de corrosion électrostatique entre le laiton ou le bronze rouge et l’aluminium.

TUBES POUR PLANCHER CHAUFFANT

D’après la partie précédente, il est clair que l’éventail des matériaux de tuyauterie pour le chauffage central est très vaste, mais pour le plancher chauffant, les plus adaptés sont notamment :

- le cuivre,

- les plastiques,

- les tubes combinés.

TUBES EN CUIVRE POUR PLANCHER CHAUFFANT

Le cuivre comme matériau de base a certainement influencé l’histoire de la culture. Comme il se trouve naturellement dans l’état pur, ce métal pouvait déjà être travaillé depuis la préhistoire. En Égypte antique, le cuivre était utilisé comme monnaie. Les premières mentions des canalisations en cuivre remontent à l’an 2500 avant J.-C., lorsque des feuilles de cuivre martelé étaient posées dans la tombe de Sahure en Égypte.

À partir de l’an 1900, le cuivre a été utilisé comme couverture de toit de qualité, notamment pour des bâtiments représentatifs et des églises. En 1933, l’utilisation de ce matériau pour des usages non stratégiques a été interdite. En Europe occidentale, ce matériau a été débloqué pour les applications de chauffage et de plomberie en 1965. Malheureusement, le bloc de l’Est a continué à utiliser ce matériau uniquement à des fins stratégiques.

L’application polyvalente du cuivre est possible notamment grâce à la haute qualité du matériau traité, aux exigences élevées qu’on lui impose :

- des coûts d’installation minimaux,

- une sécurité fonctionnelle et opérationnelle stable,

- une longue durée de vie.

Parmi les avantages les plus importants des installations en cuivre, on compte :

• une grande résistance à la corrosion, et donc, par rapport aux tubes en acier,

- des épaisseurs de paroi minimales,

- un poids linéaire minimal,

• une grande résistance du matériau,

• une installation simple et rapide avec des exigences d’espace faibles,

• une bonne adaptabilité aux conditions de construction et, pour cette raison, une extrême adaptabilité même pour les installations secondaires,

• une technique de raccordement simple et sûre (sans exigence de raccords filetés),

• un effet bactéricide,

• aucune incrustation dans les canalisations (les canalisations en cuivre ne se bouchent pas), ce qui garantit des débits élevés et des pertes de charge faibles,

- possibilité de définir un diamètre intérieur exact des tubes,

- bonne conductivité thermique,

• écologie du matériau (recyclage possible à 100 %, technologie sans déchet).

Le matériau à partir duquel sont fabriqués les tubes en cuivre est du cuivre désoxydé (SF-Cu) contenant au minimum 99,90 % de cuivre pur.

En principe, on distingue deux types de raccordement des tubes en cuivre :

1. Raccords démontables

• Raccord à embase

- conique/cylindrique,

- conique/circulaire,

- joint plat.

• Raccord à embase avec anneau d'étanchéité

- joint métallique,

- joint souple.

• Raccords tubulaires.

• Raccords à bride.

2. Raccords indémontables

• Soudure molle.

• Soudure dure.

• Sertissage.

• Soudure.

Le tube est spécialement conçu pour les réseaux de plancher chauffant et pour le raccordement des appareils de chauffage dans les systèmes de chauffage à simple ou double circuit. Le tube en cuivre est recouvert d'une gaine de protection en PVC, qui permet partiellement l'expansion et protège le tube contre les influences physiques et chimiques du béton, éventuellement des mortiers.

A l'heure actuelle, il n'existe dans l'Europe occidentale aucun autre matériau d'installation utilisé dans les installations domestiques qui soit aussi répandu et qui ait une telle polyvalence que le cuivre. En Allemagne, environ 70 % des installations sont réalisées à l'aide de tubes en cuivre, en Grande-Bretagne même 90 à 95 %.

TUBES EN PLASTIQUE POUR PLANCHER CHAUFFANT

Les éléments de base des plastiques sont le carbone C et l'hydrogène H. Lors de la fabrication, on utilise trois processus fondamentaux, à savoir la polymérisation, la polycondensation et la polyaddition.

La polymérisation permet d'obtenir à partir de monomères, sous l'action de l'énergie, de catalyseurs et d'autres additifs, un polymère. On obtient par polymérisation, par exemple, le polyéthylène et le polypropylène.

La polycondensation permet d'obtenir à partir d'un grand nombre de molécules de substances à faible masse moléculaire une nouvelle substance. On obtient par polycondensation, par exemple, la résine phénol-formaldéhyde. La polyaddition est une polymérisation irrégulière. On obtient par polyaddition, par exemple, le polycarbonate.

Les polymères peuvent être divisés en deux groupes :

• homopolymères, dont la chaîne macromoléculaire est composée de molécules identiques se répétant régulièrement,

• copolymères, dans lesquels sont greffés sur la chaîne principale des unités de molécules d'autres types. Selon l'organisation spatiale des macromolécules, on distingue les polymères linéaires et ramifiés.

En fonction de la manière de traitement technologique et du comportement des plastiques à la chaleur, on les divise en thermoplastiques, thermodurcissables et élastomères.

Les propriétés des thermoplastiques sont influencées par l'ordre ou le désordre des macromolécules. Les plastiques partiellement cristallins sont flexibles et ductiles. Les plastiques amorphes sont, au contraire, durs et fragiles. Les thermoplastiques peuvent être traités thermiquement de manière réversible et modifiés.

Les thermodurcissables (thermosets) ne peuvent pas être façonnés ou soudés à la chaleur. Les représentants typiques de ce groupe sont les résines. Parmi les thermodurcissables, on distingue un groupe particulier, à savoir les thermoplastiques élastomères, qui conservent la flexibilité, mais ne peuvent pas être façonnés ou soudés thermiquement. Le représentant principal des thermoplastiques élastomères est le polyéthylène réticulé.

Les élastomères se déforment fortement sous charge mécanique. Après décharge, ils reviennent à leur état initial. Ils ne peuvent pas être façonnés thermiquement et sont non soudables. Ce groupe comprend les caoutchoucs synthétiques.

Types de plastiques utilisés dans le chauffage

Les plastiques utilisés chez nous pour les installations de chauffage sont principalement le PEX, le PP-B, le PP-R, le C-PVC, le PB et le PVDF.

Le polypropylène copolymère bloc PP-B contient 20 à 30 % de composante éthylénique, ce qui permet une plus grande flexibilité et ductilité à basse température (jusqu'à -20 °C). Sa résistance thermique sans pression s'élève à 90 °C. Le tuyau en ce matériau est destiné au plancher chauffant. Il est raccordé par soudure ou par des raccords mécaniques.

Le polypropylène copolymère statique PP-R a été développé principalement pour la technique sanitaire. Il se distingue par une bonne résistance à la pression même à des températures élevées et est utilisé pour le plancher chauffant ainsi que pour le chauffage central. Sa résistance thermique sans pression dépasse 100 °C. Il est raccordé par des raccords mécaniques, par soudure par étincelage ou par polyfusion.

Le polybutylène PB est très flexible et possède une masse moléculaire élevée. Grâce à sa grande résistance, il se distingue également par sa résistance à la formation de fissures sous contrainte. Sa résistance thermique sans pression dépasse 100 °C, il devient fragile à -18 °C. Il est utilisé pour les réseaux de chauffage par le sol et de chauffage central. En raison de ses bonnes propriétés mécaniques, il est fabriqué avec des parois plus fines que les autres tuyaux en plastique. Il est raccordé par des raccords mécaniques, par soudure par étincelage ou par polyfusion.

Le polyvinylchlorure chloré C-PVC contient une teneur accrue en chlore, qui n'entraîne pas d'obstacle hygiénique lors du transport de l'eau chaude par les tuyaux en ce matériau. Sa résistance thermique sans pression dépasse 100 °C. Ce plastique est fabriqué de différentes manières, donc ses propriétés varient partiellement selon les fabricants individuels. Il est raccordé par collage, en veillant à ne coller que des tuyaux et des raccords fournis par un seul fabricant, avec son colle recommandée.

Le polyvinylidène difluoré PVDF possède une grande résistance mécanique et une résistance notable même à des températures élevées. Il est également bien malléable. La plage de température d'utilisation varie de -40 à +140 °C. Il est résistant aux rayonnements UV et gamma, ce qui lui confère une bonne résistance au vieillissement. Il est également résistant à l'usure, physiologiquement inoffensif et difficilement inflammable. Son prix est assez élevé. Il est raccordé par polyfusion, par rayonnement infrarouge, par soudure par étincelage ou par des raccords mécaniques.

Propriétés des plastiques

Parmi les propriétés des plastiques que nous devons absolument noter, figurent la résistance thermique, l'inflammabilité, l'imprégnation, la conductivité électrique, la conductivité thermique et la dilatation thermique.

La limite de température, au-delà de laquelle le polymère fond et se ramollit sans changement de structure, est la limite de résistance thermique. Si nous continuions à surcharger thermiquement le plastique, il en résulterait des changements de propriétés mécaniques et physiques, puis progressivement une dégradation des polymères, entraînant ainsi leur dévaluation. Lorsque nous évaluons la résistance thermique des tuyaux destinés aux installations de chauffage, nous devons nous assurer partiellement, car un mauvais soudage entraîne une dégradation partielle par surchauffe localisée.

Pour empêcher ou atténuer le vieillissement des plastiques, on ajoute aux polymères des stabilisants, des colorants et des antioxydants. Par vieillissement, on entend les changements irréversibles des propriétés mécaniques des plastiques, causés par l'action de l'oxygène, de la température et des rayonnements UV. Le vieillissement se produit plus lentement que la dégradation thermique.

La corrosion des plastiques se manifeste d'abord à l'intérieur des plastiques, puis plus tard à la surface. Elle se manifeste par un changement de composition et de propriétés des plastiques. Ce changement est causé par l'action de influences chimiques et physiques. Certains matériaux métalliques, tels que le cuivre, le cobalt et leurs alliages, peuvent également avoir un effet négatif. Lors du contact entre un métal et certains plastiques, il se produit une oxydation thermique catalysée par les ions métalliques, ce qui se manifeste par une altération de la structure des plastiques. Pour cette raison, il faut utiliser des raccords et des transitions avec un revêtement de surface approprié, recommandés par le fabricant du tube plastique. La corrosion des plastiques sous contrainte se manifeste par l'apparition de microfissures. Chez les produits en plastique, nous n'avons pas à prendre en compte les changements des tolérances dimensionnelles et des propriétés mécaniques dus à l'action de l'humidité. Les plastiques sont imperméables et leur imbibition et leur hygroscopie sont très faibles. En général, les plastiques sont considérés comme des isolants, ils ne conduisent pas l'électricité. Une autre réalité est que, chez les tuyaux en plastique transportant des matières en vrac ou des gaz, on observe une décharge d'électricité statique. La résistance de surface se situe autour de 10¹⁴ ohms et dépend du degré de contamination de la surface et du pourcentage d'humidité de l'air.

Du point de vue de la conception du réseau de tuyauterie, l’allongement thermique en fonction de la longueur est un facteur très important. L’allongement thermique est dix fois plus élevé chez les plastiques que chez l’acier ou le cuivre. Si le concepteur ne tient pas pleinement compte de cette propriété des plastiques, il s’expose à de nombreux problèmes qui ne peuvent être éliminés qu’en refaisant l’installation.

Le coefficient de conductivité thermique des plastiques est très faible, mais ce constat ne nous autorise pas à refuser l’isolation thermique des tuyaux en plastique. Le tube plastique ne peut pas être classé parmi les isolants thermiques et plusieurs réseaux en plastique nécessitent directement une protection isolante générale.

Données fondamentales pour l’utilisation des tuyaux en plastique

Un facteur important influençant l’utilisation des tuyaux en plastique est leur durée de vie. Autrefois, on parlait d’une durée de vie de 50 à 60 ans, indépendamment des conditions d’exploitation et du type de plastique utilisé. Aujourd’hui, il est clair que cette limite de durée de vie doit être abaissée et jugée très strictement en fonction du plastique utilisé et des conditions d’exploitation auxquelles le plastique est soumis. En service, le tube plastique est soumis simultanément à la pression de service et à la température de service. Comme l’effet simultané de la pression et de la température est un fait très important, on établit en pratique une durée de vie minimale du réseau. Cette durée de vie est déterminée en fonction des deux paramètres mentionnés ci-dessus selon des isothermes expérimentales. La contrainte dans la paroi du tube, portée sur l’axe y, dépend directement du diamètre extérieur du tube, de l’épaisseur de paroi et de la surpression intérieure, et inversement proportionnellement de deux fois l’épaisseur de paroi.

Les tuyaux en plastique sont produits dans cette gamme : PN2,5 PN4 PN6 PN10 PN12,5 PN16 PN20 PN25.

Le chiffre après l’abréviation PN indique la pression maximale de service (en bar) à une température de l’eau de 30 °C sur une période de 50 ans. D’où il résulte que, pour des températures de conception plus élevées, il faut choisir une classe de pression plus élevée, pour la même pression et la même durée de vie, car avec l’augmentation de la température de l’eau, la pression maximale autorisée diminue.

Les tubes en plastique sont désignés dans la série des millimètres. La désignation doit comprendre : le nom du fabricant, la désignation du matériau, la dimension extérieure ou intérieure x l’épaisseur de paroi, la pression/la température de service, la date de fabrication, le nom du tube, éventuellement le numéro de registre.

On peut relier entre eux les tuyaux en plastique, les tuyaux en plastique avec des tuyaux en d’autres matériaux, les tubes avec des raccords, les tubes avec des robinets ou les tubes avec des appareils. À cet effet, on utilise l’ensemble du système de raccordement des tuyaux. Les raccords doivent satisfaire certaines exigences, pour lesquelles on les contrôle en termes de résistance à la pression, à la température ou aux influences chimiques, en exigeant la fonctionnalité et l’étanchéité du raccord.

Diffusion de l’oxygène à travers les parois des tubes en plastique

Sur les tubes en polyoléfines pour le chauffage, on discute souvent, car ils sont le mesureur de la qualité de tout le système et l’objet de son doute. C’est pourquoi il faut leur accorder une attention particulière.

Un problème actuel qui attire une attention accrue est la diffusion de l’oxygène à travers les parois des tubes en plastique.

Il s’est avéré que les molécules d’oxygène de l’air pénètrent dans le réseau du plastique jusqu’à ce qu’elles atteignent l’eau de chauffage. L’eau de chauffage, constamment saturée d’oxygène, devient ensuite très agressive envers les métaux. La quantité d’oxygène pénétrant dépend du type de plastique et de la température. De plus, on a constaté que les variations de pression à des températures élevées provoquent une sensibilité à la formation de fissures de fatigue, ce qui augmente la diffusion d’oxygène. Comme la molécule à petit rayon atomique diffuse plus facilement dans le réseau formé par des atomes à plus grand rayon, on est d’abord arrivé au réseau des plastiques. On a ainsi réussi à presque éliminer la formation de fissures de fatigue, mais on n’a pas pu empêcher complètement la diffusion d’oxygène. C’est pourquoi une autre direction du développement a conduit à l’enrobage complet des tubes en plastique par une couche de polymère spécial servant de barrière à la diffusion. L’efficacité en pourcentage et la durée de vie de cette barrière dépendent cependant du polymère utilisé.

On peut limiter la diffusion d’oxygène en séparant les circuits de chauffage des circuits pompe, en augmentant l’épaisseur des parois des tubes ou en ajoutant un oxydant à l’eau de chauffage.

Enfin, il faut mentionner le principe selon lequel la cause de ce problème est l’état d’exploitation du système de chauffage par le sol, qui est une fois pour toutes intégré dans la structure du sol. C’est pourquoi l’effort consiste à convaincre le client et l’utilisateur de la fiabilité et de la sécurité du système de chauffage, afin qu’il n’ait pas à craindre d’éventuelles dégradations du réseau de tuyauterie. L’une des causes traditionnelles est la corrosion des parties métalliques des accessoires et des installations de chauffage, car les tubes sont en plastique.

La solution trouvée est la suivante. Les entreprises renommées utilisent systématiquement des parties métalliques en laiton, ce qui réduit considérablement la probabilité de corrosion. De plus, pour lutter contre la possibilité de transport des impuretés, notamment provenant de la source de chaleur exposée à la corrosion à basse température, on commence à promouvoir l’intégration du système de chauffage via un échangeur de chaleur, c’est-à-dire la séparation du circuit primaire de la chaudière du circuit secondaire de la surface de chauffage par le sol. Enfin, pour être sûr à 100 %, on tente d’éliminer la possibilité d’entrée d’oxygène directement à travers les parois des tubes en plastique, c’est-à-dire par une couche supplémentaire – une barrière à l’oxygène. On connaît déjà des solutions extrêmes où on ajoute même une troisième couche, à base métallique.

Donc, le problème de la diffusion d’oxygène dépendra toujours principalement des conditions d’utilisation concrètes ainsi que de la solvabilité de l’investisseur. En Allemagne, où le plancher chauffant est le plus utilisé, environ 60 % des entreprises proposent des tubes avec une barrière à l’oxygène.

Il est cependant important de souligner qu’actuellement, en raison du manque de cas concrets de l’expérience pratique, la recherche continue sur l’abandon possible de la barrière à l’oxygène.

Tendances dans l’application des plastiques

Allemagne – le marché total est estimé à environ 230 millions de mètres de tubes, dont plus de la moitié est en cuivre, et parmi les plastiques, le polyéthylène réticulé est le plus utilisé (70 %), suivi du polypropylène chloré (15 à 20 %) et du polybutylène (5 à 10 %),

Autriche – l’acier et le cuivre représentent plus de 55 %, le reste sont des plastiques,

Suisse – les plastiques représentent jusqu’à 74 % du marché, principalement utilisés pour le plancher chauffant, la consommation est de 4,6 m par habitant (année maximale PEX ; PPC et PB sont 4 fois plus faibles que PEX),

Pays-Bas – les plastiques représentent 10 % dans la sanitaire, 10 % dans le chauffage, dont le PEX représente 60 %, PP et PB sont nettement plus faibles (1 à 2 %).

Lors de l’utilisation des plastiques pour les réseaux de tuyauterie dans les bâtiments, on part du postulat d’une durée de vie de 50 à 55 ans, c’est-à-dire un remplacement de l’installation une fois pendant la durée de vie de l’objet immobilier.

L’évolution du marché des matières plastiques en Allemagne, en Autriche et en Suisse confirme l’équivalence totale entre les réseaux de tuyauterie à base métallique traditionnelle et ceux à base de plastiques, dont la part varie de 40 à 75 %.

Le polyéthylène réticulé domine la production des matières de tuyauterie, représentant environ 70 %, tandis que le polypropylène et le polybutylène sont équitablement répartis dans la suite.

TUBES COMPOSÉS POUR PLANCHER CHAUFFANT

Dans les dernières années, on commence à utiliser de plus en plus chez nous des tuyaux multistratifiés, c’est-à-dire des tuyaux composés de matériaux différents. Le tuyau multistratifié se compose d’un tube de base en plastique, d’un revêtement en aluminium soudé longitudinalement et d’une couche protectrice en plastique. Une couche adhésive spéciale assure une bonne adhérence des deux couches en plastique avec la feuille d’aluminium.

Les tubes combinés compensent le défaut des tubes en plastique en ce qui concerne l’allongement thermique linéaire. Les valeurs d’allongement thermique linéaire se rapprochent de celles indiquées pour l’aluminium, par exemple les entreprises indiquent une valeur de 0,025 mm.m-1.K-1. Un autre avantage est que le tuyau peut être fixé à une distance plus grande, car le flambage après remplissage à l’eau est plus faible. Ces tuyaux se distinguent par une rigidité relative, tout en conservant en même temps une grande flexibilité. Les tuyaux multicouches sont raccordés mécaniquement ou par soudage polyfusion avec des raccords. Avant la soudure, il faut enlever toutes les couches sauf le tube de base en plastique.

Littérature utilisée :

Dušan Petráš : Chauffage par le sol hydronique

Dušan Petráš : Chauffage à basse température et énergies renouvelables