Comment calculer et limiter les pertes de charges en piscine ?

Dans tout système hydraulique, les pertes de charge correspondent à des pertes de pression provoquées par la circulation de l’eau dans les canalisations et les équipements. En piscine, ces pertes doivent être anticipées dès la conception pour garantir un débit suffisant au niveau des skimmers, buses de refoulement, filtre ou pompe à chaleur.
Les pertes de charge représentent une problématique centrale pour les techniciens et installateurs de piscines. Elles influencent directement le dimensionnement des pompes et du filtre, la consommation énergétique des équipements et la qualité de filtration de l’eau. 
Explications avec Gilles Petitjean, formateur au CFA-BTP de Pau.

Les conséquences des pertes de charge

La qualité de l’eau de baignade, et donc la satisfaction du client, est définie à 80 % par le travail de la filtration, les 20 % restants étant assurés par la chimie de l’eau.
Or, l’efficacité de ce travail dépend des caractéristiques du filtre, mais également de celles de la pompe de filtration.

Le débit de la pompe (Vitesse, débit, pression… : des notions à bien appréhender) est défini par le volume d’eau à traiter divisé par 4.
Par exemple, pour un débit calculé de 15 m³/h et l’installation d’une pompe de 15 m³/h sans prise en compte des pertes de charge, suivant le circuit hydraulique et le matériel installé, le débit réel du circuit sera fortement réduit, tout comme l’efficacité de la filtration de l’eau du bassin. Conséquence : au lieu des 80 % attendus, la filtration n’assurera que 70 %, 60 % ou moins du travail.
Il faudra donc compenser en employant davantage de chimie, voire, si ce n’est pas suffisant, remplacer la pompe par un modèle plus puissant, avec toutes les adaptations et travaux supplémentaires que cela implique !

Le calcul des pertes de charge est donc essentiel pour un piscinier. Un mauvais fonctionnement du système peut avoir de graves conséquences :

• Des coûts liés au changement de matériel ;
• Des coûts liés à une éventuelle dépose des terrasses pour la reprise des canalisations ;
• Des coûts liés à la remise en état des terrasses ;
• Des coûts supplémentaires pour le client (consommation d’énergie, d’eau et de produits) ;
• Une atteinte à la renommée de l’entreprise ;
• Une perte de confiance du client ;
• Un risque de procédure judiciaire.

Bien comprendre les pertes de charge

Les pertes de charge sont un phénomène physique lié à la topologie du circuit hydraulique de chaque bassin :

• Elles résultent des différents freins ou obstacles que l’eau rencontre en parcourant le circuit de filtration.
• Elles sont caractérisées par une perte de pression, exprimée en bar ou en mCE (mètre de colonne d’eau).
• La configuration, la longueur et la complexité du système de canalisations déterminent leur degré d’importance.

Plus l’installation est simple, moins elle induit de pertes de charge. Malgré tout, même sur une installation simple, chaque composante du circuit hydraulique entraîne une perte de charge plus ou moins importante :

• la longueur et le diamètre des canalisations ;
• la vanne multivoies et le filtre ;
• le nombre et le type de coudes ;
• les éléments installés sur le circuit de filtration : traitement d’eau, chauffage… ;
• la différence de hauteur entre la pompe et la surface de l’eau de la piscine ;
• etc.

La pompe devra donc être en mesure d’assurer une pression suffisante, comprise entre 0,8 bar et 1 bar (valeur moyenne pour une piscine), pour compenser ces pertes de charge.

Quelques formules de calcul hydraulique

La pression :

ou la Force (daN) = pression (bars) x section (cm²)

Le débit :

Le débit est déterminé par le fabriquant de pompes en fonction des différents besoins des circuits hydrauliques de piscine.

La vitesse du fluide ou vitesse d’écoulement :

La vitesse d’écoulement pour une filtration de piscine a deux valeurs maximales :

• environ 1,5 m/s pour l’aspiration (au-dessus risque de cavitation)
• environ 2 m/s pour le refoulement (au-dessus risque de coup de bélier)

Les différents types de pertes de charges

On distingue trois types de pertes de charge.

1. Perte de charge linéaire :

Il s’agit des pertes dues aux frottements de l’eau sur les parois des canalisations du circuit de filtration. Ces pertes sont directement liées au diamètre des sections, à l’état de la surface et à la longueur des canalisations.

2. Perte de charge singulière :

Elle est liée aux obstacles que l’eau rencontre lors de son trajet dans le circuit. Parmi ces obstacles on trouve les coudes, les raccords, les pentes, mais aussi tous les équipements installés sur le circuit de filtration : le filtre, la pompe, les vannes, les refoulements, la pompe à chaleur…

3. Perte de charge géométrique :

Elle découle de la différence de hauteur entre le niveau de l’eau de la piscine et l’axe d’aspiration de la pompe de filtration. Cette hauteur s’exprime en mètres.

L’addition de ces trois types de pertes de charge (linéaire, singulière, géométrique) permet de calculer la perte de charge globale de l’installation, avec une précision relative, exprimée en mètres de colonne d’eau (mCE).

Comment mesurer les pertes de charge sur un circuit hydraulique ?

Etape 1 – Calcul du débit en prenant en compte la différence de pression mesurée en entrée et en sortie.

Loi de Poiseuille

• Q_v : débit-volume (en m³/s – 1) 
• r : rayon intérieur (en m)
• h ou µ : viscosité dynamique du fluide (en Pa/s) 
• L : longueur entre les points (1) et (2) (en m)
• P1 et P2 : pression du fluide aux points 1 et 2 en (Pa)

Etape 2 – Calcul de la vitesse de filtration puis du débit en litre / seconde

Ces deux valeurs permettent, grâce au diagramme de DARIES de déterminer la perte de charge liée à l’élément testé.

Exemple :

Cette méthode de calcul permet de constater les pertes de charge sur un circuit existant.

Comment calculer les pertes de charge et bien dimensionner la pompe et le filtre ?

Dans le cadre d’une création de piscine, le piscinier doit utiliser une autre méthode de calcul pour choisir la pompe la plus adaptée aux besoins du bassin à construire, et garantir à son client une qualité de filtration optimale.

Étape 1 – Calculer le débit théorique de la pompe de filtration en fonction du volume d’eau.

Étape 2 – Choisir la pompe de filtration dans le catalogue fournisseur en fonction du débit théorique. 

Étape 3 – Vérifier l’adaptation des canalisations d’aspiration et de refoulement (nombre, débit réel, diamètre) au débit réel de la pompe de filtration choisie dans le catalogue du fabricant, ainsi qu’à la limite maximale de débit des canalisations, en fonction du tableau suivant :

Diamètre extérieur de la tuyauterie	Section intérieure de la canalisation en m²	Débit maximum admissible en m3/h des canalisations d’aspiration	Débit maximum admissible en m3/h des canalisations de refoulement
32 mm	0,000530	2.86 m3/h	3.80 m3/h
40 mm	0,000834	4.5 m3/h	6.00 m3/h
50 mm	0,001319	7.12 m3/h	9.50 m3/h
63 mm	0,002122	11.46 m3/h	15.28 m3/h
75 mm	0,002959	15.98 m3/h	21.3 m3/h
90 mm	0,004252	22.96 m3/h	30.61 m3/h
110 mm	0,006358	34.33 m3/h	45.78 m3/h
125 mm	0,008199	44.27 m3/h	59.03 m3/h
140 mm	0,010309	55.6 m3/h	74.22 m3/h

Étape 4 – Calculer les débits réels dans toutes les canalisations. 

Étape 5 – Calculer les pertes de charges linéaires :

Les pertes de charge linéaires se calculent grâce à l’abaque de DARIES, à partir des valeurs de vitesse de l’eau et de débit réel dans la canalisation. La valeur trouvée sur l’échelle des pertes de charge intègre également celles liées aux différents raccords et vannes qui seront posées sur le circuit.

L’abaque de DARIES, ayant été conçu pour des canalisations en fonte, il faut corriger la valeur donnée par l’abaque en retranchant 40 % à la valeur trouvée, les canalisations en PVC étant plus lisses que celles en fonte.

La valeur obtenue correspond à 1 mètre de canalisation. Il faut donc multiplier cette valeur par la longueur de chaque canalisation.

Ce calcul est à réaliser pour chaque réseau hydraulique :

• Aspirations du bassin vers local
• Refoulements du local vers bassin
• Aspiration dans le local technique
• Refoulement dans le local technique

Étape 6 – Calculer le total des pertes de charges singulières.

Les pertes de charge singulières correspondent aux pertes liées aux différents équipements connectés au circuit hydraulique (filtre, traitement de l’eau, chauffage, etc.). Leur valeur est indiquée dans la documentation technique des fabricants.

Étape 7 – Calculer les pertes de charges géométriques :

• La hauteur de l’axe de la pompe de filtration est indiquée dans la documentation technique du fabricant, 
• La différence de hauteur entre la dalle du local technique et la surface de l’eau est précisée sur le plan du bassin.

Ces données permettent de calculer les pertes de charges géométriques.

Important : si la pompe est située en-dessous du niveau de l’eau, la perte de charge est en partie compensée par la pression atmosphérique.

Étape 8 – Calculer les pertes de charge totales de la filtration en additionnant les trois types de pertes de charge : linéaires, singulières et géométriques.

Étape 9 – Choisir la pompe de filtration en tenant compte des pertes de charge : Vérifier que la pompe est adaptée au circuit en s’appuyant sur les courbes fournies par le constructeur. En fonction du résultat, il peut être nécessaire de choisir une pompe plus puissante.

Dans le cas de figure ci-dessus, le choix doit se porter sur la pompe dont la courbe se situe au-dessus du point de croisement des valeurs de pression et de débit.

Étape 10 – En cas de changement de pompe, contrôler avec le tableau de l’étape 3, si les canalisations d’aspiration et de refoulement (diamètre et débit) sont adaptées aux valeurs de débit de la nouvelle pompe. Attention, le choix d’une pompe plus puissante va faire varier les valeurs de perte de charge. 

Étape 11 – Vérifier le bon appairage pompe / filtre :

La vitesse de la pompe doit être inférieure à celle du filtre afin d’éviter un colmatage trop rapide.

Comment réduire ou compenser les pertes de charge ?

Le total des pertes de charge est lié à l’accumulation des frottements, des réductions de section ainsi qu’aux passages d’obstacles que l’eau subit et rencontre tout au long de son parcours dans le circuit hydraulique de la piscine.
L’objectif, pour un professionnel, est donc de travailler à les limiter au maximum.

1. La réduction des pertes de charge passe en premier lieu :

• Par une réflexion sur le positionnement du local technique, lors de la visite du futur chantier de la piscine : distance du local par rapport au bassin, hauteur du local par rapport au plan d’eau et positionnement de la filtration dans le local technique.
• Une fois le devis réalisé, il est difficile d’expliquer au client que le montant du devis va augmenter en raison d’une erreur d’appréciation de la situation.
• L’optimisation du schéma de circulation en réduisant au maximum le nombre de raccords et, quand cela est possible, en remplaçant les coudes à 90° par deux coudes à 45° ou des coudes à large rayon.
• Soigner les collages en ébavurant les coupes intérieures de la canalisation pour diminuer les frottements de l’eau (cf. « Le collage parfait pour des piscines durables (et sans problèmes) ».)

2. La compensation des pertes de charge

Elle nécessite obligatoirement le calcul des pertes de charge, surtout si le projet est atypique et diffère des types de projets habituellement réalisés par l’entreprise. L’objectif est de compenser l’effet des pertes de charge en modifiant la puissance de la pompe de filtration et du filtre associé, comme expliqué précédemment.

Ce calcul, même s’il paraît fastidieux, est nécessaire pour s’assurer que le système de filtration assure bien 80 % du travail de traitement, et garantir à vos clients une qualité d’eau optimale avec, à la clé, des économies de produits chimiques, d’énergie et d’eau.

A suivre.