Dimensionnement de la production d’eau chaude sanitaire en semi-accumulation
On trouvera ci-dessous le développement d’une méthode de calcul extraite du « guide au dimensionnement des appareils de production d’eau chaude sanitaire » publiée par l’Institut de Conseils et d’Études en Développement Durable. Le document source est disponible ici.
| Si les besoins sont continus et que l’installation peut être décrite par un profil de puisage critique. |
Étape 1 : profil de puisage
Le calcul d’une installation d’ECS en semi-instantané ou semi-accumulation sera fondé sur la reconstitution des puisages possibles dans les conditions réputées les plus rigoureuses.
Établir le profil de puisage consiste à déterminer pour différentes journées caractéristiques de l’année, les besoins en eau chaude heure par heure.
Remarque : Si le découpage heure par heure du profil de puisage n’est pas représentatif de la situation réelle, par exemple si on assiste à des puisages courts et discontinus ou à de courtes pointes de puisage, un autre découpage doit être considéré, de 10 en 10 minutes, par exemple.
La méthode décrite ci-après permet de dimensionner l’appareil de production d’ECS pour satisfaire aux besoins de la pointe la plus importante de la journée. On prendra comme hypothèse que l’entièreté des stocks éventuels d’eau chaude de l’appareil soient reconstitués avant d’aborder la pointe de consommation suivante.
Dimensionné pour la pointe principale, l’appareil choisi pourra alors sans problème satisfaire les demandes de pointes moins critiques.
Étape 2 : profil de l’énergie puisée
L’eau chaude consommée peut se traduire en énergie puisée. Le profil de puisage d’eau chaude peut donc être transformé en un profil d’énergie puisée au moyen de la formule suivante :
E = 1,16 x V60 x (60° – 10°) / 1 000
avec,
- E = énergie contenue dans l’eau chaude en kWh
- V60 = volume puisé en litre ramené à 60°C
- 1,16 / 1 000 = facteur de conversion
- 10° = température de l’eau froide
Étape 3 : courbe des besoins consécutifs
a. Qu’est-ce que la courbe des besoins consécutifs ?
À partir du profil de puisage (exemple sur base d’un profil de puisage continu ne subissant pas de forte pointe pouvant donc être décrit heure par heure), on peut dessiner le graphe ci-dessous :
Puisages maximum consécutifs.
Ce schéma représente l’énergie maximum puisée en continu en 1 heure, 2 heures, 3 heures, … en considérant les conditions les plus critiques, quel que soit le moment de la journée et le jour de la semaine. Autrement dit, cela peut être le puisage le plus élevé demandé un jour de semaine à 8h00, suivi de la demande la plus forte enregistrée un samedi de 9h00 à 11h00, etc…
b. Comment établir la courbe des besoins consécutifs ?
Le traitement des données peut s’effectuer de la manière suivante :
- À partir du profil d’énergie puisée heure par heure, on peut calculer un profil d’énergie puisée, de 2 heures en 2 heures, de 3 heures en 3 heures et ainsi de suite.
- On répète la même opération pour chaque jour caractéristique (ex.- en semaine, les vendredi et samedi, le dimanche).
- On peut alors dessiner la courbe des besoins consécutifs, on reporte sur un graphe énergie en fonction du temps, l’ensemble des puisages maximum consécutifs, tous types de journée confondus.
Le graphe ainsi obtenu représente donc l’énergie maximum puisée via l’eau chaude sanitaire en 1 heure, 2 heures, 3 heures, 4 heures, …
Il traduit donc les besoins les plus contraignants que l’on peut rencontrer.
Il suffit maintenant de choisir l’appareil de production d’ECS (volume de stockage et puissance de l’échangeur) capable de satisfaire ceux-ci.
Étape 4 : volume de stockage et puissance de l’échangeur
Le dimensionnement des appareils consiste à définir la puissance de l’échangeur (ou du générateur) et le volume de stockage nécessaire pour satisfaire la courbe des besoins consécutifs.
a. La puissance de l’échangeur
Reprenons la courbe des besoins consécutifs. Sur ce graphe, l’énergie fournie par le générateur ou l’échangeur de la production d’ECS en fonction du temps, est représentée par une droite, appelée droite de puissance.
Puisages maximum consécutifs.
Si l’échangeur fonctionne dès le début d’un puisage, cette droite partira de l’origine.
Traçons donc une droite de puissance, par exemple la droite 1. Celle-ci représentant l’énergie fournie par l’échangeur en fonction du temps, la puissance de l’échangeur est représentée par la pente de la droite :
Examinons sur le graphe, ce qu’il se passe après un temps h de puisage :
- l’équivalent « énergie » de l’eau chaude consommée par les utilisateurs = E5 kWh,
- l’énergie fournie par l’échangeur de puissance P = E4 kWh.
b. Le volume de stockage
L’énergie consommée étant supérieure à l’énergie fournie par l’échangeur, la différence E5 – E4 doit être contenue dans l’eau chaude stockée.
L’énergie maximum qui doit être stockée dans l’eau chaude du ballon est donc représentée par la plus grande distance verticale entre la droite de puissance et la courbe des besoins consécutifs. C’est-à-dire, la distance verticale entre la parallèle à la droite de puissance tangente à la courbe des besoins (droite 2) et la droite de puissance elle-même (distance B – D). ce qui donne l’énergie : E2 – El.
Le volume du ballon nécessaire est donc de :
en litres
où,
- Tec = température de stockage de l’eau chaude
- 10° = température de l’eau froide et donc température minimum que peut atteindre l’eau dans le ballon avant que l’inconfort n’apparaisse
- a = coefficient d’efficacité du ballon
c. Comportement du système
En parcourant la courbe des besoins consécutifs, on peut résumer le fonctionnement de l’appareil de production d’ECS, comme suit :
- de A à B : la puissance puisée est supérieure à la puissance fournie par l’échangeur, le stock d’eau chaude se vide;
- en B : le stock d’eau chaude a atteint sa température minimum admissible;
- de B à C : la puissance fournie par l’échangeur est supérieure à la puissance puisée. Le stock d’eau chaude se reconstitue partiellement;
- en C : le stock d’eau chaude est entièrement reconstitué.
d. En résumé
On a donc déterminé une paire
Puissance de l’échangeur : P = 
Volume de stockage : V = 
pour satisfaire les besoins.
Remarque : comme dans le cas des préparations instantanées et en accumulation, la puissance sera majorée pour tenir compte des pertes de distribution et de stockage.
Celle-ci dépend évidemment de la droite de puissance choisie. En fait, il existe une infinité de possibilités en fonction de la puissance choisie.
Puisages maximum consécutifs.
On voit ici toute la plage de possibilités offertes lorsque le profil de consommation est considéré sur 24h.
Il convient donc d’explorer l’ensemble des combinaisons P – V possibles avant de faire son choix. On tracera pour cela, une courbe dite d’égale satisfaction des besoins.
Étape 5 : courbe d’égale satisfaction des besoins
Il existe d’autres combinaisons V – P (volume, puissance) permettant de satisfaire les besoins traduits par la courbe des besoins consécutifs.
Pour les déterminer, il suffit de répéter la méthode décrite ci-avant avec plusieurs droites de puissance (ex. – droite 1, 2, 3, … ).
Courbe d’égale satisfaction des besoins.
En calculant pour chacun des cas, la puissance de l’échangeur et le volume de stockage, on peut recomposer une courbe (P, V), représentant l’ensemble des combinaisons possibles : la courbe d’égale satisfaction des besoins.
Étape 6 : choix de la combinaison puissance-volume optimum
Le choix de la puissance et du volume à installer se fera suivant :
- Le coût :
Le premier critère sera le coût de l’installation. On comparera le coût de plusieurs combinaisons (puissance, volume), en tenant compte dans une installation combinée (chauffage-ECS) de la surpuissance nécessaire pour la chaudière.
- L’encombrement :
La disponibilité de place pour le matériel (le ballon) sera aussi déterminante dans le choix. Il faudra aussi tenir compte des possibilités d’acheminement et d’évacuation du matériel.
- La compatibilité avec la puissance chauffage dans les installations combinées :
Dans la mesure du possible (en respectant les deux premiers critères ci-dessus), il faut essayer que la puissance de la production d’ECS soit la moins éloignée possible de la puissance chaudière – puissance de l’échangeur ECS > 30 % de la puissance chaudière. En effet, plus l’écart de puissance sera grand, plus les cycles de fonctionnement du brûleur seront courts pour assurer la production d’ECS, ce qui diminuera le rendement de production.
Améliorer la distribution d’eau chaude sanitaire
Stopper la circulation la nuit et le week-end
La boucle de circulation est très consommatrice d’énergie puisqu’une température élevée y est maintenue en permanence. Interrompre cette circulation permet à l’eau de descendre de température et donc de diminuer les déperditions.
Quel est le gain lié à la coupure ?
Malgré qu’il faudra remettre la boucle en température au redémarrage de la circulation, on est toujours gagnant à l’interrompre. Simplement, le gain est d’autant plus grand que la période d’interruption est longue et que l’isolation des conduits est faible.
Une étude réalisée dans le cadre du programme Ravel (Suisse) montre qu’une boucle de circulation, bien isolée, qui serait interrompue seulement 8 heures par jour (33 % du temps) économiserait 19 % des pertes du réseau d’eau chaude sanitaire (diminution des pertes des tuyauteries et de la consommation du circulateur). Dans ce calcul, il a été tenu compte du réchauffage de l’eau refroidie et de la tuyauterie à la fin des 8 heures.
Si la coupure est plus longue (8 h par nuit + week-end, soit 52 % du temps), le bénéfice en est encore bien plus important : 45 % d’économies. Proportionnellement, l’impact du réchauffage diminue.
Attention au ballon de stockage électrique
Si le chauffage est programmé la nuit, il faudra réamorcer la circulation avant la fin de la période de nuit afin que le réchauffage soit réalisé à prix réduit.
Et la Légionelle ?
La légionelle se développe particulièrement bien entre 32 et 42°C. Un arrêt de la boucle de circulation entraînera forcément une température de l’eau assez tiède pendant plusieurs heures. Cependant, si la production d’eau chaude s’est réalisée à 60°C, les bactéries ont été détruites et ne vont pas spontanément se redévelopper. Et une remontée à 60°C aura lieu dès le redémarrage de la circulation.
Et une coupure permanente ?
On peut aussi parfois se demander si la circulation d’eau est vraiment nécessaire ? Un test sur le bâtiment existant (ou sur une partie de celui-ci) peut facilement être réalisé, après avoir éventuellement averti les utilisateurs de la prolongation du temps d’attente.
Une production décentralisée (gaz ou électrique) peut-elle être placée pour alimenter le dernier point de puisage et raccourcir la boucle ?
Mais cette fois, la question de la légionelle se pose sérieusement. Des bras morts plus longs seront présents. Donc un risque de stagnation de l’eau si l’usage est sporadique. Dans la nouvelle réglementation flamande, les bras morts ne pourront être de plus de 5 m et d’une contenance de 3 litres. Si l’arrêt définitif de la boucle est confirmé, il sera au minimum nécessaire de sectionner et vidanger la tuyauterie de retour pour éviter de laisser de l’eau stagnante dans cette partie de l’installation.
Isoler les tuyauteries
Isoler la boucle de circulation
Une isolation aussi performante que celle du ballon s’impose.
L’épaisseur d’isolation rentable de la boucle d’eau sanitaire dépend de son diamètre. Le tableau suivant traduit les exigences de la norme NBN D30-041 en tenant compte de la température de l’eau (fonction du mode de régulation), de la température ambiante et des épaisseurs d’isolant courantes sur le marché
|
–
|
Épaisseur d’isolant rapportée à un coefficient de |
|
|
Température de l’eau |
Conduite extérieure (température ambiante : 0°C) |
Conduite intérieure (température ambiante : 15°C) |
|
DN |
||
| 10 | 40 | 30 |
| 15 | 40 | 30 |
| 20 | 40 | 40 |
| 25 | 50 | 40 |
| 32 | 50 | 40 |
| 40 | 50 | 50 |
| 50 | 50 | 50 |
| 65 | 60 | 50 |
| 80 | 60 | 60 |
|
Dispositions particulières |
Épaisseur d’isolant |
| Tuyaux pour les percements dans les planchers et les murs et pour les croisements. | La moitié des exigences ci-dessus |
| Tuyauteries dans la dalle entre locaux chauffés. | 6 mm |
| Le temps de retour de l’investissement est toujours très court : de l’ordre de 0,5 à 1,5 an.
Pour calculer la rentabilité de l’isolation de votre tuyauterie. |
Astuce : un fabricant propose une circulation tube-contre-tube, ce qui permet l’exécution d’une seule coquille.
- Isolation thermique.
- Eau Chaude Aller.
- Air.
- Eau Chaude Retour.
On pense bien entendu aux tuyauteries traversant des locaux non chauffés (tout particulièrement les gaines techniques) mais également celles qui traversent des locaux chauffés puisque les pertes durant la mi-saison et l’été seront non négligeables. Si le local est climatisé, cette chaleur devra être éliminée en pure perte. Et si le local ne l’est pas, c’est une source de surchauffe supplémentaire par période de forte chaleur.
Dans les gaines techniques verticales, il est parfois impossible d’accéder aux tuyauteries. Pourrait-on alors imaginer d’arrêter la boucle de circulation à hauteur des caves, sans engendrer un inconfort trop important si l’on ne dépasse pas 2 ou 3 étages ?
Cette technique serait dangereuse en matière de propagation de la légionellose. En effet, on crée ainsi des « bras morts » sur le réseau où la température intermédiaire est favorable au développement de la bactérie. Ce n’est en tout cas pas admissible si ce sont des douches qui sont alimentées, puisque la contamination se fait essentiellement via la pulvérisation d’aérosols respirés par les poumons.
Isolation des vannes
Les vannes jouent également un rôle important et seront isolées en conséquence (en première approximation, on admet que les pertes d’une vanne à brides sont similaires à 1 mètre de tuyauterie du même diamètre).
Isoler les tuyauteries d’alimentation des points de puisage
Une isolation thermique des tuyauteries reste toujours utile :
- Si les soutirages sont rapprochés, l’économie d’énergie sera très importante.
- Si les soutirages sont plus espacés (hébergement), l’utilisateur pourra rapidement obtenir une eau « tiède », souvent jugée suffisante, mais l’économie liée à la pose de l’isolant sera plus faible.
- Au minimum, l’isolation des distributeurs placés au dessus de l’accumulateur est nécessaire pour limiter les circulations internes dans les tuyauteries (une campagne de mesure a permis d’évaluer que le refroidissement par une tuyauterie horizontale non isolée greffée sur le ballon est vraiment non négligeable : l’eau refroidie redescend vers le ballon et une boucle convective se forme !).
Programmer le réchauffeur de boucle
L’isolation renforcée du réseau de distribution permet généralement d’arrêter le fonctionnement du réchauffeur de boucle qui peut être présent sur le retour de la boucle de circulation des ballons électriques.
Ceci permet de limiter le chauffage avec le courant de jour. Mais une perturbation de la stratification suite au retour de l’eau de circulation refroidie après la nuit, risque de se poser. Il est alors utile de programmer le réenclenchement de la circulation et du réchauffeur à la fin de la période de chauffage de nuit, pour bénéficier encore du tarif avantageux.
Une alternative peut également consister à augmenter quelque peu la température du ballon, en misant sur la faiblesse de la chute de température dans la boucle. Ou encore, d’abaisser la consigne du réchauffeur de boucle afin de juste maintenir la température minimale souhaitée.
Réduire la puissance de la pompe de circulation
Les boucles de circulation entraînées par des pompes surdimensionnées et non régulées sont des véritables « gaspilleurs d’énergie » ! Pour bien comprendre la logique d’une boucle de circulation, il faut penser au vieux truc des anciens pour éviter le gel d’une conduite en hiver : laisser passer un fin filet à la sortie du robinet ! De même, le débit de circulation d’eau compense les pertes de chaleur mais n’assure pas le débit d’eau d’alimentation d’un équipement.
En pratique, le circulateur de boucle est presque toujours surdimensionné. Lors du remplacement par un appareil de plus faible puissance, on posera un organe de régulation et un clapet antiretour.
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Dimensionnement du circulateur de boucle Le volume d’eau contenu dans l’installation n’entre pas en considération dans la détermination du débit horaire à mettre en circulation. Le débit d’eau chaude qui doit circuler doit compenser la somme des déperditions des tuyauteries du réseau aller, tenant compte d’une chute de température de l’eau acceptable (généralement 5 K) entre les points extrêmes de ce réseau, c’est-à-dire entre le départ du préparateur d’eau chaude sanitaire et le puisage le plus défavorisé. Ce dimensionnement doit générer une vitesse maximum de l’eau de 0,5 m/s. La pompe de circulation du type « sanitaire » devra être capable d’assurer le débit ainsi calculé avec une hauteur manométrique égale aux pertes de charge sur le réseau aller et retour, sans oublier celles dues aux vannes, clapets et autres accessoires présents sur l’installation et tout particulièrement aux mitigeurs thermostatiques qui peuvent présenter des pertes de charge importantes. |