Établir le cahier des charges « qualité »
Le cahier des charges d’une installation solaire peut se concevoir selon deux approches différentes. Sur base des résultats de l’étude de faisabilité, le bureau d’études choisi par le maître de l’ouvrage peut soit :
- Définir un objectif de production de l’installation et des exigences de base auxquelles le système et certains composants doivent satisfaire. A charge pour le soumissionnaire de proposer un système qui produit annuellement le nombre de kWh solaires requis. Cette approche est utilisée dans l’optique d’une Garantie de Résultats Solaires.
- Dimensionner lui-même l’installation optimale et décrire en détail le système et tous ses composants. Le soumissionnaire fera une offre de prix pour la fourniture des composants spécifiés et les travaux d’installation.
Dans les deux cas, les exigences de qualité seront stipulées dans le cahier des charges afin de garantir la durabilité et le fonctionnement optimal de l’installation. Ci-dessous, quelques points qui doivent faire l’objet d’une attention particulière lors de la rédaction du cahier des charges :
- Plus encore que dans les systèmes de production de chaleur traditionnels, un matériel de qualité, monté dans les règles de l’art est indispensable au bon fonctionnement de l’installation solaire thermique. Deux grands types de systèmes sont couramment utilisés sous nos latitudes : les systèmes à vidange et les systèmes sous pression. Le choix du type de système peut être laissé au soumissionnaire à condition de spécifier les exigences de qualité minimales pour chaque type de système.
- Les capteurs constituent, avec la régulation, le cœur du système solaire thermique. Ils doivent satisfaire à de nombreuses exigences de durabilité, de rendement et de résistance à des conditions extrêmes de température et de pression. Tous ces critères sont explicités dans la récente norme européenne – EN 12975-1 : Installations solaires thermiques et leurs composants – Capteurs – partie 1 : Exigences générales – disponible auprès de l’Institut Belge de Normalisation (
http://www.nbn.be/). La conformité des capteurs avec cette norme constitue un gage de qualité appréciable.
- L’énergie solaire est transférée au stockage par un échangeur de chaleur (interne ou externe au ballon). Le dimensionnement correct de cet échangeur est crucial. De fait, un mauvais dimensionnement risque d’influencer négativement tant la performance des capteurs que la consommation électrique de la pompe du circuit primaire.
- Les pertes du stockage doivent absolument être limitées par une isolation parfaite du ballon et de la boucle de distribution d’eau chaude s’il y en a une. Le bouclage de l’eau distribuée augmente les pertes liées au stockage d’au moins 30 %. Une conception appropriée de l’installation permet de limiter ces pertes.
- L’isolation ininterrompue des conduites du circuit primaire est capitale. L’isolation des conduites extérieures doit faire l’objet d’une attention particulière. Le matériau isolant doit résister aux intempéries et aux rayons ultraviolets, et dans bien des cas, une gaine rigide en aluminium sera nécessaire pour le protéger des attaques de rongeurs et d’oiseaux.
- Dans les systèmes sous pression, le vase d’expansion du circuit primaire doit pouvoir contenir, outre le volume correspondant à la dilatation thermique du fluide caloporteur, l’entièreté du fluide contenu dans les capteurs au cas où celui-ci se vaporiserait suite à la montée en température des capteurs. Les soupapes de sécurité permettront à la vapeur de s’échapper en cas de problème.
- Tous les matériaux mis en œuvre doivent résister simultanément à de hautes températures et pressions, en particulier les composants situés dans le réseau hydraulique des capteurs.
- La garantie matérielle offerte sur un système solaire thermique est généralement de 10 ans sur les capteurs, 5 ans sur le(s) ballon(s) de stockage, et deux ans sur tous les autres composants du système.
- Le suivi et la maintenance de l’installation solaire revêtent une importance particulière car, en cas de dysfonctionnement, le système de chauffage d’appoint pourrait fournir toute l’énergie nécessaire à la production d’eau chaude sans que l’on ne s’en aperçoive. Pour permettre un suivi élémentaire de l’installation, on placera un calorimètre sur la conduite primaire afin de mesurer l’énergie solaire transférée au ballon de stockage.
Plus de détails sur le cahier des charges d’une installation de capteurs solaires (fichier xls réalisé par le bureau 3E à l’initiative de l’IBGE)
Source : Brochure « Installer un grand système solaire de production d’eau chaude en Wallonie » réalisée par 3E ( 
http://www.3e.be) et l’Institut de Conseils et d’Études en Développement Durable (
http://www.icedd.be).
Prévoir un contrat de Résultats Solaires (GRS)
La GRS est un contrat qui traduit la volonté du fabricant/fournisseur de ne pas se limiter à la simple fourniture de composants, mais de garantir également la production énergétique annuelle de l’installation solaire.
Par la GRS, le fabricant et/ou le fournisseur du système, l’installateur, l’exploitant et le bureau d’études en charge du projet deviennent solidairement responsables des objectifs de production fixés.
Éviter les bulles …
| Les résultats d’audits menés sur d’anciennes installations solaires collectives ont permis de mettre en évidence certains problèmes de conception, de maintenance et de contrôle de l’installation. Ce constat a donné naissance au concept de Garantie de Résultats Solaires en France dès la fin des années 80. |
La production de l’installation est suivie mois par mois à l’aide d’un dispositif de télésurveillance qui comptabilise l’énergie solaire. L’installation doit par exemple produire 90 % de l’objectif calculé, pendant deux à cinq années consécutives.
La GRS a été mise en œuvre pour la première fois en France, en 1988, sur l’Hôpital de Castres. Depuis lors des dizaines d’installations collectives avec GRS ont vu le jour en Espagne, en France et en Allemagne.
Détail important, jusqu’à présent, les systèmes qui en bénéficient ont toujours produit plus que ce que la GRS ne prévoyait !
Si le maître d’ouvrage souhaite obtenir une garantie de résultat solaire, le cahier des charges précisera :
- Les besoins de l’établissement (le profil de puisage, la demande en chaleur,…).
- Un objectif de production (combien de kWh solaire le système doit-il produire annuellement ?).
- Toutes les contraintes susceptibles de limiter la production de l’installation.
- Les exigences de qualité des matériaux utilisés.
> Pour en savoir plus sur la GRS : 
http://www.tecsol.fr
Estimer la durée de vie et la maintenance
Piscine solaire de Louvain La Neuve.
Actuellement, on peut aisément compter sur une durée de vie de 25 ans. L’audit de l’installation de la piscine du Blocry (capteur plans vitrés atmosphériques) à Louvain La Neuve a montré qu’après 20 ans l’installation présentait des performances de près de 90 % par rapport aux prestations initiales. Il va de soi que maintenir une bonne performance va de pair avec un entretien régulier et une maintenance correcte de l’installation.
Un guide très complet sur la maintenance à destination du responsable énergie a été réalisé par le bureau 3E à l’initiative de l’IBGE. 
Prédimensionner l’installation d’ECS
C’est le rapport « volume de stockage / surface de capteur » qui détermine le fonctionnement optimal de l’ensemble du système et la fraction solaire atteinte, donc le bon dimensionnement de la proposition par rapport aux besoins couverts par le solaire (fraction solaire).
Différentes approches de dimensionnement sont possibles : sur base de la fraction solaire souhaitée ou à partir de l’optimum économique.
Le tout est de trouver le bon compromis entre une fraction solaire intéressante et une production au m² suffisante pour que l’installation solaire reste économiquement justifiée.
Pour les faibles fractions solaires assurant une plus grande production surfacique (meilleure efficacité et donc temps de retour plus court), on dimensionnera le système en situation estivale (besoins et apports solaires).
Pour atteindre une couverture solaire plus importante, l’installation sera dimensionnée par rapport à l’énergie solaire disponible en mi-saison.
> Plus d’infos sur l’influence de la fraction solaire sur le rendement de la production solaire.
Néanmoins, en fonctionnement, un système correctement dimensionné devrait produire entre 300 et 450 kWh/m².
Le tableau suivant présente des valeurs de dimensionnement couramment rencontrées en pratique (source ATIC) :
| Fraction solaire % | Type d’installation | Surface de capteur | Volume de stockage du tampon |
|---|---|---|---|
| 20 à 40 % | Grandes | 1m² par 50 à 70 l/j d’ECS à 60 °C | 50 l/m² |
| 40 à 50 % | Moyennes | 1m² par 50 à 60 l/j d’ECS à 60 °C | 50 à 60 l/m² |
| 50 à 60 % | Petites | 1m² par 30 à 40 l/j d’ECS à 60 °C | 60 l/m² |
En règle générale, pour les très petites installations (type domestique), 4 m² de capteurs sont considérés comme un minimum pour rentabiliser une installation solaire alors que pour le logement collectif, 1 à 2,5 m² de panneaux solaires par logement suffisent.
Le Quick Scan, un outil d’aide à la décision simple et efficace
Le Quick Scan est un outil sectoriel de pré-dimensionnement des systèmes solaires collectifs, à utiliser au stade initial d’un projet.
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Sur base de la consommation d’eau chaude (réelle ou estimée) de l’établissement, le Quick Scan fournit des indications sur :
Le Quick Scan donne des ordres de grandeur qui doivent être précisés par la suite, lors de l’étude de faisabilité et du dimensionnement final de l’installation. Il constitue un excellent indicateur de la pré-faisabilité d’un projet, mais pas un outil de dimensionnement fin pour les bureaux d’études ou les fournisseurs d’équipements solaires. En effet, le Quick Scan ne considère pas les contraintes techniques propres au bâtiment, et dimensionne l’installation selon une méthode simplifiée. Les étapes ultérieures de la démarche-projet visent à dimensionner l’installation au plus près de l’optimum économique. |
| Pour accéder au Quick Scan.
Pour accéder au mode d’emploi du Quick Scan PDF. |
Considérer l’aspect économique [ECS par capteurs solaires]
![Considérer l'aspect économique [ECS par capteurs solaires]](https://energieplus-lesite.be/wp-content/uploads/2019/03/billet-argents.jpg "Considérer l'aspect économique [ECS par capteurs solaires]")
Le coût d’une installation
Le graphe qui suit donne une estimation du coût d’une installation solaire par mètre carré de capteurs. Le coût varie forcément en fonction de la taille de l’installation (plus le système est grand, plus le prix par m² de capteur est réduit).
À titre d’information, on peut estimer les coûts (hors TVA) suivants :
- pour 4 m² de capteurs (ex. petites installations de type unifamilial), il faut compter environ 6 500 € pour tout le système (capteurs + stockage + raccordement de l’appoint), soit +/- 1 620 €/m² de capteurs,
- pour 10 m² de capteurs (en logement collectif, cela correspond approximativement à 5 appartements), il faut compter environ 14 000 € pour tout le système, soit +/- 1 400 €/m² de capteurs,
- pour 25 m² de capteurs (en logement collectif, cela correspond approximativement à 15 appartements), il faut compter environ 30 000 € pour tout le système, soit +/- 1 200 €/m² de capteurs,
Bien entendu, si l’installation solaire thermique s’inscrit dans la rénovation plus large du chauffage ou de la toiture, certains coûts fixes vont diminuer.
Afin d’éviter de mauvaises surprises, outre le coût des capteurs, d’autres paramètres doivent être pris en compte dans l’évaluation du prix de l’installation. Entre autres :
- Le mode d’intégration architecturale choisi ;
- La faisabilité technique de raccorder la boucle solaire à l’installation existante ;
- L’accessibilité de la toiture ;
- La structure de la toiture (évaluer le surcoût si on doit renforcer la toiture) ;
- La taille de l’installation ;
- …
Attention ! Si l’on compare simplement le prix d’achat d’un système solaire avec le prix d’un système conventionnel, le risque est grand d’arriver à la conclusion que le solaire n’est pas une option économiquement intéressante. Ce serait aller un peu vite en besogne :
- Pour le solaire, la quasi-totalité des coûts porte sur les composants du système. Les frais de combustible sont par nature gratuits et les coûts d’exploitation faibles.
- À l’inverse, pour une chaudière au mazout ou au gaz ou un boiler électrique, une fraction importante du coût est reportée sur le prix du combustible et/ou les frais d’exploitation.
L’approche qui semble la plus pertinente de la faisabilité économique passe donc par l’estimation du coût du kWh solaire produit (coût de l’investissement divisé par l’économie énergétique annuelle), que l’on pourra raisonnablement comparer avec le coût du kWh mazout, gaz ou électricité.
Les subsides
Pour soutenir la production d’énergie verte, les pouvoirs publics belges ont mis en place des mécanismes financiers qui réduisent le coût réellement payé par l’investisseur de capteurs thermiques.
> Plus d’infos : 
http://energie.wallonie.be
Plus d’infos sur le financement de la rénovation énergétique : cliquez ici !
Quelle rentabilité ?
Si la conception et l’intégration d’une installation collective sont plus délicates que celles d’un chauffe-eau solaire individuel, la productivité de l’installation est généralement meilleure. En effet, le taux d’occupation des grands immeubles ou établissements est relativement constant tout au long de l’année et la consommation d’eau chaude y est globalement plus importante.
Les applications solaires les plus intéressantes économiquement se retrouvent parmi les établissements consommant de grandes quantités d’eau chaude : les piscines et les établissements d’accueil social (maisons de repos, centres d’accueil pour personnes handicapées, …), les internats, grands hôtels, centres de vacances, immeubles de plus de 15 logements, restaurants d’entreprise,… Plus la consommation d’eau chaude de l’établissement est élevée, plus l’installation solaire est grande, et meilleure est sa rentabilité. Et pour cause, le coût au m² d’une installation est inversement proportionnel à la surface installée; ce qui explique que de grandes installations puissent être rentables sans subsides.
Voici le prix de revient d’une installation solaire (couvrant 30 % des besoins énergétiques) en fonction de la consommation d’eau chaude sanitaire :
| Installation solaire | Coût du kWh solaire si : | ||||
|
Consommation moyenne |
Taille [m² capteurs] |
Coût HTVA |
Subside 0 % [c€/kWh] |
Subside 20 % [c€/kWh] |
Subside 40 % |
| 1 000 | 13 | 14 500 | 7.31 | 5.85 | 4.39 |
| 2 500 | 31 | 27 800 | 5.60 | 4.48 | 3.36 |
| 5 000 | 63 | 45 900 | 4.62 | 3.70 | 2.77 |
| 7 500 | 94 | 61 700 | 4.14 | 3.31 | 2.49 |
| 10 000 | 126 | 76 200 | 3.84 | 3.07 | 2.30 |
| 12 500 | 157 | 89 800 | 3.62 | 2.90 | 2.17 |
| 15 000 | 188 | 102 800 | 3.45 | 2.76 | 2.07 |
| 17 500 | 220 | 115 300 | 3.32 | 2.66 | 1.99 |
| 20 000 | 251 | 127 400 | 3.21 | 2.57 | 1.93 |
| 22 500 | 283 | 139 200 | 3.12 | 2.49 | 1.87 |
| 25 000 | 314 | 150 600 | 3.04 | 2.43 | 1.82 |
Par exemple, dans un établissement consommant 5 000 l d’eau chaude à 60 °C par jour (3e ligne du tableau), un chauffe-eau solaire produisant 30 % de l’énergie nécessaire pour couvrir les besoins en eau chaude sanitaire aura une surface de capteurs d’environ 63 m² et coûtera de l’ordre de 45 900 €. Si l’on rapporte ce coût à la quantité totale de combustible que l’installation solaire permet d’économiser, on obtient un coût de 4.62 c€ par kWh solaire (hors subside). Si l’investissement initial est subsidié (ou déductible fiscalement) à hauteur de 20 %, ce coût passe à 3.31 c€. Pour un taux de subside de 40 %, on a un coût de 2.77 c€ par kWh de combustible économisé.
Ces coûts sont donc compétitifs par rapport ceux des prix des combustibles à leur niveau actuel.
D’autre part, le prix des énergies fossiles sur le marché mondial dépend de nombreux facteurs que nous ne maîtrisons pas, alors que le coût du kWh solaire produit, lui, est stable et garanti pendant toute la durée de vie de l’installation. Il est bon de rappeler qu’entre 1998 et 2001, le prix du gaz naturel a augmenté de 41 %. Si le prix du combustible d’appoint double, l’économie financière réalisée grâce au système solaire double également ! C’est donc bien là que réside l’avantage économique majeur du chauffe-eau solaire: le prix du kWh produit est connu au départ et reste constant sur une période de 25 ans minimum.
Choisir le type d’installation [ECS par capteurs solaires]
Choix du type de capteurs
Le choix le plus courant pour la production d’eau chaude sanitaire est celui de capteurs plans vitrés.
Bien que moins performants que certains de leurs homologues « tubes sous vide », ils sont moins chers et présentent généralement une garantie plus longue (10 ans). Néanmoins, ils nécessitent parfois une superficie plus grande pour une même production et leur remplacement est moins évident (un tube peut être remplacé individuellement).D’autres facteurs peuvent aussi être déterminants :
Bien que moins performants que certains de leurs homologues « tubes sous vide », ils sont moins chers et présentent généralement une garantie plus longue (10 ans). Néanmoins, ils nécessitent parfois une superficie plus grande pour une même production et leur remplacement est moins évident (un tube peut être remplacé individuellement).D’autres facteurs peuvent aussi être déterminants :
- La surface disponible.
- L’orientation (les tubes sous vide à ailettes peuvent être orientés indépendamment de leur support).
- Les différents types de pose, poids et le lestage associé (l’intégration est possible pour les capteurs plans).
- Le coût, qui sera aussi déterminé par les paramètres précédents.
- Etc.
> Plus d’infos sur les différents types de capteurs.
Deux capteurs peuvent aussi être comparés via leur courbe de rendement.
| Pour comparer différents capteurs sur base de leur courbe de rendement. |
Sous pression ou à vidange ?
Si le choix d’un système indirect à boucle fermée est généralement évident sous nos latitudes, reste le choix entre les systèmes à vidange ou les systèmes sous pression non vidangeable.
Chacun présente des caractéristiques propres et les avantages qui y sont liés.
Système à vidange
- Pas de choc thermique ni surpression importants : Le système étant vidangé lorsqu’il entre en température de stagnation, l’ébullition du fluide caloporteur est évitée. Dans les systèmes traditionnels sans vidange, il n’est pas rare de voir des écarts de température allant de – 30 °C à plus de 160 °C.
- Suppression de certains composants (et du coût associé) : Le fluide n’étant pas sous pression, certains composants peuvent être supprimés : manomètre, vase d’expansion, purgeur, clapet anti-retour (vu que l’installation est vidangée, il n’y a pas de risque de circulation inverse par thermosiphon).
- Possibilité d’utiliser de l’eau comme fluide caloporteur : Puisque le système se vidange en cas de gel, il est théoriquement possible d’utiliser de l’eau comme fluide caloporteur. Cependant, bien que la capacité calorifique de l’eau soit meilleure, il n’est pas rare de rencontrer des systèmes à vidange fonctionnant avec un mélange d’eau/glycol pour des raisons de sécurité (au gel) mais aussi parce que le glycol possède des propriétés anticorrosives.
Système sous pression non vidangeable
- Le soin à apporter à la pente des tuyauteries est moins grand : En effet, pour les systèmes à vidange une pente minimale continue de l’ordre de 4 % doit être respectée afin d’assurer un écoulement correct du fluide puisque celui-ci s’effectue par simple gravité (drain back).
- Utilisation de pompes de circulation moins puissantes et donc moins énergivores : Un système sous pression utilise des circulateurs de puissance moindre. En plus d’assurer la circulation du fluide, la pompe d’un système à vidange doit en effet pouvoir relancer le fluide dans le circuit primaire, c’est à dire vaincre la hauteur manométrique entre le réceptacle de vidange et les capteurs. Une puissance importante est donc nécessaire alors que moins de 50 % de cette puissance est nécessaire lors du fonctionnement de l’installation. Une solution que proposent aujourd’hui certains constructeurs est l’installation de deux circulateurs dont l’un est adapté à la relance (et ne fonctionne que durant celle-ci) et dont l’autre est adapté au régime de fonctionnement.
Choix du système d’apport de chaleur complémentaire
Le choix du mode de préparation d’ECS principal doit se faire de manière traditionnelle. Celui-ci doit en effet assurer la production d’eau chaude en toutes circonstances, même en période de non ensoleillement prolongée.
Dans une installation solaire, le système d’apport de chaleur complémentaire se situe en aval de l’échangeur solaire de manière à conserver la stratification interne des températures dans le ballon (les températures les plus hautes, les plus proches du point de puisage) mais aussi de manière à garantir une température de retour du fluide solaire la plus basse possible (afin de garantir un fonctionnement optimal des capteurs).
Dans tous les cas, le stockage de l’eau solaire oblige à une certaine centralisation de l’installation. Néanmoins, le choix d’un système de production principal décentralisé reste possible. Par exemple, l’eau préchauffée par les capteurs pourrait être acheminée vers les points de puisage où elle sera seulement amenée à la température souhaitée. Ce cas de figure permet de limiter considérablement les pertes de distribution et l’influence de l’appoint sur la température du fluide solaire.
En ce qui concerne le vecteur énergétique, il n’y en a pas de réellement privilégié en termes de fonctionnement solaire (abstraction faite des considérations environnementales liées). Par contre, la compatibilité et la régulation de l’appoint au système solaire sont à étudier précisément (d’autant plus si l’on souhaite intégrer celui-ci à un système existant). Il serait en effet dommage que le système d’appoint empiète sur ce que le système solaire peut produire… et pourtant c’est souvent le cas. Combiner une température de consigne d’appoint trop élevée (pour la légionellose) et une mise en température des ballons solaires trop régulière peut réduire l’efficacité solaire de 30 %!
> Plus d’infos sur l’apport de chaleur complémentaire
Dans tous les cas, limiter les pertes !
Une installation mal ou non isolée peut perdre jusqu’à 40 % de sa production à cause des pertes thermiques le long des conduites et au niveau du stockage.
En premier lieu, on veillera donc à limiter la longueur des tuyauteries et à positionner judicieusement le stockage par rapport aux capteurs (et aux points de puisage).
Une isolation d’épaisseur au moins égale au diamètre des tuyauteries est indispensable d’autant plus que les températures du fluide de la boucle solaire peuvent être les plus hautes de l’installation sanitaire. Pour se donner une idée des pertes : un mètre de tuyau en acier, de 1 pouce de diamètre, non isolé, dans lequel circule de l’eau chaude à 70°C et qui parcourt une ambiance à 20°C a une perte équivalente à la consommation d’une ampoule de 60 W…
| Pour estimer la rentabilité de l’isolation de la tuyauterie, cliquez ici ! |
Au niveau du ballon de stockage: favoriser la stratification des températures et sa parfaite isolation (attention aux raccords) favoriseront la productivité du système. 10 à 15 cm d’isolation ne seront pas superflus !
| Pour estimer la rentabilité de l’isolation du ballon, cliquez ici ! |
Exploiter la configuration du bâtiment [ECS par capteurs solaires]
![Exploiter la configuration du bâtiment [ECS par capteurs solaires]](https://energieplus-lesite.be/wp-content/uploads/2019/03/cite-de-lespoir03_sm.jpg "Exploiter la configuration du bâtiment [ECS par capteurs solaires]")
Une orientation et une inclinaison optimales ?
Les capteurs seront idéalement orientés sud avec une inclinaison entre 30 et 55° par rapport à l’horizontale. La hauteur du soleil variant au fil des jours et des saisons, l’inclinaison idéale dépendra du cas de figure envisagé :
- 35° est l’inclinaison qui permet de maximiser les gains solaires annuels. Elle est idéale pour les faibles fractions solaires : couverture solaire de 30 % des besoins d’eau chaude par exemple).
- Pour une fraction solaire plus importante (ou une production pour le chauffage du bâtiment), il est judicieux d’orienter les panneaux plus verticalement (de 45 à 55°) afin de maximiser les gains solaires à la mi-saison.
- 30° est l’inclinaison idéale pour les installations ne fonctionnant qu’en période estivale (pour une piscine extérieure par exemple).
Bien entendu, on pourra aussi suivre l’inclinaison et l’orientation, induite par la configuration des lieux (par exemple la pente d’une toiture inclinée du moment que l’on reste entre le sud et l’est /ouest). On ajustera alors les surfaces de capteurs en conséquence.
> Plus d’infos sur l’énergie solaire et l’ensoleillement
Outre l’aspect énergétique, l’inclinaison des capteurs influence aussi :
- leur prise au vent (plus les panneaux sont verticaux, plus le lestage pour les maintenir en place doit être important) ;
- l’auto-nettoyage de leur superficie externe (vitre) par la pluie (20° d’inclinaison minimum sont requis).
Un ombrage limité
L’ombre est évidemment le pire ennemi des technologies solaires. Bien que moins problématique que pour leurs homologues photovoltaïques, on en limitera l’impact en positionnant les capteurs en dehors des zones d’ombres générées par :
- l’environnement du bâtiment (immeubles voisins plus hauts que les capteurs solaires…) ;
- le bâtiment lui-même (cabanon technique, antennes, cheminées…) ;
- les capteurs entre eux.
Pour ce dernier type d’ombrage, on compte généralement qu’il faut 3 m² de toiture pour un m² de capteur.
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Dimensionnement de l’entraxe entre deux capteurs
L’entre-axe entre deux rangées de capteurs est défini par la formule suivante : Entre axe = d + b = h (cos β+ sin β/ tg α) où,
En considérant des capteurs de 1,2 m de large, l’entre-axe des rangées de capteurs est de: 1,2 x (cos 35° + sin 35°/tg16°) = 3,38 m. |
Il faudra aussi porter une attention particulière à l’encrassement des capteurs et des réflecteurs pour les tubes sous vide qui en sont munis (type CPC).
En toiture, au sol ou en façade?
Que ce soit en toiture plate ou inclinée, on veillera à ce que la toiture :
- résiste à la surcharge des capteurs et de leur lestage (un panneau pèse environ 25 kg/m²) ;
- soit en suffisamment bon état pour ne pas être remplacée trop rapidement (les capteurs ont une durée de vie moyenne de 25 ans).
Placement en toiture inclinée
Si l’orientation est favorable, le placement en toiture inclinée est souvent idéal :
- placement en hauteur qui permet de limiter l’effet d’ombre de l’environnement ;
- inclinaison déjà présente qui permet de se passer du système de support ;
- intégration constructive esthétique ;
- pertes thermiques à l’arrière du panneau limitées (dans le cas de capteurs intégrés dans la toiture).
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Capteurs intégrés. |
Capteurs en « surimposition ». |
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Placement en toiture plate
Dans ce cas, les capteurs sont placés sur des supports métalliques, ce qui permet d’optimiser leur inclinaison et leur orientation.
L’ombrage généré par les panneaux entre eux déterminera l’espacement nécessaire entre deux rangées de capteurs.
La résistance de la toiture doit être particulièrement étudiée, car le lestage nécessaire à la stabilité des capteurs augmente considérablement la surcharge (80 à 100 kg par m² de capteur). De plus, lorsque les couches superficielles de la toiture ne présentent pas une résistance suffisante, il faudra parfois ancrer le support directement sur la structure de la toiture (chevrons,…). Des distances de sécurité par rapport au bord de la toiture sont aussi imposées.
Placement au sol
Lorsque la toiture présente une inclinaison trop importante, une mauvaise orientation ou encore une surface trop réduite, on pourra opter pour une installation au sol.
Dans ce cas, on veillera à :
- Minimiser la distance entre les capteurs et le stockage afin de réduire au maximum les pertes thermiques par les tuyauteries.
- Placer les capteurs dans un endroit protégé pour éviter tout risque de vandalisme (attention à l’ombrage !)
Contrairement aux capteurs placés dans le plan de la toiture et ne présentant aucun débordement, le placement de capteurs au sol doit faire l’objet d’un permis d’urbanisme.
Façade
La pose des capteurs sur façade est aussi possible (l’intégration comme bardage l’est aussi) mais présente souvent des désavantages :
- Ombrage généré par le bâtiment ;
- Exposition réduite (30% de moins par rapport à l’optimum (sud à 35°)) ;
- Orientation et inclinaison peu favorables (l’effet peut être limité si on utilise un support ou des tubes sous vide réorientés) ;
- Surfaces souvent limitées ; etc.
| Plus d’infos sur la réglementation urbanistique relative au placement des panneaux solaires. |
Une zone réservée au stockage
Le stockage est un élément clé dans la conception de tout projet solaire thermique. L’espace associé est parfois considérable et doit être pris en compte dès le départ de l’étude du projet.
L’espace prévu doit pouvoir accueillir le ballon (ainsi que son enveloppe isolante) en termes de : volume, surface au sol, hauteur sous plafond. Les accès devront aussi permettre l’amenée du ballon. Bien que cette réflexion paraisse évidente, c’est un problème très fréquent en pratique !
Identifier ses besoins en ECS
La décision d’installer un chauffe-eau solaire part toujours de l’identification des besoins, en particulier la consommation d’eau chaude de l’établissement.
Avant toute chose, il faut donc se poser la question de l’usage que l’on a de l’eau chaude sanitaire :
A-t-on réellement besoin d’ECS ? Quand en a-t-on besoin? Quel est le profil de ces besoins ? En a-t-on usage pendant les périodes les plus ensoleillées de l’année ?
A-t-on réalisé les mesures URE permettant de réduire les besoins énergétiques ? Ces mesures simples et efficaces (comme par exemple le placement de réducteurs de pression) restent les plus rentables!
Disponibilité de l’énergie solaire et besoins d’eau chaude sanitaire
Si les besoins en ECS sont constants au fil de l’année, l’installation sera généralement dimensionnée par rapport aux apports solaires estivaux. Ce cas de figure permet de garantir un taux d’utilisation et une production énergétique surfacique (kWh/m²) élevée. |
On comprendra vite qu’une installation solaire est bien plus efficace pour un bâtiment ayant des consommations importantes et plus ou moins constantes au fil des jours et des saisons qu’un vestiaire d’un club sportif ne fonctionnant que 2 jours par semaine de septembre à mai !
Ainsi, certains usages sont particulièrement adéquats : les maisons de repos et de soin, les hôpitaux, les piscines, les logements individuels et collectifs, …
Pour établir son profil de puisage, si la consommation d’eau chaude ne fait pas l’objet d’un suivi régulier par l’organisme chargé de la maintenance du bâtiment, on se basera sur des profils type par secteurs ou, mieux, on effectuera une campagne de mesures. Dans tous les cas, le placement d’un simple compteur d’eau chaude est recommandé et sera très utile pour le dimensionnement correct de l’installation solaire !
| Estimer ses besoins en eau chaude sanitaire. |
N.B. Outre son influence sur l’efficacité de l’installation solaire, le profil de puisage conditionne complètement la conception du mode de préparation : volume de stockage (accumulation), système d’appoint par production centralisée ou décentralisée,…
Connaître les étapes du projet [ECS par capteurs solaires]
![Connaître les étapes du projet [ECS par capteurs solaires]](https://energieplus-lesite.be/wp-content/uploads/2010/09/panneau-solaire-thermique-800x533.jpg "Connaître les étapes du projet [ECS par capteurs solaires]")
Se poser les bonnes questions !
En tant que concepteur, voici les principales questions à se poser :
| Quel est le besoin d’eau chaude sanitaire ? | ||
| Comment s’intégrerait l’installation dans la configuration du bâtiment ? | ||
| Quelles sont les surfaces qui pourraient être valorisées par la pose de capteurs solaires ? | ||
| Ces surfaces sont-elles capables d’accueillir des capteurs solaires thermiques en termes de : | ||
| > Superficie disponible | ||
| > Orientation (dans le cas d’une toiture inclinée) | ||
| > Inclinaison (dans le cas d’une toiture inclinée) | ||
| > Portance suffisante: la toiture peut-elle accueillir le surpoids induit par les capteurs ? En général, les toitures en structure béton supportent la surcharge, ce qui n’est pas toujours le cas des structures bois : à vérifier donc ! | ||
| > Ombrage | ||
| > État : il serait dommage de devoir remplacer le support dans les quelques années qui suivent l’installation afin d’éviter des montages-démontages coûteux et parfois risqués pour les capteurs. | ||
| L’espace disponible pour les ballons de stockage est-il suffisant ? | ||
| > Place disponible : le volume nécessaire au stockage est souvent important. Il faut donc s’assurer au préalable des dimensions nécessaires ! | ||
| > Les dimensions des accès : si j’ai la place nécessaire, il faut impérativement vérifier qu’il est possible d’y amener les ballons de la dimension prévue ! | ||
| Quel type d’installation choisir ? | ||
| Quel prédimensionnement pour la fraction énergétique souhaitée couverte par le solaire thermique (fraction solaire) ? Ce dimensionnement est-il compatible avec mon cas de figure ? | ||
| Le projet est-il viable économiquement ? Quels sont les coûts et subsides ? | ||
| Quelle est la durée de vie estimée d’une telle installation ? Quelle maintenance est nécessaire ? | ||
| Comment s’assurer de la qualité de réalisation du projet ? Contrat de garantie de résultats solaires et cahier des charges « qualité » sont là pour aider le concepteur! | ||
Les étapes de la réalisation d’un projet solaire thermique ont été balisées par le programme « Soltherm » de la Région Wallonne :
- un logiciel de préfaisabilité (Quick Scan XLS) a été mis au point et remis à jour par l’IBGE. Il est accompagné de son mode d’emploi PDF;
- un audit solaire PDF peut être réalisé;
- un cahier des charges XLS d’une installation solaire de qualité a été rédigé;
- une Garantie de Résultats Solaires (GRS) peut être exigée;
- des subsides nombreux sont disponibles.
- un guide de la maintenance PDF pour responsable énergie est aussi disponible (réalisé par 3E et l’Apere pour l’IBGE).
| Demander un audit solaire à une société spécialisée ?
L’audit solaire fait l’inventaire des caractéristiques techniques de l’établissement et détermine les dimensions du système solaire correspondant à l’optimum économique. Il détermine comment les composants du chauffe-eau solaire s’intègrent dans l’installation existante de manière à assurer le fonctionnement optimal de l’ensemble du système. Le résultat de l’audit solaire est consigné dans un rapport qui donne au maître d’ouvrage les critères énergétiques, économiques et environnementaux nécessaires à la prise de décision. > Plus d’infos sur l’audit solaire PDF (document réalisé par 3E pour le compte de l’IBGE). |
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Études de cas |
Parcourir l’audit solaire établi pour :
– le home La Charmille à Gembloux ! – la piscine d’Herstal ! – la piscine de l’Hélios à Charleroi ! |
Choisir le mode de préparation de l’eau chaude sanitaire
Installation centralisée ou décentralisée ?
La centralisation possède des avantages certains, …
En effet, regrouper la préparation d’eau chaude dans une seule chaufferie permet :
- Un coût d’installation inférieur à la somme des coûts des installations individuelles qu’elle remplace.
- Un encombrement plus faible (voire une nuisance acoustique plus faible dans certains cas).
- Une meilleure fiabilité et durée de vie.
- Un coût de maintenance plus faible (un seul appareil de production, un seul conduit d’évacuation des gaz brûlés).
- Un rendement de production souvent supérieur à ceux des appareils décentralisés, dans le cas des installations à combustible.
- Une possibilité de valoriser l’effet de foisonnement des demandes (simultanéité des besoins), d’où des puissances et des volumes de stockage moindres.
Mais des désavantages également …
- Un rendement de distribution médiocre, avec parfois l’obligation d’installer une boucle de recyclage, ou un traçage des conduites. Le rendement est fonction de l’isolation de la conduite, mais il dépasse rarement 70 % dans ce cas.
- Une difficulté de répartir la consommation en fonction des usagers (placement de compteurs et relevé possible mais plus lourd à gérer), et donc tendance à un « laisser-aller » dans les consommations puisqu’on ne les paye qu’indirectement…
- Un manque de souplesse dans l’adaptation aux besoins des différents utilisateurs.
Qui sont donc des avantages pour la décentralisation !
L’installation peut être décentralisée auprès de chaque unité fonctionnelle du bâtiment :
Exemple.
La salle de sports d’une école peut avoir son ballon accumulateur, tandis que la conciergerie et le réfectoire peuvent être équipés chacun de préparateurs à eau chaude gaz indépendants.
L’installation peut même être décentralisée au niveau d’un point de puisage :
Exemple.
L’évier tout au bout du couloir, où le personnel d’entretien puise 1 ou 2 seau par jour, sera utilement équipé d’un petit préparateur à accumulation électrique.
Et énergétiquement parlant ?
La centralisation a pour désavantage d’éloigner les points de puisage du point de production de l’eau chaude, et donc de créer des pertes par tuyauteries, soit parce l’eau chaude met beaucoup de temps à parvenir, soit parce qu’un réseau de distribution doit être créé ce qui génère également des pertes.
1ère synthèse
| Pour chiffrer la perte liée à l’eau chaude « bloquée » dans un tuyau lors de la fermeture du robinet, cliquez ici (page générale) ! | |
| Pour calculer la perte énergétique annuelle d’une tuyauterie, cliquez ici (page générale) ! |
Le tableau ci-dessous, extrait d’une publication EDF, peut aider le choix :
| Besoins | Distance entre production et points de puisage | Foisonnement (simultanéité des besoins) |
Solution |
| Importants | faible | bon | centralisé |
| mauvais (1) | centralisé | ||
| grande | bon | centralisé | |
| mauvais (1) | décentralisé | ||
| Faibles | faible | – | semi-centralisé (2) |
| grande | – | décentralisé |
(1) Le foisonnement est mauvais quand les appels maximaux sont, par nature, à peu près simultanés : hôtellerie, restauration, douches d’entreprises, …
(2) Un système semi-centralisé est caractérisé par le regroupement géographique de plusieurs postes : une production commune à plusieurs points de puisage rapprochés. C’est un compromis qui vise à la fois à limiter le nombre d’équipements de production d’ECS et à réduire la longueur du réseau.
Un exemple de comparaison des consommations
Une étude réalisée dans le cadre du programme Ravel (Suisse) compare 3 façons de préparer de l’eau chaude sanitaire pour 32 appartements répartis en 3 bâtiments :
- un boiler électrique dans chaque appartement,
- une préparation centralisée par bâtiment,
- une préparation centralisée pour l’ensemble des 3 bâtiments.
Sur le plan énergétique, malgré la multiplicité des ballons (et donc des surfaces de déperditions), c’est la 1ère solution qui est la plus favorable (rendement total annuel de 79 %), et c’est la production centralisée et combinée au chauffage des bâtiments qui est la plus génératrice de pertes (55 %).
Mais sur le plan de l’énergie primaire consommée (en centrale), cette conclusion s’inverse suite au fait de l’énergie électrique. Cela veut dire aussi que la première solution restera la plus chère à l’exploitation. Rien n’est simple…!
Production indépendante ou combinée ?
Faut-il une préparation d’eau chaude indépendante ou combinée avec la chaudière qui assure le chauffage du bâtiment ?
Installation combinée
Une installation à double usage permet d’alléger le prix d’investissement, le poste « production de chaleur » étant commun au chauffage des locaux et à la production d’eau chaude sanitaire. Il est seulement parfois nécessaire d’augmenter légèrement la puissance installée pour le chauffage des locaux, si la puissance de l’eau chaude dépasse 25 % de la puissance du chauffage du bâtiment.
Circuit équipé d’une chaudière à condensation et d’une chaudière classique en appoint.
Mais il y a quelques inconvénients :
- Le principal est que le système de production de chaleur doit rester en service en mi-saison et en été. À ce moment, le rendement est alors dégradé suite aux pertes à l’arrêt des chaudières, aux pertes du collecteur et au plus mauvais rendement de combustion des brûleurs qui fonctionnent souvent en cycles courts. Des rendements de production de l’eau chaude inférieurs à 50 % sont fréquents.
- Par ailleurs, durant la saison de chauffe, la performance de la chaudière « basse température » sera dégradée par la nécessité de remonter périodiquement la température de sortie de l’eau chaude. S’il s’agit d’une chaudière à condensation, elle requiert de l’eau de retour à basse température. Or, si la production d’eau chaude sanitaire à 60°C lui est aussi demandée, elle devra, au moins à certains moments, travailler à plus haute température… et donc perdre un peu d’efficacité liée à la condensation (en fonction du type de chaudière et du régime de dimensionnement de l’échangeur).
Une solution peut consister à fractionner la puissance de chauffe et à installer une petite chaudière dont la puissance convient pour le chauffage de l’eau chaude sanitaire en été. Durant la saison de chauffe, cette chaudière peut-être connectée en parallèle sur le réseau de chauffage et dédicacée à la production d’eau chaude sanitaire en été. Elle peut ainsi être également utile pour les relances de chauffage de début de journée en mi-saison, évitant la mise en température de la chaudière principale.
| Exemple théorique.
Comparons les pertes d’une installation combinée et d’une chaudière propre à la production d’eau chaude sanitaire. Hypothèse : il s’agit d’une installation équipant un home pour personnes âgées. La consommation globale en eau chaude du bâtiment est estimée à 1000 m³ d’eau à 60°C par an. Le besoin énergétique pour chauffer cet eau est de : 1,16 [kWh/m³.°C] x 1000 [m³/an] x (60 [°C] – 10 [°C]) = 58 000 [kWh/an] dont 38 400 [kWh/an] durant la saison de chauffe et 19 600 [kWh/an] en été. Installation combinée : une chaudière de 650 kW moderne ayant un coefficient de perte à l’arrêt (à 70°C) de 0,3 % de la puissance chaudière. Cette chaudière reste en permanence à une température de 70°C, été comme hiver, pour produire l’eau chaude sanitaire. Elle alimente en permanence un collecteur de distribution de 20 m (DN 100). En été, son rendement de combustion baisse de 2 % suite à un fonctionnement par de nombreux cycles courts (la puissance de l’échangeur sanitaire étant nettement inférieure à la puissance de la chaudière). Il passe de 92% à 90%. Installation séparée : une chaudière de 500 kW pour le chauffage et une chaudière de 150 kW pour la production d’eau chaude sanitaire. A 70°C, ces deux chaudières ont le même coefficient de perte à l’arrêt que la chaudière de 650 kW. La chaudière de chauffage est régulée en température glissante (température moyenne de 43°C) et arrêtée en été. Ses pertes à l’arrêt sont ainsi réduites à 0,1 %. La chaudière de 150 kW est, elle maintenue à 70°C toute l’année.
L’installation d’une chaudière combinée entraînerait donc une surconsommation d’environ 1 200 m³ de gaz par an ou une dépense complémentaire d’environ 275 € par an. (*) Justification des heures prises en compte : |
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| Pour plus d’informations sur le choix des systèmes de chauffage, cliquez ici ! |
Installation indépendante
Une préparation spécifique d’eau chaude permet de séparer les deux fonctions (chauffage des locaux et chauffage de l’eau) lorsque les profils de demande sont trop différents. On requiert par exemple à un ballon accumulateur électrique, à un accumulateur au gaz, à un préparateur instantané gaz, …
Cela permet de concevoir et de dimensionner au mieux chaque installation, sans réaliser de compromis … où l’énergie se trouve souvent mal valorisée.
Avec l’arrivée des critères anti-légionelles, la demande de haute température pour la production de l’eau chaude sanitaire apparaît contraire à l’évolution basse température que vit le monde du chauffage.
Cette séparation permet également l’usage de 2 énergies différentes (gaz et électricité, par exemple).
Ballon mixte ?
On pourrait aussi prévoir un système mixte avec un serpentin d’eau chaude pour l’hiver et une résistance électrique pour l’été.
- Thermomètre.
- Tube plongeur pour sonde de thermostat.
- Anode en magnésium.
- Tube de retour de circulation.
- Cuve (acier galvanisé, cuivre ou acier).
- Thermovitrification / émail / plastique.
- Capot de recouvrement.
- Thermostat de réglage et de sécurité.
- Corps de chauffe électrique.
- Prise d’eau froide.
- Brise-jet.
- Tube plongeur pour sonde de thermostat.
- Pieds réglables.
- Calorifuge (laine minérale, polyuréthane sans CFC).
- Retour chauffage.
- Serpentin.
- Aller chauffage.
- Prise d’eau chaude.
Reprenons le bilan de l’exemple précédent :
Exemple théorique (suite) :
(On ne considère pas les pertes des ballons qui resteront constantes quel que soit le système). |
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Le bilan est donc plutôt en défaveur de la solution mixte, du fait du coût de l’électricité. Le bilan est également défavorable à la solution mixte si on l’établit en tenant compte de la consommation en énergie primaire puisque le rendement actuel de production de l’électricté est d’environ 38 %.
Chaque cas est cependant un cas particulier.
Le bilan doit donc être fait au cas par cas en fonction de la demande. Il sera notamment fonction du fait que le ballon mixte puisse couvrir l’ensemble des besoins de la journée ou non (le coût du kWh électrique de jour est double de celui de nuit).
En rénovation, tout dépend également des performances de la production combinée existante. Par exemple, l’association CEDICOL a réalisé une mesure sur site (source : magazine « L’entreprise », mars 90) dont il ressort un rendement saisonnier annuel de production d’eau chaude de 71 % et un rendement d’été de 49 % :
| La production de cette installation domestique est, en été, de 186 litres d’eau chaude par jour.
L’installation comprend une chaudière au fuel de 27 kW alimentant un ballon de stockage de 160 litres. La chaudière est régulée en température glissante avec une priorité sanitaire. Cela signifie qu’entre deux demandes du ballon, la chaudière redescend en température. Durant l’été 88, la chaudière a consommé 189 litres de fuel (soit 1 880 kWh) pour produire 24 180 litres d’eau chaude (soit 939 kWh). Le rendement de production en été est donc de 939 / 1 880 kWh = 49 %. Pour l’ensemble de l’année, le système produit 42 150 litres d’eau chaude avec un rendement saisonnier de 71 %. Séparer la production d’eau chaude en été, et produire cette dernière au moyen de l’électricité permettrait de gagner : 1 880 [kWh] x (1 – 49 % / 93 %) = 890 [kWh] Le gain financier est de :
On se trouve dans la situation la plus favorable de production combinée, avec une chaudière fonctionnant en température glissante. Dans le cas dune ancienne chaudière restant à température constante tout l’été (de 70°C, par exemple), il n’est pas rare d’avoir des rendements de production inférieurs à 20 % en été ! Dans ce cas, le bilan serait alors le suivant :
|
En tout cas, si l’on prévoit de conserver le mode de production combinée l’été et que la demande peut être couverte facilement par une ou deux relances de la chaudière sur la journée, il sera utile de greffer une horloge sur la régulation pour imposer les plages horaires durant lesquelles le réchauffage du ballon est autorisé. Par exemple : de 5 à 7 heures du matin et de 16 à 18 heures en fin de journée. Ainsi, on évitera de remettre la chaudière en route suite au puisage d’un seau d’eau !
Attention aux installations avec boucle de distribution
La solution du ballon mixte est à éviter s’il existe une boucle de circulation mal isolée générant des pertes permanentes élevées : les retours « froids » de la boucle de circulation perturbent la stratification des températures dans le ballon et la température de fourniture de l’eau diminue.
Les solutions ne sont guère performantes : soit le thermostat s’enclenche pour réchauffer le ballon, soit un réchauffage de boucle maintient la température à son niveau. Mais ceci génère un chauffage électrique de jour assez coûteux.
Les capteurs solaires sont aussi une solution pour l’été
Les capteurs solaires apportent également une solution « mixte », prenant le relais en période ensoleillée. Mais il faudra s’assurer que le système de chauffage dispose d’un mode « veille » très économe lorsque le soleil est actif.
Production instantanée ou à accumulation ?
Les besoins d’eau chaude varient dans le temps. Et le préparateur doit s’y adapter en permanence !
Imaginons deux situations extrêmes :
- Les vestiaires du club de foot de Frouchy-les-Bains-de-Pieds : 6 douches pouvant débiter 12 litres/min chacune, utilisées 3 fois par semaine après les matchs.Le chauffage instantané de l’eau demanderait une puissance de 175 kW !
À titre de comparaison, le chauffage d’une habitation domestique demande 20 kW par – 10°C extérieur…Solution : la petite chaudière du local produira et accumulera de l’eau chaude durant les 6 à 8 heures qui précèdent les matchs… et le réservoir sera vidé dans l’heure qui suivra le coup de sifflet de l’arbitre. - L’hôpital de 1 200 lits, avec restauration et buanderie incorporée : il y a toujours un robinet d’eau chaude ouvert quelque part !Les besoins sont permanents et le système de préparation doit y répondre en temps réel, avec une modulation de la puissance en fonction des moments de la journée. Stocker les besoins journaliers d’eau chaude est inimaginable…Solution : un échangeur (à plaques ou tubulaires) rapide, raccordé à la chaudière, produisant instantanément l’eau chaude en fonction du besoin.
En réalité, la solution idéale est toujours en équilibre entre ces deux extrêmes :
- Dans les vestiaires, la chaudière peut déjà recharger le ballon pendant le puisage des douches, pour les cas où deux matchs se suivraient la même après-midi. On parle de semi-accumulation.
- Dans l’hôpital, un réservoir d’appoint permet de mieux fournir l’important débit de pointe demandé au matin. On parle de semi-instantané.
En fait, « semi-accumulation », « semi-instantané », c’est la même chose : un juste équilibre à trouver dans le dimensionnement du préparateur entre ces 2 modes de production. Et une même méthode de dimensionnement.
La préparation instantanée « pure »
On distingue essentiellement le préparateur instantané gaz et l’échangeur instantané à plaques.
Les avantages d’une préparation instantanée sont liés à l’absence de stockage :
- Le faible encombrement
C’est un argument-clef si la place disponible est particulièrement réduite.
- La faible charge au sol
C’est un argument si la chaudière est prévue sous toiture.
- L’absence de pertes par stockage
Cet argument tend à devenir négligeable, vu l’isolation poussée des ballons récents.
- La bonne performance hygiénique
L’eau chaude ne stagnant pas dans le préparateur, les risques de propagation de la légionelle sont réduits.
- Le faible coût d’investissement
Cette technique est relativement peu onéreuse à installer.
Mais les inconvénients du préparateur instantané sont aussi nombreux :
- la fluctuation de la température de l’eau au niveau de l’utilisateur
Malgré une régulation fine (PID) (à prévoir absolument), on reste limité par le temps de réponse des éléments mécaniques de l’installation qui rend les fluctuations inévitables. Il est déconseillé d’utiliser ce type de système dans un bâtiment ayant un profil de puisage discontinu.
- Le rendement de production dégradé de la chaudière
Avec une chaudière combinée chauffage-ECS, il est indispensable de maintenir la chaudière en permanence à température élevée (min 70°C) pour garantir un temps de réponse minimum lorsqu’une demande apparaît. Ceci interdit une régulation en température glissante des chaudières et n’est donc pas optimum énergétiquement, principalement avec les anciennes chaudières ou même avec des chaudières gaz atmosphériques récentes dont les pertes à l’arrêt sont importantes. - Le fonctionnement du brûleur en cycles courts
Étant donné l’absence de réservoir tampon, chaque puisage va entraîner la mise en route de l’installation pour des temps très courts. Les temps de fonctionnement du brûleur seront donc brefs, ce qui est défavorable pour le rendement de combustion et la pollution atmosphérique. - La puissance élevée du générateur
La production instantanée demande généralement une puissance de générateur très importante. Dans le cas d’une production d’ECS combinée au chauffage, il peut être nécessaire de surdimensionner la chaudière uniquement pour l’ECS. - La puissance des circulateurs
La perte de charge des échangeurs instantanés demande des pompes plus puissantes dont la consommation électrique n’est pas à négliger.
- La fragilité de certains équipements
Les préparateurs instantanés au gaz sont fortement soumis à l’entartrage et sont sujets à percer parfois rapidement. Cet effet est renforcé dans les chaudières murales où la compacité entraîne également l’utilisation d’un matériel plus léger que les chaudières au sol, ce qui limite la durée de vie.
La préparation en accumulation « pure »
Le ballon de stockage est un tampon permettant de dissocier le rythme de la production des variations brusques de la demande. Il lisse les pointes et réduit le coût de la puissance. Il permet parfois d’utiliser de l’énergie moins chère la nuit (accumulateur électrique).
Généralement, le principe de l’accumulation offre la possibilité de changer plus facilement le vecteur énergétique (gaz, fuel, bois, …) de l’unité de production de chaleur, et même d’intégrer une production solaire ou par pompe à chaleur.
Mais par contre, il nécessite un investissement supplémentaire, en euros (son propre coût) et en m² (son encombrement). Il génère également une perte d’énergie par les parois.
Ce mode de production sera logiquement d’application :
- Si la source d’énergie est électrique
Il est alors presque inimaginable de recourir à un système instantané, vu l’importance de la puissance nécessaire (un préparateur 12 litres/minute requiert une puissance de 24 kW, soit une ligne de 100 A environ !). Un système par stockage s’impose pratiquement. Cela permet d’ailleurs de valoriser le courant de nuit, moins onéreux. - Si les consommations présentent des pointes très importantes
En effet, une masse d’eau chaude est immédiatement disponible, sans devoir développer une puissance considérable.
La préparation semi-instantanée ou en semi-accumulation
La production d’ECS en semi-accumulation ou en semi-instantanée (échangeur + ballon de stockage) est la plus appropriée au mode de consommation d’ECS dans la plupart des applications tertiaires.
Elle combine les avantages des deux systèmes :
- Le confort
Grâce au ballon d’eau chaude, les temps de réponse sont courts et les fluctuations de température réduites. - L’encombrement
L’encombrement est plus réduit qu’en accumulation pure. - La puissance
La puissance de production à installer est plus réduite qu’en instantané pur. - Le rendement de production
Avec une chaudière combinée chauffage-ECS, le fonctionnement en température glissante ne pose pas de problème, la chaudière pouvant fonctionner en basse température pour le chauffage des locaux et rehausser sa température de consigne lorsqu’il y a demande du ballon d’ECS.
Le schéma ci-dessous paraît être le bon compromis assurant la production à la demande, et donc en limitant les pertes de stockage, tout en ayant un ballon stabilisateur de température au démarrage d’une demande de pointe.
| Pour plus d’informations sur le choix des ballons de stockage, cliquez ici ! | |
| Pour plus d’informations sur le choix des préparateurs instantanés au gaz, cliquez ici ! | |
| Pour plus d’informations sur le choix des échangeurs à plaques, cliquez ici ! |
Pour info, les ingénieurs Français distinguent :
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Production combinée et chaudière à condensation
Si le chauffage de l’eau sanitaire est assuré par une chaudière à condensation, il y a lieu d’adapter le réseau hydraulique pour valoriser sa performance. En pratique, il faut assurer le retour le plus froid vers la chaudière.
Or nous sommes en présence d’un paradoxe
- L’eau sanitaire est très froide (10°C) à son arrivée. Elle devrait dès lors permettre de valoriser l’efficacité énergétique d’une chaudière à condensation.
- L’eau chaude sanitaire doit être portée à haute température (généralement 60°C pour gérer le problème de la légionellose). Le circuit de chauffage monte donc environ à 75°C, et génère des retours à 65°C en fin de période de chauffage du ballon ! Par rapport aux circuits « basse température » dont nous sommes aujourd’hui coutumiers en chauffage, c’est donc un régime « haute température »… et cela supprime toute possibilité de condensation.
Deux solutions apparaissent :
> 1° – Il existe deux raccordements de retour à la chaudière à condensation. Le retour de l’eau chaude sanitaire peut être raccordé à l’entrée « haute température ». On a abandonné alors tout espoir de condenser avec le réseau d’eau chaude sanitaire. C’est adéquat lorsque les besoins d’eau chaude sont fort importants, voire permanents (hôpital, abattoir, …).
> 2° – On décide au contraire de valoriser au maximum la condensation. Sachant que la température de retour doit être inférieure à 53°C, on décide de travailler avec un circuit d’eau de chauffage du ballon à la plus basse température de retour possible. Lors du dimensionnement de la puissance de l’échangeur de production d’eau chaude, un retour à 40 .. 45°C est choisi, par exemple via un régime 70° – 40° ou 90° – 45° au lieu d’un traditionnel régime 90° – 60°.
Cette formule n’est quasiment possible qu’en présence d’un échangeur instantané. En effet, la température de retour de 40 .. 45°C ne pourra réellement être atteinte que lorsque la température de l’eau froide est de 10°C.
Lorsque l’échangeur instantané alimente une boucle de distribution et qu’aucun puisage n’est effectué, l’échangeur est alimenté par de l’eau à 55°C, ce qui rend impossible un retour d’eau de chauffage vers la chaudière à 40°C. En cas de puisage, il y a mélange entre l’eau froide de ville et l’eau chaude de la boucle. L’eau alimentant l’échangeur est donc à une température supérieure à 10°C. Cependant le débit de boucle étant en pratique réduit, la quantité d’eau froide appelée sera la plupart du temps suffisante pour que la température d’alimentation de l’échangeur soit assez basse pour permettre la condensation.
| Pour plus d’informations sur les circuits hydrauliques favorables à la condensation, cliquez ici ! |
Quelle régulation pour la production combinée ?
Il est recommandé d’avoir une régulation de la température de départ de chaudière basée sur le principe de la « priorité sanitaire » : la haute température ne soit être appliquée que lorsqu’il y a demande de production d’eau chaude sanitaire.
Imaginons un ballon réglé sur 60°C :
- En temps normal, la chaudière est gérée par une régulation à température glissante.
- Lorsqu’il y a demande d’eau chaude sanitaire (T°ballon = 57,5°C), la température de départ chaudière augmente et les vannes mélangeuses des différents circuits de chauffage peuvent se fermer quelque peu.
- Dès la satisfaction du ballon (T°ballon = 62,5°C), la température de chaudière revient à la valeur calculée par le régulateur en fonction de la température extérieure.
Cette régulation sous-entend l’absence d’un préparateur instantané (échangeur à plaques) qui lui doit pouvoir réagir au quart de tour, et qui demandera une température de chaudière toujours élevée.
Elle montre aussi toute l’importance d’un surdimensionnement du serpentin installé dans le ballon :
T°chaudière = T°ballon + X°
X sera d’autant plus petit que la puissance de l’échangeur sera grande.
L’intérêt d’une telle régulation est d’autant plus important que la chaudière alimente le ballon d’eau chaude aussi en été. Dans ce cas, la régulation permettra d’arrêter totalement la chaudière (température retombant à 20°C) sauf durant les périodes de chauffage de l’eau sanitaire. Ces périodes seront définies par une horloge qui limitera la charge du ballon de stockage à un nombre limité de périodes de la journée. Cela permet d’éviter que la chaudière ne démarre pour des faibles puisages, avec pour conséquence :
- un maintien quasi permanent de la chaudière à une température moyenne relativement élevée,
- un fonctionnement du brûleur par cycles courts, synonyme de mauvaise combustion et d’émissions polluantes.
Remarque.
À noter que certains constructeurs proposent une régulation tout à fait optimisée :
- Lorsque la température dans le ballon atteint 61 ou 62°C, la chaudière est déjà coupée. La circulation d’eau chaude est maintenue de telle sorte que le ballon monte à 62,5°C mais sans prolonger inutilement le maintien en température de la chaudière.
- Certains ballons sont régulés via 2 sondes plongeuses : si le puisage est faible, la première sonde est froide mais la deuxième reste chaude. L’installation ne réagit pas, elle se base sur la température moyenne entre les 2 sondes. Si le puisage est important, des remous vont déstratifier la température dans la cuve, la deuxième sonde sera rapidement touchée par le flux d’eau froide : une réaction immédiate de l’installation de chauffage est programmée. Cette astuce permet de ne pas faire réagir trop vite la chaudière et d’attendre qu’un volume d’eau important soit à réchauffer, ce qui augmente la durée de la période de condensation.
Choix du vecteur énergétique
Rien n’est simple…
Poser la question du choix du combustible pour chauffer l’eau chaude sanitaire, c’est aussi parfois comparer des équipements qui ont des performances différentes … en fonction du combustible choisi !
Par exemple, si les besoins se résument à 10 seaux d’eau par semaine pour le nettoyage des locaux de bureaux, et que le gaz naturel n’est pas disponible, le fuel est un choix technologiquement impossible.
Mais procédons par étape pour dégager les lignes de force :
L’énergie solaire
- couvre 40 à 50 % des besoins, sans générer ni CO2 ni autres polluants. Ceci n’étant vrai que lorsqu’ils sont utilisés pour un bâtiment donc les consommations sont simultanées et également fortes en été comme les piscines, les homes, hôpitaux, l’hôtellerie, les logements collectifs… Les écoles, fermées en juillet et aout sont, par exemple, peu compatible avec ce type de vecteur,
- c’est un « combustible gratuit » mais qui coûte essentiellement par l’investissement initial dans l’installation, son prix ramené au kWh fourni dépasse légèrement le prix du gaz naturel. Cette source d’énergie est difficilement rentable en moins de 20 ans,
- est mieux valorisé pour les bâtiments bas (rapport m² de toiture/consommation ECS plus favorable),
- est source d’énergie instable qui doit être complétée par un autre combustible d’appoint,
- est porteur d’image de marque car il témoigne que l’investisseur veut promouvoir un autre type de consommation,
- pari sur l’avenir puisqu’on peut penser que les prix énergétiques ne feront qu’augmenter.
- dans le cadre de la lutte contre les légionelles, le chauffage de l’eau sanitaire par l’énergie solaire présente des risques liés à l’inconstance de la température de chauffe. En considérant que la fourchette de température de 25 – 45°C est idéale pour le développement des bactéries, avec un système tel que le chauffage solaire, on risque de s’y retrouver régulièrement au cours de l’année; ce qui signifie que le chauffage solaire ne doit être utilisé que comme moyen de préchauffage.
- l’installation doit plutôt être orientée plein sud,
- le solaire thermique produit 40% d’énergie primaire en plus que le solaire photovoltaïque mais coute presque 3 fois plus cher au m²,
- c’est un système encombrant qui prend la place d’éventuels panneaux solaire photovoltaïques souvent bien plus rentables à tous points de vue,
Le gaz naturel
- sans conteste le combustible traditionnel qui présente le plus de qualités environnementales : absence de soufre, faible taux de CO2 par kWh produit, faible taux de NOx,
- facile à distribuer dans le bâtiment (un préparateur peut être facilement rapproché des consommateurs par circulation d’une conduite gaz),
- facile à réguler grâce à la souplesse de la flamme gaz, permettant de produire en instantané et avec une puissance modulée,
- mais aussi, requérant un conduit d’évacuation de fumées, au minimum de type ventouse,
- nécessitant une bonne sélection de l’équipement (limitant les pertes à l’arrêt et, si possible, valorisant l’énergie de condensation de la vapeur d’eau contenue dans les fumées),
- non disponible sur tout le territoire,
- d’un coût au kWh en moyenne plus élevé que celui du fuel, sauf en période de crise internationale.
Évolution des prix du fuel et du gaz depuis 1996. En moyenne, de 1996 à 2001, le gaz a été 8 % (tarif ND2) plus cher que le fuel (au tarif officiel). Si l’institution parvient à obtenir une ristourne de 5 % sur le prix officiel du fuel, cette différence serait de 13 %.
Le fuel
- Combustible engendrant des émissions polluantes plus importantes au niveau de l’utilisateur final (taux de CO2 et taux de NOx plus élevés (pour les chaudières de plus de 70 kW) que pour le gaz, présence de soufre). Le risque de pollution au cours de son transport reste important (marée noire),
- Le coût est l’argument de vente principal, même s’il peut subir de fortes fluctuations.
- La combustion requiert des puissances minimales élevées, ce qui force une production combinée entre chauffage et sanitaire, … et crée des mauvais rendements en été.
L’électricité
- Source d’énergie presque parfaite lors de son utilisation : propre, de rendement proche de 100 %, d’investissement faible dans l’équipement, avec comme seul défaut une puissance limitée qui oblige à prévoir des ballons accumulateurs d’eau chaude,
- Mais source d’énergie chère qui provoque de plus la controverse par sa production !
Développons :
La qualité écologique des rejets
L’efficacité énergétique de la production
Mais la haute température de l’eau chaude sanitaire handicape fortement cette application. Non, je n’ai pas dit qu’il faut d’abord filtrer la Meuse pour améliorer le goût du café, cela n’a rien à voir !… |
Conclusions
- Si une chaleur régulière peut être récupérée dans le bâtiment, elle doit être étudiée en priorité (machine frigorifique, buanderie, process, …).
- L’étude d’un préchauffage par énergie solaire doit être intégrée dans tout nouveau projet.
- Le gaz est alors le vecteur le plus adéquat pour produire l’appoint du chauffage de l’eau chaude sanitaire.
Critères de l’efficacité énergétique
Une évaluation difficile
Ce rendement est difficile à évaluer. Beaucoup de facteurs interviennent et les hypothèses d’exploitation modifient fortement le regard.
Pour s’en convaincre, il suffit de prendre un exemple simple d’un ballon de préparation électrique de 200 litres :
- performant… si le puisage est de 150 litres chaque jour,
- catastrophique … si le ballon alimente 3 lavabos deux étages plus haut, avec des utilisateurs qui, en pratique, n’attendent pas que l’eau soit chaude pour se rincer les mains !
Rendement de production des préparateurs d’eau chaude
Le Recknagel fournit quelques valeurs :
| Chauffe-eau électrique à accumulation | Chauffe-eau électrique instantané | Préparateur instantané gaz | Chaudière murale gaz | Chauffe-eau gaz à accumulation | Chaudière double service |
| 0,99 | 0,99 | 0,84 | 0,86 | 0,86 | 0,90 |
Rendement d’exploitation
Cette fois, c’est l’ensemble du système de production d’eau chaude qui est étudié. Les pertes par tuyauteries, les pertes de stockage du ballon, … interviennent dans le bilan.
Pour avoir une idée des performances des différents systèmes présents sur le marché, voici d’abord les chiffres de rendement saisonnier que propose le VITO dans le cadre d’un diagnostic d’une installation domestique (programme SAVE BELAS).
|
Rendement |
Rendement |
||||||
| épaisseur d’isolant du ballon éventuel | 2,5 cm | 5 cm | 10 cm |
2,5 cm |
5 cm |
10 cm |
|
| Ballon combiné à une chaudière (1 enveloppe commune) |
ancienne chaudière à T°constante | 0,46 | 0,52 | 0,56 | 0,46 | 0,52 | 0,56 |
| nouvelle chaudière à T°constante | 0,61 | 0,69 | 0,74 | 0,61 | 0,69 | 0,74 | |
| nouvelle chaudière à T°glissante | 0,69 | 0,78 | 0,83 | 0,69 | 0,78 | 0,83 | |
| Ballon combiné à une chaudière (2 enveloppes distinctes) |
ancienne chaudière à T°constante | 0,41 | 0,48 | 0,54 | 0,41 | 0,48 | 0,54 |
| nouvelle chaudière à T°constante | 0,54 | 0,64 | 0,72 | 0,54 | 0,64 | 0,72 | |
| nouvelle chaudière à T°glissante | 0,61 | 0,72 | 0,81 | 0,61 | 0,72 | 0,81 | |
| Instantané gaz (combiné ou non avec le chauffage) |
0,90 | 0,90 | 0,90 | 0,90 | 0,90 | 0,90 | |
| Accumulateur gaz | 0,69 | 0,78 | 0,83 | 0,69 | 0,78 | 0,83 | |
| Accumulateur électrique | 0,76 | 0,87 | 0,93 | 0,29 | 0,33 | 0,35 | |
Les hypothèses de calcul sont les suivantes :
- demande annuelle d’ECS : 43 litres/pers.jour à 40°C pour une famille de 4 personnes.
- volume de stockage éventuel de 150 litres
- rendement moyen de la production d’électricité en Belgique : 0,38
Voici également les valeurs proposées par le Recknagel :
|
Rendement |
Rendement |
||||||
| Ballon combiné à une chaudière |
à fuel | 0,45 | 0,45 | ||||
| à gaz | 0,45 | 0,45 | |||||
| Echangeur à plaques combiné à une chaudière | à fuel | 0,60 | 0,60 | ||||
| à gaz | 0,60 | 0,60 | |||||
| Ballon électrique | à accumulation de nuit | 0,70 | 0,27 | ||||
| instantané | 0,95 | 0,37 | |||||
| Chauffe-eau à accumulation | à fuel | 0,50 | 0,50 | ||||
Conclusion
Même si quelques imprécisions subsistent (le rendement du préparateur gaz instantané nous paraît fort élevé dans l’étude du VITO, de même que celui de l’accumulateur gaz), les systèmes à gaz instantanés sortent clairement du lot et sont donc à conseiller. Attention : ces conclusions sont tirées d’études sur des installations domestiques !
Pour comparer la performance des différents systèmes pour une application particulière, nous proposons un petit logiciel d’évaluation.
| Pour analyser le rendement global d’une installation particulière, cliquez ici ! |
Un préchauffage par capteurs solaires ?
Une technologie aujourd’hui maîtrisée
Arrivé à un haut niveau de maturité technique, le solaire thermique est une solution de choix dans les défis énergétiques. Il est une substitution immédiate et directe à l’usage des combustibles fossiles. Pour les grandes installations, il permet de manière aisée une réduction de 20 à 50 % des besoins énergétiques pour la production d’eau chaude sanitaire. Il présente un intérêt d’autant plus élevé pour des applications tertiaires collectives où les consommations d’ECS sont élevées. Cette technique montre de nombreux avantages :
- Utilisation d’une énergie propre et disponible gratuitement : pas de rejet de CO2 ni d’autres gaz à effet de serre ;
- Anticipation de la raréfaction voire de l’épuisement des gisements d’énergie fossile ;
- Coût de fabrication peu onéreux : technique simple ;
- Rendement élevé : technique efficace ;
- Investissement sûr ;
- Indépendance énergétique et non dépendance vis-à-vis de la fluctuation des prix de l’énergie ;
- Durée de vie importante : environ 25 ans ;
- Entretien léger ;
- Augmentation de l’image verte d’un établissement, d’une société ;
- …
Les besoins en ECS étant généralement répartis de manière presque constante au fil de l’année, le (pré)chauffage de l’eau chaude sanitaire est une application particulièrement adaptée au solaire thermique.
Trois facteurs majeurs influencent directement l’efficacité et la rentabilité d’une installation :
- La consommation d’eau chaude : trop faible, inconstante ou concentrée sur les mois d’hiver, elle constitue souvent le facteur limitant de la productivité du système, d’où l’intérêt de la mesurer.
- L’emplacement des capteurs : une orientation ou une inclinaison défavorables, un ombrage excessif diminuent l’efficacité, donc la rentabilité du système solaire.
- La régulation solaire et la gestion de l’appoint : le principe de base consiste à assurer une température de retour vers les capteurs la plus basse possible, afin de récupérer le maximum d’énergie solaire.
Le chauffe-eau solaire mis en service en 2001 à la résidence Vieux-temps à Fléron est composé de 56 m² de capteurs à tubes sous vide et d’un volume de stockage solaire de 6 600 litres. L’énergie solaire couvre 47 % des besoins en eau chaude de l’établissement.
À l’évidence, l’impact visuel des capteurs est limité.
> Plus d’infos sur le choixd’un préchauffage par capteur solaire
Les étapes de la réalisation d’un projet solaire thermique ont été balisées par le programme « Soltherm » de la Région Wallonne :
- un logiciel de préfaisabilité (Quick Scan.xls) a été mis au point et remis à jour par l’IBGE. Il est accompagné de son mode d’emploi.pdf ;
- un audit solaire.pdf peut être réalisé;
- un cahier des charges.xls d’une installation solaire de qualité a été rédigé;
- une Garantie de Résultats Solaires (GRS) peut être exigée;
- des subsides nombreux sont disponibles.
- Un guide de la maintenance.pdf pour responsable énergie est aussi disponible (réalisé par 3E et l’Apere pour l’IBGE).
| Études de cas | Parcourir l’audit solaire établi pour :
– le home La Charmille à Gembloux ! – la piscine d’Herstal ! |
Récupérer l’énergie au condenseur de la machine frigorifique ?
La machine frigorifique évacue de la chaleur vers l’extérieur. Or la production d’eau chaude sanitaire demande une fourniture de chaleur, au contraire. L’idée de récupérer la chaleur de l’un au bénéfice de l’autre est attirante.
En pratique, pour le groupe frigorifique, chauffer l’eau sanitaire de 10 à 30°C est très efficace, effectivement. Par contre, chauffer l’eau de 30 à 60°C est difficile. Sous prétexte de récupération, la machine frigorifique finit par avoir un très mauvais rendement : le compresseur doit augmenter son taux de compression pour atteindre les hautes températures !
Cette technique est donc à privilégier pour les installations où la demande d’eau chaude sanitaire est très importante (hôtels, restaurants,…) et pour lesquels on assurera le préchauffage de l’eau sanitaire, sans perturber le cycle de la machine frigorifique. De l’ordre de 20 à 25 % de la puissance frigorifique peut être alors récupéré.
Schéma 1 : un échangeur thermique parcouru par le fluide frigorigène est inséré au bas d’un ballon d’eau chaude.
Par effet de cheminée, la chaleur sera donnée à la zone la plus froide du ballon puis communiquée à l’ensemble du réservoir.
L’échangeur est équipé d’une double paroi de sécurité, selon DIN 1988.
Schéma 2 : un ballon intermédiaire à double échange est intégré comme interface.
On peut également prévoir un système à double échange : deux échangeurs sont intégrés dans un même ballon (1). Le premier échangeur est celui du condenseur de la machine frigorifique, le deuxième est le serpentin de préchauffage de l’eau chaude sanitaire.
Un appoint en série est prévu (2).
Schéma 3 : en présence d’une boucle de distribution.
Le régulateur de température de départ de la boucle utilise l’appoint lorsque le niveau de température du ballon est insuffisant.
| Motivé ? Alors, découvrez plus de détails sur le fonctionnement côté machine frigorifique en cliquant ici ! |
Critère anti-légionelles
Toute zone « morte » de l’installation est une zone propice au développement de la légionelle. Ces bactéries adorent se développer dans une eau entre 35 et 45°C. Ce sont surtout les grandes installations qui sont les plus sensibles. Une étude du CSTC à mis en évidence que 40 % des grandes installations étaient contaminées : immeubles à appartements, piscines, homes, hôpitaux…
D’une manière générale, les principes à poursuivre pour combattre la légionelle sont les suivants :
- éviter la stagnation (bras morts des réseaux),
- forcer une T° > 55°C dans la boucle de circulation,
- éliminer les zones tièdes au fond des ballons de stockage.
|
Voici les recommandations du CSTC :
Source : CSTC magazine (hiver 2000). |
À ce titre, les accumulateurs d’eau chaude sont-ils plus ou moins performants que les préparateurs instantanés ? Difficile à dire, … pour supprimer tout risque, il est recommandé une température de 60°C durant 30 minutes ou 70°C durant 4 minutes. Les préparateurs instantanés ne vérifient pas ces critères, mais avec ce système, il n’y a pas de stagnation, donc pas de développement possible (il faut un minimum de 2 jours de stagnation entre 25 et 45°C pour générer la prolifération bactérienne).
Ce qui est certain, c’est que la température de production est plus élevée qu’autrefois, que l’isolation thermique doit être renforcée et … qu’il faut investir dans des mitigeurs de qualité qui ne craignent pas trop le calcaire (risque de brûlure !).
Précisons enfin que la transmission de la légionelle se réalise par inhalation d’aérosols (gouttelettes de 1 à 5 microns) et par la contamination des poumons. On pourra donc être contaminé en prenant une douche mais pas en buvant un verre d’eau ! Ceci implique que la préparation à haute température est importante dans une piscine mais pas forcément dans une école.
Traitement de l’eau ?
Pour assurer la fiabilité des systèmes de douches (absence de dépôt dans les surfaces d’évaporation dont les pommeaux, de blocage des boutons poussoirs,…), il faut passer très souvent par la réduction de la teneur en carbonates de l’eau de distribution.
Techniques de traitement
Trois techniques de traitement de l’eau sont possibles :
- Mettre en place un adoucisseur par résines échangeuses d’ions, avec rinçage de l’installation; ce procédé est d’une efficacité reconnue.
- Traiter physiquement grâce à un champ magnétique; l’efficacité de ce type de solution est variable en fonction des conditions de fonctionnement de l’installation (comme par exemple la vitesse de l’eau traitée). On consultera les études du CSTC et du CSTB à ce sujet.
- Dissoudre des cristaux de polycarbonates qui jouent le rôle d’inhibiteurs; cette solution s’applique pour des températures inférieures à 60°C.
Mesure de la dureté de l’eau
On commencera par analyser le TH de l’eau, Titre Hydrotimétrique, qui caractérise la dureté totale de l’eau dans la région du bâtiment à concevoir. Ce TH exprime la somme des ions Calcium Ca++ et Magnésium Mg++, responsables de la dureté de l’eau.
L’unité de mesure est le degré français °F. Ainsi, 1° F = 10 mg CaCO3/litre. L’échelle suivante permet de juger de la tendance de l’eau à déposer des sels :
eau très douce : < 7,5°F
douce : 7,5 à 15°F
assez dure : 15 à 20°F
dure : 20 à 30°F
très dure : > 30°F
La compagnie des eaux peut fournir cette valeur. Sinon, il existe des kits de mesure que les sociétés de maintenance utilisent et qui sont en vente chez les marchands d’adoucisseurs. Un pharmacien peut également faire cette mesure
Dimensionnement de l’installation
Partons d’une eau dont le TH est de 30°F (soit 0,3 kg de CaCO3/m³).
- On convient de limiter le TH à une valeur de 15°F, c.-à-d. de retirer 15°F/m³ d’eau à traiter. Il n’est pas nécessaire d’adoucir davantage : la consommation de sels augmenterait alors qu’un très léger dépôt de calcaire protège le réseau de tuyauteries de la corrosion par l’oxygène.
- On estime la consommation journalière. Par exemple : 3 000 m³/365 = 8,2 m³/jour. Il nous semble que le traitement de l’eau chaude est suffisant puisque c’est lors du chauffage de l’eau que le problème se pose. Le traitement de l’eau froide ne se justifie que pour une raison de confort.
- La capacité de traitement sera de 8,2 x 15 = 123 m³.°F/jour.
- Considérant le prix des appareils (un adoucisseur plus petit est moins cher), on peut raisonnablement choisir un appareil de capacité nominale de 250 m³.°F/jour par exemple.De cette manière, la saumure de régénération a au moins un jour pour se reconstituer. À ce sujet, il faut considérer une consommation annuelle de sel de l’ordre de 2 000 à 3 000 kg (0,6 à 1 kg/m³). Cela entraîne la nécessité de prévoir un bac à saumure suffisamment grand pour éviter une trop grande fréquence de manipulation.Il faut aussi prévoir une mise à l’égout (environ 10 litres d’eau évacuée/litre de résine à régénérer).
- Choisir un dispositif de régénération volumétrique, beaucoup plus économique qu’un programmateur horaire.
L’analyse comparative de « Test-Achats »
Les résultats de l’analyse comparative publiée dans Test-Achats de juin 2000 concernent bien entendu le secteur domestique. Les coûts de l’énergie sont également ceux en vigueur dans le domestique. Toutefois, il nous a semblé intéressant d’y faire écho ici parce que le secteur tertiaire à parfois des besoins en ECS très limités, comparables à ceux d’une habitation.
Les coûts annuels repris dans le tableau englobent le coût d’investissement dans l’appareil (amorti en 15 ans) et le coût d’exploitation. Hypothèse : consommation de 180 litres d’eau chaude/jour (5 à 6 personnes)
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Coût annuel |
|
Chaudière murale au gaz naturel |
189 € |
|
Chaudière murale au gaz naturel |
189 € |
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Chauffe-bain au gaz naturel |
251 € |
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Chauffe-bain au gaz naturel |
269 € |
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Boiler électrique 200 l |
321 € |
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Boiler au gaz naturel 145 l |
339 € |
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Boiler sur chaudière à mazout 120 l |
355 € |
|
Boiler sur chaudière au gaz naturel 120 l |
366 € |
|
Boiler électrique 200 l |
387 € |
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Chauffe-bain au propane en réservoir |
428 € |
|
Boiler au propane en réservoir |
587 € |
|
Chauffe-bain au propane en bouteilles |
615 € |
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Boiler électrique 150 l |
729 € |
|
Boiler au propane en bouteilles 145 l |
849 € |
Le préparateur instantané gaz se révèle le plus économique. Tandis que le préparateur au propane gagne a être remplacé !
Choisir un préparateur instantané à plaques
Choix de la source de chaleur
Le préparateur instantané a pour qualité essentielle d’assurer de l’eau chaude sanitaire en quantité voulue à n’importe quel moment de la journée.
Source de la chaleur
Un préparateur électrique est très difficilement réalisable, vu l’importance de la puissance nécessaire (un préparateur 12 litres/minute requiert une puissance de 24 kW, soit une ligne de 100 A environ !). Pour s’en convaincre, il suffit de penser au percolateur à café. Avec 1 kW de puissance, il arrive tout juste à réaliser un fin filet d’eau bouillante… C’est parfait pour conserver l’arôme du café… mais c’est inimaginable pour assurer les douches en parallèle après le match de foot ! Et puis, ce serait en courant de jour…
Clairement, l’échangeur instantané s’associe à une chaudière à fuel ou gaz.
Préparateur instantané « pur »
Le chauffage de l’eau se fait dans un échangeur à plaques très compact. Une boucle d’eau chaude sanitaire sera presque automatiquement associée au projet pour lisser les variations de la température de l’eau.
La régulation de cette température se fait via le réglage d’une vanne trois voies au primaire. Cette vanne doit être très « nerveuse » pour réagir rapidement à des variations de la demande. Une régulation PID est nécessaire.
Ce type de préparation génère un faible encombrement et une faible charge au sol.
Par contre, elle oblige à un maintien en température de la chaudière à haute température. Ce n’est pas heureux en été et cela va à l’encontre de l’évolution actuelle vers une régulation à température glissante (une chaudière « à la température juste nécessaire »). À ce titre, un ballon accumulateur est quand à lui chauffé une ou deux fois dans la journée et la température de la chaudière redescend le reste du temps.
Pour plus de détails, voir dans les critères de choix du mode de préparation d’eau chaude.
On voit donc qu’un préparateur instantané pur ne se justifie que pour rencontrer des besoins importants et assez continus (piscine par exemple).
Puissance
La production instantanée demande généralement une puissance de générateur très importante. Pour dimensionner cette installation, cliquez ici !
Dans le cas d’une production d’ECS combinée au chauffage, il sera peut être nécessaire de surdimensionner la chaudière uniquement pour l’ECS. Ce qui serait une mauvaise utilisation de l’investissement consenti. On préférera compléter l’installation par un ballon d’appoint : c’est le semi-instantané.
Rendement de distribution
Lors du calcul de la puissance d’installation, on admet que, pendant la durée du prélèvement maximal, le rendement de distribution est égal à 1 (pas de mise en température du volume mort, les déperditions étant faibles par rapport à l’énergie fournie).
Préparateur semi-instantané
Pour améliorer la stabilité de la température d’eau chaude, il est possible d’augmenter le volant tampon de la boucle en mettant un réel ballon en série. Deux schémas sont possibles :
- Soit l’échangeur est inclus dans le ballon :
- Soit le ballon est placé en appoint et se met en service dès que la température de 60 °C par exemple n’est plus atteinte au départ de la boucle. La vanne s’ouvre et le circulateur se met en fonction. Son débit horaire est égal à 4 fois la capacité du ballon.
Cette capacité permet, en cas de soutirage important, d’assister le préparateur instantané par le préchauffage « préventif » d’une réserve.
Dans le même esprit, le schéma ci-dessous nous paraît plus simple et donc probablement meilleur :
Ce type d’installation est capable d’assurer avec souplesse la fourniture de besoins assez variables.
Plus le réservoir sera important, plus la puissance de chauffe pourra être réduite. Une régle de bonne pratique montre qu’avec une capacité tampon (en litres) de 5 x Puissance exprimée en kW, on peut diminuer de moitié la puissance par rapport à la puissance instantanée.
Exemple. En logement collectif, le débit de pointe de soutirage d’eau chaude est pris à 50 litres pour 10 minutes par appartement. Un coefficient de simultanéité prend en compte le fait que tous les appartements ne sont pas en demande en même temps :
Pour un parc de 50 logements, en production instantanée, on installera : 50 logements x 50 litres x 1,16 Wh/l.K x (60 – 10) K x 0,31 / [(1/6) h x 1 000] = 270 kW. Mais si un ballon de 600 litres est associé, la puissance installée sera réduite à 135 KW. |
D’une manière générale, il existe une infinité de combinaisons « puissance de chauffe – volume de stockage », répartie sur une courbe d’égale satisfaction des besoins.
| Pour déterminer la courbe « puissance-volume » qui répond à un profil de besoin d’eau chaude particulier, cliquez ici ! |
Détails d’installation
La gestion des fluctuations de température
C’est un des inconvénients de ce type de système : il faut une réponse immédiate et à juste température. Un temps de réponse de l’ordre d’une dizaine de secondes est parfois requis.
Un régulateur progressif est nécessaire : le mode PI est nécessaire pour les échangeurs de faible capacité, comme les échangeurs à plaques. Une régulation fine (PID) est parfois à prévoir pour le réglage de la vanne 3 voies. La constante de temps de la sonde doit être réduite et la vitesse du moteur élevée. Les constructeurs de ces échangeurs spécifient les caractéristiques que doivent présenter les régulateurs.
Et malgré tout, on reste limité par le temps de réponse des éléments mécaniques de l’installation qui rend les fluctuations inévitables. Il est déconseillé d’utiliser ce type de système dans un bâtiment ayant un profil de puisage discontinu.
La sonde de température sera dédoublée par une sonde de sécurité qui interrompt impérativement l’alimentation du primaire en cas de dépassement d’un seuil de température.
Le raccordement sur une chaudière à condensation
On sera attentif à sélectionner un modèle sur base d’un retour à la plus basse température possible, par exemple au régime (donc surdimensionner un peu la surface de l’échangeur).
Mais il semble qu’avec un préparateur instantané, la condensation reste difficile. La production d’eau chaude sanitaire, surtout depuis les mesures anti-légionelles, semble un frein aux techniques de chauffage basse température d’aujourd’hui. Ne faudrait-il pas de plus en plus privilégier des productions indépendantes ? Dans ce cas, le chauffage instantané est mal placé suite à la puissance qu’il demande…
La résistance à la corrosion
La température élevée au niveau des surfaces d’échange conduit à la formation rapide de tartre.
Lorsque l’on sait que le dépôt calcaire est exponentiellement lié à la température de chauffage de l’eau, cet inconvénient limité par l’action de la vanne trois voies qui évite que la température au primaire de l’échangeur soit en permanence à la valeur maximale.
Ce système est cependant mal adapté à un réseau d’eau dure. Il est alors recommandé d’effectuer un traitement anti-tartre par injection de phosphates ou adoucisseur d’eau.
Choisir un ballon de stockage
Critères de choix communs
Épaisseur d’isolation des parois
Les constructeurs proposent généralement des épaisseurs de 5, 8 ou 10 cm. Lors de l’acquisition d’un nouveau ballon, nous recommandons sans hésiter une isolation de 10 cm.
Passer de 5 à 10 cm est amorti généralement en 3 ans. L’investisseur est donc récompensé dès la 4ème année. Pouquoi s’en priver : c’est un placement plus sûr qu’à la bourse de New York !
Si vous n’êtes pas convaincu, utilisez le petit programme ci-après et testez deux épaisseurs différentes : le gain financier apparaîtra sur les 30 ans de durée de vie du ballon.
| Pour évaluer la rentabilité de la pose d’un isolant, cliquez ici ! |
Cette très bonne rentabilité de l’isolant est liée au fait que l’eau chaude est maintenue en permanence à haute température par rapport à l’ambiance (Delta T° élevé).
Voici les recommandations du programme suisse « Ravel » pour les accumulateurs calorifugés sur place
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Contenance en litres |
Épaisseur minimale de laine minérale en cm |
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< 400 |
10 |
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de 400 à 2 000 |
12 |
|
> 2 000 |
14 |
La lutte contre le développement de la légionelle ne fait que renforcer la nécessité d’une forte isolation puisque la température de maintien dans le ballon doit atteindre un minimum de 60°C.
Choix de l’isolant
On rencontre différentes techniques :
- L’isolation en mousse de polyuréthane (PUR), aujourd’hui sans CFC.
- Les matelas de laine minérale, ceinturés par une feuille d’aluminium et recouverts d’un manteau en aluman.
- Les coquilles en polystyrène, recouvertes d’un manteau de tôle laquée, amovible (mais parfois limité à certaines températures).
- La résine de mélamine, nouveau matériau très résistant à la haute température et facilement dissociable du manteau extérieur.
Parmi ceux-ci, surtout si le montage a lieu sur chantier, on sera attentif à deux critères :
- L’isolation ne peut générer de pertes par convection (circulation d’air entre la cuve et le manteau isolant). Lors de certains audits, il a déjà été constaté des « effets de cheminée » très importants à ce niveau !
- L’élimination ultérieure des déchets doit être simple (il n’est pas impossible que ceci soit taxé un jour…), ce qui privilégie le choix de matériaux dissociables de la cuve et si possible recyclables.
Encombrement
C’est le défaut des accumulateurs : ils prennent beaucoup de place.
Accumulateurs d’eau chaude en milieu hospitalier.
Si nécessaire, il est possible de limiter le volume de stockage en augmentant la consigne de stockage au delà de 60°C. Mais il est alors nécessaire de placer un mitigeur thermostatique pour diminuer la température de distribution.
En voici le schéma pour une installation électrique :
Mesure anti-légionelle
Pour éviter le développement de la légionelle, il faut éliminer les zones tièdes dans les ballons de stockage. On sera donc attentif à la conception du ballon et à une éventuelle poche d’eau tiède qui se formerait en dessous de l’élément chauffant (la face inférieure du ballon est-elle isolée ?). L’existence d’un robinet de purge en partie inférieure est également un facteur favorable pour la maintenance.
Il faut savoir que les installations d’eau chaude sanitaire sont tapissées d’un dépôt visqueux (le biofilm) composé de micro-organismes, dont des amibes… Or les légioelles créent des colonies dans les amibes. Et une fois logées dans celles-ci, elles peuvent exceptionnellement résister jusqu’à 80°C car les amibes sont plus résistantes à la chaleur !
« Les installations doivent être entretenues régulièrement; à cet effet, les appareils de production d’eau chaude seront dotés des ouvertures nécessaires » (source CSTC).
Stratification des températures
Si un ballon de 1 000 litres à 50°C est vidé pour moitié, il faut y trouver 500 litres d’eau à 50°C (encore exploitables) et 500 litres à 10°C. Et non 1 000 litres à 30°C, inutilisables…
La stratification des températures, assure la valorisation du volume utile et donc supprime tout besoin de surdimensionnement du stockage, générateur de pertes par l’enveloppe.
Pour réaliser cette stratification correcte, on adoptera :
- un casse-vitesse sur l’arrivée de l’eau froide au bas du ballon,
- une isolation renforcée pour limiter la circulation interne,
- une isolation de la boucle de distribution pour éviter le retour d’eau trop froide qui « tombe » dans le réservoir et crée des turbulences,
- une isolation soignée de la tubulure de sortie de l’accumulateur,
- un retour vers le ballon de la tuyauterie de circulation le plus haut possible,
- le choix de la position verticale (il faut absolument éviter de coucher les accumulateurs qui perdent ainsi une bonne partie de leur volume utile),
- le raccordement des ballons multiples en série plutôt qu’en parallèle.
Exemple d’isolation de la tuyauterie de départ.
Pour limiter la consommation d’énergie, il est souvent judicieux d’arrêter la boucle de circulation durant la nuit. Mais cette mesure entraîne une perturbation de la stratification lors du réenclenchement de la circulation. Il est alors utile de programmer cet enclenchement à la fin de la période de chauffage de nuit, pour bénéficier encore du tarif avantageux.
Dans les calculs de dimensionnement, pour tenir compte du degré de stratification des ballons, on considérera une température minimum possible du stock de 10° et on y associera un coefficient d’efficacité ‘a’. Dans la plupart des cas courants, celui-ci prendra une valeur de 0,8 à 0,95 (bonne stratification), ce qui signifie que 80 à 95 % du volume réel du ballon est utilisable pour la température voulue. Si on se trouve dans le cas d’un ballon avec mélange important, ‘a’ peut descendre jusqu’à 0.45.
Dimensionnement
Combien de ballons ne sont-ils pas surdimensionnés !!!
Ils génèrent des pertes de chaleur permanentes par leurs parois…
| Pour calculer le volume de stockage nécessaire, cliquez ici ! |
Protection contre la corrosion
parmi les différentes matières de cuve, pour lutter contre la corrosion de l’eau, on prévoit (source RAVEL-Suisse, que nous n’avons pas vérifiée) :
- L’abandon de la technique de l’acier St 37 galvanisé au bain.
- Le recours éventuel au cuivre et aux alliages de cuivre, pour lequel nous manquons d’expérience mais qui est couramment utilisé dans les pays scandinaves et en Angleterre. Cette solution est nettement plus coûteuse.
- L’acier inoxydable (acier CrNiMo), qui doit être suffisamment allié. On utilise généralement les nuances DIN 1.4435 ou 1.4571, soit des aciers à faible taux de carbone avec adjonction de molybdène. Pour les gaines de corps de chauffe (résistances électriques), plus fortement sollicitées, on adoptera des alliages plus performants à teneur élevée de nickel, tels que le IN 1.4539, l’Inconel, etc… La qualité de l’équipement est souvent liée à la réalisation des soudures et au décapage intérieur des cuves.
- L’acier St 37 avec revêtement organique ou synthétique, mais d’usage limité puisqu’il requiert de ne pas dépasser la température prescrite par le fournisseur (généralement 60°C), ce qui n’est plus compatible avec les critères de gestion anti-légionnelle.
- Enfin l’acier St 37 émaillé, émaillage réalisé généralement par deux couches successives cuites au four à 890°C.
Les cuves émaillées seront en plus munies d’une protection cathodique : le principe est de protéger l’acier par un métal moins noble que lui. Aussi, les constructeurs incorporent généralement une anode sacrificielle (une barre de magnésium) qui, sacrifiée, se dissout… laissant l’acier intact.
Régulation de température par mitigeage
Une régulation de température par mélange avec l’eau froide de distribution procure divers avantages :
- Meilleure stabilité de température de l’eau distribuée.
- Élévation possible de la température du ballon (donc augmentation de la capacité de stockage de nuit… au détriment de l’augmentation des pertes par les parois).
- Possibilité de sélectionner un différentiel plus élevé (par exemple 10 K). Ceci réduit le nombre des appels de chaleur de la chaudière et les pertes occasionnées par les cycles de marche-arrêt.
- Possibilité de créer une pointe de température périodique à plus de 70°C pour lutter contre la légionellose.
Mieux : il est judicieux de placer des mitigeurs thermostatiques séparés pour les différents usages de l’ECS dans un bâtiment. La température de l’eau sera adaptée aux différents usages (cuisine et buanderie, chambres, …).
Le risque de brûlure est limité et les pertes des conduites sont diminuées. Les vannes trois vannes seront équipées d’un moteur rapide. La sonde de température aura une très faible constante de temps et sera placée à moins de 50 cm après le mélange.
Dans le cas où les douches n’ont pas leur propre régulateur thermostatique, la régulation de la température de départ peut être améliorée en plaçant un petit ballon entre la vanne et la sonde de température (source : Costic). Un dispositif de sécurité anti-brûlure fermera la vanne en cas de dépassement de la température maximale.
S’il existe une boucle de distribution, le retour de boucle doit être repiqué sur l’entrée « Eau Froide » de la vanne mélangeuse (voir schéma similaire pour la préparation instantanée gaz).
Mais question ?
Peut-on conserver une boucle à température mitigée… sans risque de développement de la légionelle ?
Deux réponses semblent possibles :
- Soit l’usage de chaque branche de l’installation est permanent, le réseau est constamment renouvelé : le risque est pratiquement nul (on suppose que toutes les bactéries ont été tuées lors de la phase de production de l’eau chaude à haute température et qu’elles ne peuvent pas se développer si vite dans le réseau).
- Soit certaines branches restent inopérantes plusieurs semaines et le réseau lui-même est peu renouvelé : on pourra craindre un développement de la bactérie. Dans ce cas, le mitigeage doit être assuré au puisage de l’eau.
Il semble que la réponse actuelle soit de placer toute dérivation de plus de 5 m ou de plus de 3 litres sur une boucle (maintenue à un départ de 60 et un retour de 55°C min.), ou d’y organiser un rinçage automatique par semaine.
| Comparaison de différents systèmes de production avec accumulateur. |
Choix d’un ballon de stockage sans production de chaleur interne
Le ballon de stockage est chauffé par un serpentin d’eau chaude. Le chauffage de l’eau du serpentin est réalisé grâce à une chaudière (gaz, fuel, …) qui assure également le chauffage du bâtiment.
Pour les petites puissances, il est possible que le ballon soit intégré dans la même jaquette que la chaudière. Cette solution a l’avantage de présenter moins de pertes vers l’ambiance, en raison
- de l’absence de tuyauterie externe entre le ballon et la chaudière,
- d’une surface déperditive totale moindre.
On peut parler ici de semi-accumulation puisque le stockage permet de subvenir aux besoins de pointe et la chaudière reconstitue ensuite rapidement le stock d’eau chaude.
L’avantage de ce système est de permettre un approvisionnement important, sans risque de « pénurie » en fin de journée (contrairement au système à accumulation électrique), et avec un confort d’approvisionnement optimum (contrairement au système instantané gaz).
Un réseau hydraulique qui permet un fonctionnement « indépendant »
Pour limiter les pertes de distribution au niveau du collecteur primaire, il est conseillé de raccorder la production d’eau chaude directement sur la chaudière, ce qui permet de fonctionner en température glissante au niveau du collecteur primaire (diminution des pertes), tout en pratiquant une priorité sanitaire.
De même, en été, cela permet de ne pas maintenir en température tout un collecteur uniquement pour produire de l’eau chaude.
Lorsque l’installation de chauffage est composée de chaudières en cascade de puissances différentes, il est évident qu’en été, c’est la chaudière dont la puissance est la plus proche des besoins de la production d’ECS qui doit être utilisée, de manière à limiter les pertes à l’arrêt de la chaudière et à optimaliser les temps de fonctionnement du brûleur.
Choix d’une chaudière « basse température »
Autrefois le risque de corrosion (lié à la condensation de la vapeur d’eau des fumées) entraînait le maintien en température de la chaudière fuel toute l’année, y compris l’été. On parlait d’un maintien « sur aquastat » à 65°C, par exemple.
Mais aujourd’hui, il est possible de sélectionner une chaudière régulée à température glissante, c’est à dire dont l’aquastat descend lorsque la température extérieure remonte. Le rendement de combustion en est amélioré.
La présence d’un ballon d’eau chaude perturbe cette volonté de travail à basse température. Pour réchauffer l’eau chaude sanitaire, une température minimale de 70°C environ est en effet nécessaire. Temporairement, par mesure de précaution anti-légionelle, une montée de l’eau de stockage à 70°C est même parfois organisée.
Pour résoudre ce problème, il est possible de mettre en place une régulation avec telle que la chaudière ne monte en température qu’au moment du réchauffage du ballon. Le ou les vannes mélangeuses des circuits de chauffage se ferment alors légèrement.
Pour plus d’infos sur la régulation en présence d’une production combinée, cliquez ici !
Des relances intempestives du chauffage de l’eau sanitaire limitées par une horloge
Si l’on prévoit que la demande peut être couverte facilement par une ou deux relances de la chaudière sur la journée, il sera utile de greffer une horloge sur la régulation pour imposer les plages horaires durant lesquelles le réchauffage du ballon est autorisé. Par exemple : de 5 à 7 heures du matin (juste avant la relance, ainsi on peut profiter de la haute température de l’eau) et de 16 à 18 heures en fin de journée. On évitera dès lors de remettre la chaudière en route pour un puisage d’un seau d’eau ! c’est surtout avantageux en été, bien sûr, mais ce l’est également en hiver puisque la température moyenne saisonnière de l’eau d’une chaudière régulée en fonction de la température extérieure est de 43°C.
Cette technique a fait l’objet d’une simulation sur une installation ECS domestique (consommation de 45 m³ à 55°C). Voici les rendements obtenus (source « Chauffage et production d’ECS » – M. Rizzo – Éditions Parisiennes) :
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Chauffage de l’ECS constant |
Chauffage de l’ECS programmé |
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Été |
44 % | 66 % |
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Hiver |
69 % | 80 % |
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Année |
59 % | 75 % |
Soit un gain moyen annuel de 16 % sur la production d’eau chaude.
Alternative : s’il est difficile de planifier les périodes de chauffage de l’eau chaude, il est possible d’obtenir un effet similaire en régulant le ballon au moyen d’un thermostat à fort différentiel situé en partie haute (au moins au 2/3 de la hauteur). Ce thermostat arrête la pompe de circulation du réchauffeur quand on atteint la température de ballon désirée, généralement 60 à 65°C, et remet le chauffage en service quand la température d’eau tombe à 40/45°C.
Un réseau hydraulique qui valorise le choix d’une chaudière à condensation
Nous sommes en présence d’un paradoxe :
- L’eau sanitaire est très froide (10°C) à son arrivée. Elle devrait dès lors permettre de valoriser l’efficacité énergétique d’une chaudière à condensation.
- L’eau chaude sanitaire doit être portée à haute température (généralement 60°C, voire plus pour gérer le problème de la légionellose). Le circuit de chauffage monte donc à 75°C, et génère des retours à 65°C en fin de période de chauffage du ballon ! Par rapport aux circuits « basse température » dont nous sommes aujourd’hui coutumiers en chauffage, c’est donc un régime « haute température »… et cela supprime toute possibilité de condensation.
Deux solutions apparaissent :
> 1° Il existe deux raccordements de retour à la chaudière à condensation. Le retour de l’eau chaude sanitaire est raccordé à l’entrée « haute température ». On a abandonné tout espoir de condenser avec le réseau d’eau chaude sanitaire.
> 2° On décide au contraire de valoriser au maximum la condensation. Sachant que la température de retour doit être inférieure à 53°C, on décide de travailler avec un circuit d’eau de chauffage du ballon à la plus basse température de retour possible. Lors du dimensionnement de la puissance de l’échangeur de production d’eau chaude, un retour à 40 .. 45°C est choisi, par exemple via un régime 70° – 40° ou 90° – 45° au lieu d’un traditionnel régime 90° – 60°.
| Pour plus d’informations sur les circuits hydrauliques favorables à la condensation, cliquez ici ! |
Choix d’une résistance complémentaire d’appoint
Le placement d’une résistance électrique complémentaire permet de désolidariser la production de chaleur en été et d’arrêter la chaudière. On parle d’un accumulateur mixte.
- Thermomètre.
- Tube plongeur pour sonde de thermostat.
- Anode en magnésium.
- Tube de retour de circulation.
- Cuve (acier galvanisé, cuivre ou acier).
- Thermovitrification / émail / plastique.
- Capot de recouvrement.
- Thermostat de réglage et de sécurité.
- Corps de chauffe.
- Prise d’eau froide.
- Brise-jet.
- Tube plongeur pour sonde de thermostat.
- Pieds réglables.
- Calorifuge (laine minérale, polyuréthane sans CFC).
- Retour chauffage.
- Serpentin.
- Aller chauffage.
- Prise d’eau chaude.
Un tel équipement est également perçu comme un moyen d’assurer un complément de chaleur à un système de production de chaleur par énergie solaire ou par pompe à chaleur, par exemple. Mais la position de l’échangeur électrique est alors toute autre ! Il va se placer en position médiane, créant 2 ballons : un demi-ballon inférieur pour le préchauffage solaire et un demi-ballon supérieur pour l’appoint électrique.
Choix d’un préparateur électrique à accumulation
- Carrosserie.
- Calorifuge (laine minérale, polyuréthane sans CFC).
- Cuve (acier galvanisé, cuivre ou acier).
- Thermovitrification / émail / plastique.
- Prise d’eau froide.
- Brise-jet.
- Fond.
- Tube plongeur pour sonde de thermostat.
- Corps de chauffe.
- Pieds réglables.
- Capot de recouvrement.
- Raccordement électrique.
- Thermostat de réglage et de sécurité.
- Flasque.
- Anode en magnésium.
- Thermomètre.
- Prise d’eau chaude.
- Groupe de sécurité (là, il faut le deviner !).
- Vidange à l’égout.
Choix de la résistance chauffante
Parmi les différentes techniques de chauffe, les résistances tubulaires blindées (thermoplongeurs) présentent de nombreux avantages sur leurs concurrents en céramique, dont notamment :
- Moins de dépôt calcaire en raison des dilatations et retraits successifs de la barre.
- Bonne capacité de flexion à froid leur permettant d’adapter leur forme à celle du fond du chauffe-eau pour réduire la zone d’eau froide (mesure anti-légionelle).
Le thermoplongeur est en contact direct avec l’eau du boiler et est donc susceptible de s’entartrer. Pour le remplacer, il faut vider complètement le réservoir. Ce n’est pas le cas pour les résistances logées dans un fourreau que l’on peut remplacer facilement.
Point de consigne
Les thermostats installés sur les chauffe-eau sont préréglés (60 à 65°C) mais il est important de choisir un appareil dont le point de consigne peut être modifié si nécessaire.
Groupe de sécurité
Pour permettre la dilatation de l’eau lors du chauffage, on trouvera en amont du chauffe-eau un groupe de sécurité (un par appareil), comportant un robinet d’arrêt, un clapet de retenue, une soupape de sûreté et un dispositif de vidange.
Il doit porter l’agréation ANS-NAV (reconnaissable aux initiales NA devant le numéro de référence).
Plusieurs appareils en série
Il est possible de greffer plusieurs accumulateurs électriques de forte capacité. Leur dimensionnement correct est très important puisque :
- Ils doivent stocker la quantité d’eau chaude nécessaire à la totalité des besoins journaliers, afin de bénéficier des prix de nuit.
- Ils ne doivent pas stocker plus que les besoins journaliers pour ne pas générer des pertes thermiques de stockage inutiles.
Si une relance est nécessaire en journée, une bonne gestion de cette relance doit être réalisée :
- Seul le dernier ballon devra être réchauffé.
- L’enclenchement sera asservi à un seuil de température.
- Un délesteur pourra interrompre la charge durant les heures de pointe (limiter la pointe de puissance du bâtiment).
Hydrauliquement, ces appareils seront montés en série, avec un by-pass permettant d’isoler chaque ballon le cas échéant.
La distribution doit être indépendante du stockage. Il faut proscrire les montages « ballons en parallèle » et « bouclage par stock complet » qui amènent à des relances diurnes coûteuses puisque l’eau de recirculation détruit toute la stratification.
Un bouclage par le dernier ballon est à la limite possible si le volume du stock est approprié : 250 litres à 65°C sont nécessaires pour 100 mètres de tuyauterie de distribution à 50°C, bien isolée.
Pour limiter les pertes de stockage, préférer 2 ou 3 grands ballons plutôt que de nombreux petits ballons.
Stratification
La première mesure pour améliorer la stratification consiste à installer des ballons verticaux et bien calorifugés.
La qualité de la stratification des températures dans le ballon est d’autant plus cruciale que l’on souhaite valoriser l’énergie électrique de nuit. Pour gérer l’effet de déstratification lié au retour de l’eau « froide » de circulation, deux techniques sont possibles :
- soit éviter la boucle de circulation en la remplaçant par un ruban chauffant électrique,
- soit prévoir un réchauffage d’appoint de boucle, greffé sur le retour de circulation.
Mais il nous semble que dans les deux cas le bilan financier risque d’être lourd, puisque l’on réchauffe l’eau par de l’électricité de jour.
Les techniques de stratification exprimées ci-dessus seront préférées (et tout particulièrement l’isolation renforcée de la boucle de circulation), complétées par une légère augmentation de la température du ballon : en misant sur la faiblesse de la chute de température dans la boucle, on pourrait se passer de réchauffeur.
Si la boucle est fort longue, un réchauffeur semble inévitable. Rappelons qu’une tuyauterie bien isolée perd 7 W/m. Si le circuit totalise 150 m de longueur, c’est une puissance d’1 kW qui est émise. La chaleur perdue en 24 heures correspond au chauffage de 430 litres à 60°C… Et le coût en chauffage électrique avoisine les 750 € par an.
Autre solution : abaisser la consigne du réchauffeur de boucle afin de juste maintenir la température minimale souhaitée.
Dimensionnement
Un des désavantages de cette technique est le risque de tomber à court d’eau chaude en fin de journée, en cas de puisages très importants. Pour éviter cela, il faut :
- Soit surdimensionner le ballon de stockage (ce qui implique des pertes permanentes supplémentaires).
- Soit prévoir la possibilité de faire une relance durant la journée, mais au prix du courant de jour !
Dans ce dernier cas, on adoptera un appareil équipé de 2 résistances :
l’élément chauffant inférieur assure la charge nocturne à bas tarif, alors que l’élément chauffant supérieur couvre les demandes de pointe en eau chaude durant la journée, soit environ le 1/3 supérieur du ballon. L’enclenchement simultané des deux résistances n’est généralement pas autorisé en raison de la puissance cumulée.
La température de stockage est généralement comprise entre 50 et 60°C.
Si la longueur des circuits entre ballon et point de puisage dépasse 5 à 6 mètres, on n’hésitera pas à dédoubler le ballon électrique.
Régulation
Les thermostats des batteries électriques doivent être équipés d’une double sécurité contre la surchauffe, cette deuxième sécurité devant être active sur toutes les phases.
Étant donné le coût de l’électricité, une horloge ou une télécommande sur le réseau du distributeur commanderont la charge durant les heures creuses (la nuit ou le WE).
Choix d’un préparateur gaz à accumulation
Une très grande souplesse
L’avantage de ce type d’équipement (par rapport à la solution électrique), c’est que le fonctionnement n’est pas réservé à la nuit. À tout moment le stock d’eau chaude peut se reconstituer, ce qui permet de mieux gérer des puisages importants et exceptionnels. En fait, on peut parler ici de système semi-instantané ou semi-accumulation.
Attention aux brûleurs gaz atmosphériques
Mais malheureusement, ces accumulateurs gaz sont généralement équipés d’un brûleur atmosphérique restant ouvert en permanence vers la cheminée. De l’air à température ambiante entre dans l’appareil et sort par effet de cheminée, évacuant ainsi une part de la chaleur stockée…
Il en résulte des pertes à l’arrêt plus importantes que pour un ballon totalement fermé (ballon électrique ou ballon avec serpentin d’eau chaude) et le rendement saisonnier diminue.
Il sera donc très utile de demander au fournisseur la consommation de maintien annoncée (ou cachée…) de son appareil pendant 24 heures sans puisage (c.-à-d. la consommation pour simplement assurer le maintien de l’eau à 60°C durant 24 h).
Les appareils à ventouse sont probablement meilleurs à ce niveau (dépression moins forte de la cheminée). Idéalement, il faut choisir un appareil à air pulsé (ou aspiré) : lorsque la flamme s’arrête, la ventilation est stoppée elle aussi.
Accumulateur gaz à ventouse.
- Sortie ventouse en façade.
- Conduit de fumées.
- Coupe-tirage.
- Arrivée d’eau froide (tube plongeur).
- Départ d’eau chaude.
- Habillage à haute isolation.
- Anode magnésium (protection corrosion).
- Réservoir.
- Corps de chauffe.
- Mystère…
- Foyer.
- Socle thermo-isolant.
- Brûleur atmosphérique à rampes inox et régulation pneumatique avec thermostat incorporé.
Privilégier les brûleurs à air pulsé
Cette fois, le foyer restera clos lors de l’arrêt du brûleur.
Cas particuliers : les accumulateurs gaz à chauffe rapide
Un compromis entre préparateur instantané gaz et accumulateur gaz peut être trouvé dans les appareils dits « accumulateur à gaz à chauffe rapide ».
Ils peuvent travailler en toute autonomie, ce qui permet de séparer les fonctions chauffage et production ECS.
Leur foyer est ouvert, donc de l’air ambiant, attiré par la dépression de la cheminée, va balayer l’appareil et refroidir l’eau stockée en permanence. La flamme s’allumera régulièrement,… rien que pour maintenir l’eau en température.
| Exemple.
Voici la fiche catalogue de l’appareil ci-dessous : Capacité : 185 l Puissance utile : 9,18 kW Consommation d’entretien : 5,04 kWh/24 h
Sur base des données catalogue, on obtient un assez bon rendement instantané de combustion : 9,18/10.2 = 90 % Mais par contre on annonce une consommation d’entretien de 5,04 kWh/24 h. Imaginons que seulement 150 litres d’eau à 45°C soient utilisés. Cela représente une énergie utile de : 0,150 m³ x 1,163 kWh/m³.K x (45 – 10) K = 6,1 kWh Le rendement de stockage devient 6,1 / (6,1 + 5,04) = 55 % Soit un rendement global de 55 % x 90 % = 49,5 % !!! Bien sûr, on a utilisé l’appareil en mode accumulation pure… Si, par contre, on lui fait tirer 2 000 litres d’eau chaude sur la journée, le rendement se rapproche des 90 % annoncés. |
Préférer les appareils à condensation
Condenser la vapeur contenue dans les fumées de l’appareil au gaz ? Bien sûr, puisque l’eau arrive à 10°C dans le bâtiment ! Du moins, à première vue car le ballon est globalement maintenu à une consigne de 60°C …
Les constructeurs ont donc logiquement utilisé la stratification régnant le réservoir : les fumées sont refroidies jusqu’à condenser dans un échangeur qui se termine dans la partie froide du ballon.
En soutirage continu, le fabricant annonce un rendement de combustion de 105 % sur PCI.
À noter que l’utilisation d’un ventilateur (obligatoire puisque les fumées froides ne montent plus toutes seules…) garantit de très faibles pertes par balayage à l’arrêt du brûleur.
Calorifuge soigné, rendement de combustion élevé, pertes à l’arrêt maîtrisée,… le parent pauvre de l’HVAC a enfin ses lettres de noblesse !
Choix d’un préparateur avec pompe à chaleur
Il existe différentes technologies de pompe à chaleur (PAC) pour la préparation de l’eau chaude sanitaire.
Emplacement de la prise de chaleur (= la « source froide »)
Il est important de placer l’évaporateur de la pompe à chaleur (PAC) dans un milieu chargé de chaleur « gratuite » ! Il n’y a pas de sens à le placer dans un local qui doit être chauffé…
Le placement dans une cave est toujours sujet à réflexions. Faut-il récupérer les pertes de l’installation de chauffage, pertes par des tuyauteries mal isolées par exemple ? La réponse nous semble non. Le refroidissement de la cave par la PAC ne ferait qu’augmenter les pertes du réseau… Si une PAC est placée dans une vieille chaufferie, et qu’une rénovation ultérieure supprime ces pertes, c’est l’investissement dans la pompe à chaleur qui s’en trouve pénalisé…
Le bon réflexe consiste d’abord à limiter les pertes. Et à chercher une véritable source de chaleur « gratuite »
- l’air extrait du bâtiment,
- l’eau du circuit des tours de refroidissement d’une installation de conditionnement d’air,
- l’air rejeté par un process quelconque,
- l’air humide d’une buanderie, d’une piscine,
- l’air d’un local où rayonne un condenseur de machine frigorifique (ici aussi, c’est discutable puisque le condenseur devrait d’abord être déplacé, mais un manque de place ou une nuisance acoustique peuvent justifier ce choix).
- …
On cite un volume de local de 25 m³ au minimum par kW de puissance compresseur installée, mais nous préférons analyser la puissance de la source de chaleur.
Cet emplacement doit être compatible avec le souhait de ne pas s’éloigner des points de soutirages d’eau chaude (cuisines, sanitaires, …). À défaut, il faudra soit utiliser un système « split », soit un appareil muni d’un raccord pour gaine de ventilation.
La réflexion doit inclure l’hiver et l’été, et donc éventuellement prévoir un orifice donnant sur l’extérieur pour la période estivale. Si l’appareil n’est pas en service pendant la période de chauffage, les critères ci-dessous doivent être adaptés.
On évitera les locaux :
- D’entreposage de vivres : la température de surface de l’évaporateur se trouvant généralement au-dessous de la température de rosée de l’air ambiant, celui-ci sera déshumidifié, ce qui peut altérer la conservation des légumes, des fruits, et des bouchons des bouteilles de vin !
- Très poussiéreux qui pourraient provoquer le colmatage rapide de l’évaporateur, par collage sur les lamelles humides.
- D’entreposage des solvants, car le ventilateur peut les diffuser et accroître le risque d’explosion.
- Exposés à un risque de gel, car les conduites pourraient geler en période d’arrêt (dans ce dernier cas, on privilégiera les PAC de type split, avec échangeur statique par exemple, où le transport de chaleur est assuré par le fluide frigorigène lui-même).
Emplacement du condenseur de la PAC
La chaleur de la PAC est fournie au condenseur de la machine. Pour les appareils avec intégration du condenseur dans le ballon d’eau chaude, les exigences suivantes sont requises :
- Respect du choix du fluide frigorigène conformément aux législations en vigueur.
- Aucune addition d’adjuvants quelconques au frigorigène.
- Utilisation de lubrifiants ne présentant aucun danger pour le consommateur d’eau potable.
- Aucun point ou joint soudés, assemblage vissé, … au niveau de l’échangeur entre le fluide frigorigène et l’eau potable.
- Une sécurité élevée contre les dommages par la corrosion.
- Un dispositif automatique de dégazage qui empêchera un dégagement de frigorigène sous forme gazeuse dans les locaux par la conduite d’eau potable.
Il nous semble que le système où le transfert de chaleur est réalisé par un condenseur extérieur disposé tout autour de l’accumulateur d’eau chaude est plus adéquat, toute infiltration du frigorigène étant alors impossible. De plus, suite à la surface importante de l’échangeur, le dépôt de tartre est exclu.
Il existe également des pompes à chaleur pour l’eau chaude sanitaire placée sur le retour de la boucle de circulation. Ce choix permet :
- De sous-dimensionner l’accumulateur (ou tout au moins de ne pas adopter des suppléments de sécurité) puisque la PAC est en réserve.
- De préchauffer le ballon durant la nuit à une température minimale.
- D’arrêter la chaudière en été et de fournir l’eau chaude sanitaire par la seule PAC.
Fonctionnement de jour
Réchauffage de la boucle par la PAC.
- Circulateur de boucle.
- Circulateur de nuit.
- et 4 Clapets anti-retour.
Fonctionnement de nuit
Chauffage du ballon par la PAC.
Utilisation d’eau chaude.
L’ensemble de ces arguments intéressants permettent-ils d’amortir le coût de l’investissement dans un double équipement de production de chaleur ? C’est le calcul à faire !
Appoint ?
Pour diminuer la température de condensation de la PAC (et donc augmenter sa performance), il faut concevoir la PAC comme une source de chaleur de préchauffage jusque 35°C ou 45°C, par exemple. L’appoint serait donné par une deuxième source de chaleur, dans un deuxième ballon en série. Ce n’est pas forcément une résistance électrique pour ne pas diminuer la performance énergétique globale du projet…
Bien souvent on se contente d’un système d’accumulateur mixte, mais la stratification des températures n’est pas parfaite (la résistance chauffera une certaine part du ballon, s’il n’y a pas de grilles de stratification dans le ballon). Plus important, il faut se rendre compte que le ballon de préchauffage est à une température idéale de prolifération de la légionelle. Ce n’est pas grave pour autant qu’il soit suivi d’une réserve à haute température dans laquelle l’eau reste durant un temps suffisamment long (3 heures à 60°C, par exemple, ou 1 heure à 70°).
ll faut donc s’assurer que le débit d’eau de pointe ne génère passage trop rapide dans le 2ème ballon, sans assurer le temps de destruction des bactéries.
Dimensionnement
Le dimensionnement d’un préparateur d’eau chaude sanitaire avec pompe à chaleur est sensiblement identique au dimensionnement d’un chauffe-eau électrique traditionnel.
Pour favoriser le fonctionnement de nuit de la PAC (bas tarif), une majoration du volume de stockage est préconisée. Mais s’il s’agit d’une PAC sur l’air extérieur, cette technique de chauffage de nuit doit être étudiée de plus près car la température de nuit étant plus faible, c’est le COP, coefficient de performance de la pompe à chaleur, qui diminue. Il faut donc comparer (sur base de la documentation du constructeur) la baisse du COP et la baisse du tarif électrique.
Ce raisonnement est aussi fonction du type de source froide : une récupération de chaleur sur l’air extrait se fera essentiellement en journée, par exemple.
Consommation
Le bilan énergétique est directement fonction du COP, coefficient de performance de la pompe à chaleur.
Un COP de 3 signifie que pour 1 kWh électrique consommé au compresseur, on obtiendra 3 kWh au condenseur, c.-à-d. dans le ballon d’eau.
Il est difficile d’obtenir des informations neutres à ce sujet. De nombreux paramètres influencent le bilan final : la température de l’eau sanitaire, la température de la source, le fluide de transfert,… La température de l’eau chaude sanitaire est un facteur prépondérant : comment l’appoint est-il fourni ? comment la gestion de la légionelle va-t-elle influencer ce bilan ?
Ci-dessous, voici l’évolution du coefficient de performance telle que présentée dans une étude suisse réalisée en 1994 pour le compte de l’Office fédéral des questions conjoncturelles (programme RAVEL).
Rappelons que le facteur numéro 1 de consommation restera la quantité d’eau chaude consommée !
Et les légionelles?
À l’heure actuelle, le choix d’une pompe à chaleur comme préparateur d’eau chaude sanitaire devient délicat vu sa difficulté à atteindre des températures de l’ordre de 55 °C minimum nécessaires à la lutte contre la prolifération des légionelles.
Choisir un préparateur d’eau chaude instantané au gaz
Choix de la technologie
Avant toute installation du préparateur d’eau chaude sanitaire au gaz
On devra s’assurer :
- que le local dans lequel doit être installé le générateur est conforme à la réglementation,
- qu’il est suffisamment ventilé si ce n’est pas un appareil à ventouse, et à l’abri du gel,
- que le conduit de fumée sera capable d’évacuer les gaz brûlés ou que les sorties de ventouses respectent la réglementation,
- qu’il n’y a pas d’incompatibilité de tirage avec une installation de ventilation ou une hotte d’extraction,
- que la présence d’un adoucisseur d’eau en amont ne soit pas de nature à affecter la durée de vie du réservoir par la présence du sel dissous.
Puis, parmi les différentes technologies de préparateur instantané gaz, on pourra distinguer différents critères de choix :
Choix d’un appareil étanche ou appareil « à ventouses »
En vue de limiter les risques de mauvaise combustion et de production de CO dans l’ambiance (toxicité très importante), on ne pourrait trop recommander l’appareil « étanche », encore appelé « appareil à ventouses ». Celui-ci fonctionne de façon totalement indépendante du local : l’air est pris à l’extérieur, il participe la combustion puis est rejeté vers l’extérieur par deux tubes concentriques (sortie en façade ou en toiture).
Il est d’usage obligatoire en Hollande.
Accumulateur gaz à ventouse.
- Sortie ventouse en façade.
- Conduit de fumées.
- Coupe-tirage.
- Arrivée d’eau froide (tube plongeur).
- Départ d’eau chaude.
- Habillage à haute isolation.
- Anode magnésium (protection corrosion).
- Réservoir.
- Corps de chauffe.
- Mystère…
- Foyer.
- Socle thermo-isolant.
- Brûleur atmosphérique à rampes inox et régulation pneumatique avec thermostat incorporé.
Aujourd’hui les raccordements ne posent plus de problèmes, puisqu’il existe des appareils à ventouse équipés d’un ventilateur qui règle l’amenée d’air de combustion et l’évacuation des gaz. Ces modèles sont plus chers mais il faut faire le bilan complet, y compris l’absence du coût de construction d’une éventuelle cheminée.
Allumage
On choisira un allumage électronique plutôt que le système dépassé de la veilleuse. Celle-ci consomme en pure perte environ 120 m³ de gaz par an, soit un coût d’environ 40 € par an.
Il existe des veilleuses électroniques dont l’électricité est créée par le passage de l’eau elle-même, ce qui a pour avantage de ne pas devoir raccorder électriquement l’appareil.
Question : la durée d’allumage en est-elle ralentie ?
Les accumulateurs gaz à chauffe rapide
Un compromis entre préparateur instantané gaz et accumulateur gaz peut être trouvé dans les appareils dits « accumulateur à gaz à chauffe rapide ».
Ils peuvent travailler en toute autonomie, ce qui permet de séparer les fonctions chauffage et production ECS.
Leur gros point faible reste le rendement. Si les constructeurs ont amélioré les rendements de combustion et l’isolation de leur matériels, il reste cependant une perte permanente liée à leur fonctionnement « atmosphérique ». Leur foyer est ouvert, donc de l’air ambiant, attiré par la dépression de la cheminée, va balayer l’appareil et refroidir l’eau stockée en permanence. La flamme s’allumera régulièrement rien que pour maintenir l’eau en température.
| Exemple.
Voici la fiche catalogue de l’appareil ci-contre : Capacité : 185 l Puissance utile : 9,18 kW Consommation d’entretien : 5,04 kWh/24 h Sur base des données catalogue, on obtient un assez bon rendement instantané de combustion : 9,18 / 10.2 = 90 % Mais par contre on annonce une consommation d’entretien de 5,04 kWh/24 h. Imaginons que seulement 150 litres d’eau à 45°C soient utilisés. Cela représente une énergie utile de : 0,150 m³ x 1,163 kWh/m³.K x (45 – 10) K = 6,1 kWh Le rendement de stockage devient 6,1 / (6,1 + 5,04) = 55 % Soit un rendement global de 55 % x 90 % = 49,5 % !!! Bien sûr, on a utilisé l’appareil en mode accumulation pure… Si, par contre, on lui fait tirer 2 000 litres d’eau chaude sur la journée, le rendement se rapproche des 90 % annoncés. |
Lors de l’achat, il est très important de vérifier la consommation d’entretien annoncée (ou cachée…) par le fabricant. D’une certaine manière, ces pertes par la cheminée centrale correspondent à celles d’une mauvaise isolation de l’enveloppe.
S’il faut stabiliser la température de l’eau, a priori, il semble que la réserve d’eau doit être dissociée du lieu de production. Il vaut mieux que ce soit la boucle qui dispose d’une réserve d’eau puisque ce ballon peut être bien isolé. On peut alors s’inspirer des schémas de régulation d’un producteur instantané à plaques.
Schéma d’installation
Voici les schémas tels que proposés par Gaz de France (brochure « eau chaude sanitaire collective au gaz indépendante », disponible au Cegibat).
Générateur seul.
- Générateur.
- Vanne d’arrêt gaz.
- Filtre gaz.
- Réducteur de pression.
- Vanne d’arrêt.
- Compteur d’eau.
- Filtre eau.
- Clapet anti-retour.
- Manomètre.
- Soupape de sécurité.
- Purgeur automatique.
- Pompe de bouclage.
- By-pass.
- Raccord isolant.
Générateur avec…
- Générateur.
- Vanne d’arrêt gaz.
- Filtre gaz.
- Réducteur de pression.
- Vanne d’arrêt.
- Compteur d’eau.
- Filtre eau.
- Clapet anti-retour.
- Manomètre.
- Soupape de sécurité.
- Purgeur automatique.
- Pompe de bouclage.
- By-pass.
- Raccord isolant.
- Vanne mélangeuse/mitigeur.
Le choix des tuyauteries de raccordement
Le cuivre s’érode facilement, si bien que de nombreuses particules de cuivre se mettent en circulation, se déposent sur les tuyauteries acier et constituent de nombreuses micropiles enclenchant le processus de corrosion galvanique. C’est une des raisons qui font que l’utilisation du cuivre est proscrite en amont de tuyauteries galvanisées.
Un ballon d’eau chaude sanitaire en acier galvanisé se détériore s’il est raccordé à l’arrivée d’eau de ville par des tuyauteries en cuivre. Si le cuivre est situé en aval de l’acier, il y aura peu de problèmes.
Sécurité des systèmes gaz
Le risque des appareils traditionnels
Les appareils de production d’eau chaude sanitaire fonctionnant au gaz sont à l’origine de nombreux accidents liés à la production de CO. Ce n’est pas la technique qui est en cause mais bien le non respect des règles d’installation et d’utilisation.
Un appareil traditionnel demande une évacuation des gaz brûlés correcte et le respect d’une ventilation suffisante (norme NBN D50-003).
Il sera sensible au bon tirage thermique de la cheminée. Il faut donc que l’étanchéité du local où il est inséré ne soit pas trop importante. Attention à la présence d’une hotte d’extraction d’air dans le local qui risquerait d’inverser le sens du flux d’air dans le conduit de fumées !
Chaque année, près de 300 personnes perdent la vie en Belgique par intoxication au CO… alors que la solution est techniquement si simple : l’appareil étanche.
Réglementation
En ce qui concerne les appareils non étanches, il existe une réglementation visant à limiter au maximum les accidents liés à la production de CO par les appareils instantanés (« chauffe-bains « ) ou chaudières murales combinées.
À partir du 1er janvier 96, seuls les appareils gaz portant un marquage CE peuvent être commercialisés en Belgique.
L’AR du 3 juillet 1992, transposant en droit belge la Directive européenne (90/396/CEE) « Appareils à gaz » du 29 juin 1990 qui constitue la base du marquage CE, autorise la commercialisation en Belgique d’appareils portant ce marquage pour autant qu’ils portent également l’indication CAT 12E+.
Cette indication signifie qu’il s’agit d’appareil fonctionnant uniquement (code 1) au gaz naturel (code 2) L ou H (code E) et ne comportant aucun réglage (appareil réglé en usine une fois pour toute).
Depuis cet AR, une nouvelle catégorie est permise pour les chauffe eau : CAT 12E(s)B. Les appareils de cette catégorie (principalement les chaudières à prémélange) possèdent un réglage possible de la pression de gaz mais celui-ci est scellé et donc non accessible aux utilisateurs.
Concrètement, l’impact direct de ces dispositions dans le domaine des appareils de production instantanée d’eau chaude est le renforcement de la sécurité. En effet, depuis le ler janvier 1996 deviennent obligatoires :
- pour les petits appareils 5 l/min : un dispositif de contrôle d’atmosphère (dans la norme indiqué comme CDA),
- pour les chauffe-bain et les chaudières murales : un dispositif de contrôle de l’évacuation des produits de la combustion (= sécurité de refoulement, appelée aussi TTB d’après la dénomination néerlandaise « thermische terugslagbeveiliging »).
CDA – Contrôle d’Atmosphère ?
Ce dispositif de sécurité doit interrompre l’arrivée du gaz au chauffe-eau type AAS (non raccordé à un conduit d’évacuation des produits de la combustion), avant que ne puisse apparaître, dans le local dans lequel il est installé, un niveau de CO dangereux pour les occupants éventuels (fixé à 100 ppm, ce seuil est totalement inoffensif pour un occupant éventuel du local).
La norme ne prescrit pas comment le fabricant doit réaliser un dispositif CDA. Elle prescrit les performances et les techniques d’essai à utiliser par le laboratoire d’agréation pour juger si la solution technique présentée par le fabricant répond bien à l’exigence de base.
La norme impose également au dispositif une deuxième performance : interrompre l’arrivée du gaz au brûleur en cas d’encrassement de l’échangeur, puisqu’un encrassement éventuel pourrait, à terme, mener à la formation de CO.
TTB – Thermische TerugslagBeveiliging ?
Ce dispositif de sécurité doit interrompre l’arrivée du gaz au chauffe-bain en cas de refoulement des produits de la combustion en quantité dangereuse dans le local où est installé l’appareil (cheminée bouchée ou évacuation dans une zone en surpression, vent refoulant, arrivée d’air insuffisante, extracteur mécanique trop puissant dans le local, …).
Son principe est basé sur un phénomène physique très simple : tout appareil à gaz avec brûleur atmosphérique raccordé à une cheminée doit comporter un coupe-tirage antirefouleur. Celui-ci comporte toujours un orifice par lequel de l’air ambiant du local est aspiré pour diluer les produits de la combustion.
En cas de déficience au niveau du tirage, le phénomène s’inverse et des produits de la combustion chauds sont envoyés dans le local. Il suffit donc de mesurer la température du flux dans cet orifice : en cas de refoulement la température sera nettement au-dessus de la température ambiante.
Il est admis qu’après intervention du dispositif de sécurité, l’appareil redémarre automatiquement mais, dans ce cas, il est exigé un délai d’attente (temporisation) de minimum 10 minutes. Il est clair que si la cause de l’intervention du dispositif persiste, l’appareil se remettra en sécurité après un certain temps. Puis redémarrera, puis se mettra en sécurité et ainsi de suite.
Remarque : en pratique , les fabricants et importateurs belges d’appareils instantanés de production d’eau chaude et de chaudières murales – réunis au sein de la Collectivité du Gaz – ont convenu, depuis le 1er janvier 1994 de ne plus commercialiser que des appareils munis du dispositif de sécurité de refoulement TTB.
D’autre part, et depuis début 1991, ils ne proposent plus que des chauffe-eau d’une capacité de 5 litres/min, raccordés ou non à une cheminée, équipés d’un dispositif de contrôle d’atmosphère CDA.
Sortie des ventouses en façade
Voici ce que dit la réglementation française à ce sujet :
Les orifices d’évacuation des appareils à circuit étanche rejetant les gaz brûlés à travers un mur extérieur doivent être situées à 0,4 mètre au moins de toute baie ouvrante et à 0,6 mètre de tout orifice d’entrée d’air de ventilation.
Ces deux distances s’entendent de l’axe de l’axe de l’orifice d’évacuation des gaz brûlés au point le plus proche de la baie ouvrante ou de l’orifice de ventilation.
Les orifices d’évacuation et de prise d’air des appareils à circuit étanche débouchant à moins de 1,8 mètre au dessus du sol doivent être protégées efficacement contre toute intervention extérieure susceptible de nuire à leur fonctionnement normal.
Les orifices d’évacuation débouchant directement sur une circulation extérieure (voie publique ou privée) à moins de 1,8 mètre au-dessus du sol doivent comporter un déflecteur inamovible donnant au gaz une direction sensiblement parallèle au mur ».(Arrêté du 2 août 1977).
Choisir la robinetterie
Choix de la qualité
On peut intégrer la qualité comme facteur d’économie dans la mesure où les problèmes de fuite ou de dysfonctionnement s’en trouvent minimisés.
Et vu le coût moyen de 5 € du m³ d’eau chaude, le surcoût de la qualité est rapidement amorti. « Il faut être riche pour acheter bon marché », disait ma grand mère…
Mélangeur à 2 robinets ? Mitigeur monocommande ? Mitigeur thermostatique ?
Voici les résultats d’une étude faite dans le cadre du programme Ravel en Suisse.
Ils montrent que la consommation d’énergie est :
- 19 % plus élevée avec un mélangeur à deux robinets pour bain/douche qu’avec un mitigeur thermostatique (consommation supplémentaire d’énergie environ 200 kWh/an).
- 56 % plus élevée avec un mélangeur à deux robinets pour lavabo qu’avec une robinetterie sans contact (consommation supplémentaire d’énergie environ 200 Wh/an, également).
Sur base du prix du kWh, il est possible d’avoir une idée de la rentabilité de l’investissement.
| Eau chaude | % | |
|
Bain |
||
| 64 | 100 | |
| 69 | 108 | |
| – mélangeur à 2 robinets | 76 | 119 |
|
Lavabo |
– | – |
| 16 | 100 | |
| 20 | 125 | |
| 23 | 143 | |
| – mélangeur à 2 robinets | 25 | 156 |
Influence de la robinetterie sur la consommation d’énergie
base : eau chaude à 55°C, eau froide à 15°C.
On peut en déduire une stratégie de choix appliquée à un lavabo :
|
Type de robinetterie |
Consommation d’énergie | Consommation d’eau | Coût | Remarque |
| – mélangeur à 2 robinets | élevée | élevée | faible | simple |
| – mitigeur à monocommande | faible | moyenne | normal | économique |
| – mitigeur thermostatique | moyenne | élevée | élevé | confortable |
| – robinetterie sans contact | faible | faible | élevé | hygiénique |
Cette grille de choix doit encore être confrontée à l’analyse du comportement probable de l’utilisateur. Le robinet d’eau chaude est parfois inutilement actionné, de même que le levier du mitigeur à monocomande est souvent laissé dans une position médiane, même si l’eau chaude n’était pas recherchée…
Cette analyse est partagée par le CSTB en France. Il semble que le mitigeur thermostatique de douche n’apporte surtout des économies que lors du deuxième usage rapproché (rinçage, par exemple). Sur base d’un surcoût moyen de 45 €, ils annoncent un temps de retour de 4 ans dans un usage familial. En usage tertiaire, le temps de retour est donc nettement plus faible.
Le réglage optimum du débit avant celui de la température
Il semble que le facteur numéro 1 de consommation d’énergie soit la quantité d’eau utilisée, avant la température. Donc il faut d’abord chercher à ce que le robinet fournisse juste le débit d’eau nécessaire, et dans un deuxième temps à ce que l’adaptation de la température souhaitée entraîne le moins de consommation d’eau chaude.
L’ergonomie des différents robinets mérite donc une attention particulière, au regard de l’occupation des mains de l’utilisateur. Dans certains cas, les mains étant occupées par un objet (lavage, …), il peut être utile de sélectionner une robinetterie dans l’ouverture est commandée par le genou ou le pied (pédale).
Favoriser l’usage de l’eau froide
Pour favoriser l’usage préférentiel de l’eau froide pour se laver les mains, il est plus aisé de n’ouvrir que l’eau froide avec un mélangeur qu’avec un mitigeur. Aussi, certains fabricants proposent des mitigeurs avec une manette un peu particulière. En effet, la tête céramique est conçue pour que la position centrale corresponde en fait à la position « pleine eau froide » au lieu de la position « eau mitigée ».
Le thermostatique : avant tout un confort renforcé
Le thermostatique amène un confort supplémentaire en terme de stabilité de température, même lorsque la production instantanée entraîne des fluctuations de température de l’eau chaude.
Pour augmenter les économies, il existe également des robinets dont le réglage de base correspond à un débit limité à 40 ou 50 %. Ce n’est que si l’utilisateur veut volontairement obtenir le plein débit, après avoir déverrouillé le bouton « éco » du limiteur, que le débit maximal est fourni.
De plus, les thermostatiques intègrent une fonction de sécurité grâce à un bouton « stop » qui limite la température de l’eau mitigée en sortie à 38°C et permet ainsi d’éviter les risques de brûlure (très utile en milieu fréquenté par des personnes âgées ou des des enfants).
Dans des lieux de soins, la température d’arrivée d’eau chaude est parfois de 60°C au moins pour des raisons d’hygiène. Pour éviter tout risque de brûlure, il est possible d’intégrer un mitigeur de sécurité sous l’évier, en amont du mitigeur normal. Il se pose sur la vanne d’arrêt. Il prérègle la température maximale de sortie, indépendamment des variations de pression et même en cas d’interruption de l’arrivée d’eau froide, d’après le fournisseur.
Le réglage de température est dissimulé sous une coiffe et modifiable via une clé Allen par le technicien.
Enfin, il existe des mitigeurs centralisés pour une zone du réseau.
Choix d’équipements à faible débit
Utilisation des « boutons poussoirs »
La réduction de la durée d’utilisation peut être directe : une robinetterie à fermeture automatique dans les installations publiques permet de diminuer drastiquement la consommation d’eau.
Utilisation des commandes électroniques
Ils régulent le débit d’eau sans aucun contact physique de l’utilisateur, à l’aide d’une technique opto-électronique. Ce n’est que lorsque les mains se trouvent dans la zone de réception du capteur sous le robinet que l’eau est distribuée.
En voici une version,
avec l’alimentation en savon également sous contrôle.
Il existe des modèles raccordés au réseau (très faible consommation mais investissement plus élevé), d’autres avec alimentation par batterie (plus aisé en rénovation mais un bilan est à faire !).
Certains encore disposent d’une auto-fermeture, programmable entre 2 et 60 secondes.
Si l’électronique est présente, elle permet également de présélectionner la température d’eau mitigée.
Et puisqu’on en est à rêver, il existe des modèles de robinets intégrables dans la GTC (Gestion Technique Centralisée) du bâtiment : une alarme se déclenche si l’ouverture reste ouverte trop longtemps, une coupure automatique de tous les robinets du bâtiment est possible d’un seul lieu (début des WE, par ex.), un contrôle interdit une température pouvant provoquer des brûlures (dans un home pour personnes âgées), …
Placement de mitigeurs avec butée
Ce type de robinetterie s’utilise comme un mitigeur classique. Toutefois, un point « dur » ou une butée délimite les 2 zones de fonctionnement : une zone économique (de 0 à 6 litres/min environ) et une zone de confort (jusqu’à environ 12 litres/min). Le surcoût de cette technique « point dur à franchir » est négligeable et donc le temps de retour est immédiat.
Placement de « mousseurs »
Un mousseur est un régulateur de débit qui réduit la section de passage en fin de robinetterie et/ou qui crée un mélange air/eau. Il participe en même temps à la performance acoustique du robinet. Il permet par exemple de réguler un débit maximum de 6 ou 8 litres/minute. Un mousseur revient environ à 5 €.
Dans la pratique, on se rend compte que des foyers de légionelles peuvent se retrouver au niveau des mousseurs; raison pour laquelle dans beaucoup d’institutions les mousseurs ont été enlevés.
On rencontre aussi ce type de réducteur de débit dans des « douchettes économes » : soit une manette permet de réduire le débit, soit un effet de « nuage d’eau » est créé. Attention au fait que ce type de douchette peut accélérer le phénomène d’aérosolisation, et donc une sensibilité plus grande à la contamination par la légionelle.
Ces équipements terminaux modifient la courbe de réglage en température. La mise en place d’une perte de charge supplémentaire diminue « l’autorité » de la vanne. Si l’évolution est au départ linéaire, la perte de charge finale limite la zone de réglage de la température sur une bonne partie de la plage angulaire.
Problème commun à tous ces équipements : le calcaire !
L’entartrage de ces équipements est un problème si l’eau est particulièrement chargée en calcaire. Un entretien régulier des équipements (vinaigre, produit de type « Viakal », …) ou un adoucissement de l’eau avant son chauffage peut être nécessaire.
Les douchettes avec picots sont donc à privilégier : un simple grattage des picots permet alors de décoller les dépôts.
Certains mousseurs se présentent comme spécialement étudiés pour réduire le dépôt de calcaire.
Tous ces équipements devront pouvoir être facilement démontables et nettoyables.
Choix du mécanisme de vidange des WC
Il ne s’agit pas d’eau chaude… donc pas d’économie d’énergie potentielle. Cependant, c’est le premier poste permettant de réduire la consommation globale d’eau du bâtiment : nous allons donc faire une exception !
Les WC sont référencés par la taille de cuvette. Si autrefois, les cuvettes avaient une capacité de 9 à 10 litres, les cuvettes de 6 litres sont aujourd’hui courantes. Mais différents appareils permettent une économie d’eau supplémentaire par rapport aux cuvettes 6 litres :
Le WC à double commande
- Un bouton délivre 3 litres, l’autre 6 litres.
- Coût moyen : 120 € (pour le pack complet).
- Économie estimée : 4,5 m³ sur l’année par personne, par rapport à une cuvette 6 litres sans double commande, pour un usage familial.
- Temps de retour : 6 mois en usage familial, donc nettement moins en usage tertiaire.
Variante : il existe des systèmes qui peuvent être interrompus où une première pression sur le bouton de chasse permet l’enclenchement alors qu’une seconde pression permet l’arrêt de l’écoulement.
Les cuvettes avec accélérateurs de débit
- Cette fois, c’est de 2,5 à 4 litres qui sont nécessaires, l’accélérateur de débit permettant de conserver toute son efficacité au siphon. L’économie d’eau passe à 67 % par rapport à une cuvette de 9 litres.
- Coût moyen de l’accélérateur : de 270 € à 840 €.
- Économie estimée : 9 m³ sur l’année par personne, par rapport à une cuvette 6 litres sans double commande, pour un usage familial.
- Temps de retour : 22 mois en usage familial, donc nettement moins en usage tertiaire.
- Application : tout immeuble de 4 étages maximum.
Certains de ces équipements ont reçu un « avis technique » du CSTB (France).
Remarque : ces différents appareils peuvent être sensibles au calcaire qui peut perturber le bon fonctionnement du mécanisme ou du robinet. Les fuites ne sont pas toujours bien visibles. Il convient donc de fermer le robinet d’arrêt situé en amont du réservoir de temps en temps afin de vérifier que le niveau d’eau dans le réservoir ne diminue pas.
Prédimensionner une installation sanitaire tertiaire
Objectif : un ordre de grandeur réaliste
La difficulté de l’évaluation pour un bâtiment neuf
Idéalement, l’installation se dimensionne se base sur le profil de puisage (quantité d’eau puisée en fonction du moment de la journée) le plus critique.
Or la constitution de ce profil de puisage n’est pas évidente dans un bâtiment neuf puisque l’on ne connaît pas encore son mode de fonctionnement. Tout au plus connaît-on les équipements sanitaires et peut-on imaginer des scénarios réalistes.
Le bureau d’études, soucieux de garantir le confort à 200 %, prend alors de fortes sécurités. Lors des audits d’installation, il n’est pas rare de rencontrer des ballons de stockage 2 à 3 fois plus volumineux que nécessaire.
Avec la conséquence que l’on imagine sur les pertes de stockage…
La possibilité de réajuster le tir dans un bâtiment existant
Dans les bâtiments existants, il est possible de connaître précisément le mode d’utilisation, moyennant le placement d’un compteur sur la fourniture d’eau chaude. Le coût de ce dernier est en général souvent vite remboursé par l’économie d’investissement lors du remplacement du matériel et par l’économie d’énergie qui résulte d’un dimensionnement plus strict.
Malgré cela, peu d’installateurs prennent la peine de passer par cette étape. C’est donc au gestionnaire de l’imposer.
Pas de méthode normalisée pour les bâtiments tertiaires
En Belgique, il n’existe malheureusement pas de méthode normalisée de dimensionnement des installations d’eau chaude sanitaire. Il existe seulement une Note d’Information Technique du CSTC, basée sur la norme allemande DIN 4708, qui présente le moyen de définir le profil de puisage d’un immeuble à appartements en fonction du nombre de logements.
Il n’existe pas « un » volume de stockage possible
Il existe une infinité de solutions :
- depuis le ballon de stockage capable durant la nuit de préparer l’eau chaude de toute une journée,
- jusqu’à l’échangeur instantané qui ne stocke rien à l’avance,
- en passant par toutes les solutions intermédiaires de ballons tampons qui gèrent la pointe et se rechargent en cours de journée par un échangeur interne.
Il est possible de checker l’ordre de grandeur
En se fixant des hypothèses de départ, la démarche développée ci-dessous permet de fixer un ordre de grandeur réaliste pour les équipements.
Le profil de puisage
La connaissance de la quantité d’eau chaude puisée est indispensable pour dimensionner correctement l’appareil de production, quel que soit le système choisi.
Il existe trois méthodes pour établir le volume puisé dans un bâtiment :
Il existe trois méthodes pour établir le volume puisé dans un bâtiment :
- Les profils typesOn peut se référer à des statistiques de consommation établies sur des bâtiments identiques.
On appliquera souvent cette méthode pour les bâtiments neufs. - Le recensement des points de puisage
On peut répertorier les points de puisage, leur débit nominal et leur période d’utilisation d’après les statistiques disponibles.
Des exemples de débits pour des points de puisage typiques peuvent être utilisés.
Ce recensement est à réaliser avec énormément de prudence. En effet, le risque de surdimensionner largement le système est important si on n’établit pas un scénario d’utilisation simultanée des différents points de puisage. - Le comptage des consommations réelles
La méthode idéale est de mesurer la consommation réelle d’eau chaude. Cette méthode sera la plus adaptée dans le cadre de rénovations dans le secteur tertiaire.
Une campagne de mesures au moyen de compteurs d’eau, soit sur l’alimentation des différents points de puisage ou appareils consommateurs, soit sur l’alimentation en eau froide de l’appareil de production existant, met à l’abri de tout sur ou sous-dimensionnement du système.
| Uniformisation des températures de l’eau chaude puisée :
La température de l’eau puisée varie en fonction du type de puisage. Aussi, pour permettre l’addition de volumes puisés à des températures différentes, les volumes Vx à une température Tx seront convertis en volumes d’eau équivalents à 60°C par l’expression suivante : V60 = Vx Dans cette expression, 10° représente la température moyenne de l’eau froide Si la température de l’eau puisée est inconnue, on considérera :
Si les volumes puisés sont mesurés par compteur sur l’alimentation en eau froide de l’appareil de production : |
Coefficient d’efficacité « a » du ballon de stockage
Lorsque de l’eau chaude est puisée, de l’eau froide envahit le bas du ballon, le haut restant disponible pour l’utilisation suivante.
Mais dans certains cas (ballon horizontal, retour de la boucle dans le ballon, …), un mélange d’eau chaude et froide se produit, si bien que de l’eau à 35 … 40°C se forme. Cette eau est inutilisable. La température du ballon ne peut descendre en dessous de la température minimum de distribution de l’eau (par exemple, la température de distribution est de 45°C, pour assurer 40°C à tous les points de puisage). Le volume du ballon nécessaire pour offrir le même confort sera alors nettement supérieur.
Moyennant une construction adéquate de l’appareil, la stratification dans le ballon est optimale et l’énergie exploitable du ballon est maximum. Dans ce cas, on considère qu’au moment où le ballon ne fournit plus le confort adéquat aux utilisateurs, la température de l’eau est proche de la température de l’eau froide, à savoir 10°C.
Ainsi, le volume d’un ballon avec bonne stratification peut être inférieur au volume d’un ballon où il y a mélange intégral entre l’eau froide et l’eau chaude de plus de 50 %, pour un même confort fourni à l’utilisateur ! Ceci est illustré dans le graphe ci-dessous, où deux ballons, un avec bonne stratification (a = 0,9), l’autre avec un mélange important(a = 0,5), sont vidés en parallèle, l’eau chaude étant remplacée par de l’eau à 10° et aucune source de chaleur ne réchauffant le stock.
Température de l’eau fournie par deux ballons en fonction du temps de puisage.
L1 = limite de confort pour un ballon avec mauvaise stratification
L2 = limite de confort pour un ballon avec bonne stratification.
Dans les calculs, pour tenir compte du degré de stratification des ballons, on considère une température minimum possible du stock de 10° et on y associe un coefficient d’efficacité ‘a’. Dans la plupart des cas courants, celui-ci prend une valeur de 0,8 à 0,95 (bonne stratification), ce qui signifie que 80 à 95 % du volume réel du ballon est utilisable pour la température voulue. Si on se trouve dans le cas d’un ballon avec mélange important, ‘a’ peut descendre jusqu’à 0.45.
Préparation instantané
Un système de production d’ECS instantané ne comporte pas de volume de stockage. Son dimensionnement consiste à déterminer la puissance du générateur (production directe) ou de la chaudière et de l’échangeur (production indirecte).
En pratique, cette puissance correspondra à la puissance nécessaire pour subvenir aux besoins maximum en 10 minutes.
Etape 1 : Énergie maximum puisée en 10 minutes
Il s’agit de déterminer le volume d’eau maximum (équivalent à 60°C) puisé en 10 minutes durant la journée la plus chargée de l’année. Le volume d’eau chaude puisé a été déterminé. L’énergie maximum puisée en 10 minutes via l’eau chaude est alors donnée par la formule :
Einst = 1,16 x V60inst x (60° – 10°) / 1 000
avec,
- Einst = énergie puisée maximum en 10 minutes en kWh
- V60inst = volume maximum, puisé en 10 minutes, exprimé en litres, ramené à 60°.
- 1,16 / 1 000 = coefficient de correspondance (capacité thermique d’un litre d’eau)
- 10° = température de l’eau froide
Etape 2 : Puissance de la production
La puissance (en kW) de l’échangeur (ou du générateur) équivaudra à
Puissance = Einst x 6 + Pdis
avec,
- Pdis = pertes dans le réseau de distribution. Dans le cas d’une boucle de distribution, il s’agit de la puissance de maintien en température de celle-ci.
| Un petit logiciel permet d’estimer ces pertes de distribution. |
| Exemple.
Les sanitaires comportent 10 douches. La demande de pointe maximum est basée sur le fonctionnement simultané de 6 douches. Chacune d’entre elles ayant un débit instantané de 10 litres/min, on estime la demande à 600 litres en 10 minutes à 40°C. Cette demande est convertie en demande à 60°C : 600 x (40 – 10) / (60 – 10) = 360 litres On en déduit l’énergie correspondante : 1,16 x 360 X (60 – 10) / 1 000 = 20,88 kWh/10 minutes Et donc la puissance : 20,88 x 6 = 125,28 kW |
Préparation par accumulation pure
Dans ce cas, l’entièreté des besoins journaliers est stockée. Le stock est reconstitué durant la nuit.
Étape 1 : Énergie puisée durant la journée
Le volume d’eau chaude maximum (équivalent à 60°) puisé durant la journée la plus chargée de l’année a été déterminé. L’énergie puisée via l’eau chaude est donnée par la formule :
Eacc = 1,16 x V60acc x (60° – 10°) / 1 000
avec,
- Eacc énergie puisée durant une journée entière en kWh
- V60acc volume d’eau chaude total puisé durant une journée, ramené à 60°C, en litres
- 1,16/1 000 coefficient de correspondance (capacité thermique d’un litre d’eau)
- 10° température de l’eau froide
Étape 2 : Volume de stockage et puissance de l’échangeur
Le volume du ballon de stockage est donné en litres par :
Volume = 
avec,
- T°ec = température de l’eau du ballon
- 10° = température de l’eau froide
- a = coefficient d’efficacité du stockage
La puissance de l’échangeur, donnée en kW par la formule suivante, permet de reconstituer le stock d’eau chaude en 6 ou 8 heures.
Puissance = 
avec,
- 0,9 = coefficient de majoration pour tenir compte des pertes de stockage durant la période de reconstitution du stock.
- Pdis = pertes dans le réseau de distribution. Dans le cas d’une boucle de distribution, il s’agit de la puissance de maintien en température de celle-ci.
| Un petit logiciel permet d’estimer ces pertes de distribution. |
On prendra en général, une puissance minimum de 10 à 12 W/Litre de stock.
| Exemple.
Les sanitaires comportent 10 douches. La demande maximum est estimée sur base de 50 douches/jour. Chacune d’entre elles générant 40 litres à 40°C, on estime la consommation journalière à 2 000 litres. Cette demande est convertie en demande à 60°C : 2 000 x (40 – 10) / (60 – 10) = 1 200 litres on en déduit l’énergie correspondante : 1,16 x 1 200 X (60 – 10) / 1 000 = 69,6 kWh/jour et donc le volume de stockage : 69,6 x 1 000 / 1,16 x (60 – 10) x 0,9 = 1 333 litres |
Préparation en semi-accumulation/semi-instantané
Deux situations peuvent se présenter :
1° Les besoins sont continus et l’installation peut être décrite par de puisage « critique »
Dans le premier cas, il est possible d’utiliser une méthode du type de celle développée dans la norme IN 4708 ou dans le guide n°3 de l’AICVF. Le principe consiste à établir la courbe représentant les besoins maximum consécutifs que l’on peut rencontrer. On en déduit l’ensemble des couples « puissance – volume de réservoir » qui permettent de satisfaire ces besoins.
| Pour accéder à la description détaillée de la méthode. | |
| Pour accéder au logiciel de calcul. |
2° Les besoins sont discontinus, l’installation doit vaincre un débit de pointe sur un temps donné
Dans ce cas, bien que la méthode présentée ci-avant reste évidement d’application, une méthode algébrique simple est possible. Cette méthode n’est applicable que si l’on admet l’hypothèse qu’aucun puisage n’est effectué entre deux pointes et que le stock d’eau chaude est reconstitué durant cette période. L’appareil est évidement dimensionné pour satisfaire la pointe la plus critique.
C’est le cas par exemple dans les halls de sport où les douches sont utilisées durant 10 minutes toutes les heures, aucun puisage n’étant effectué durant les 50 minutes intermédiaires.
La méthode repose sur deux équations,
1. Énergie puisée via l’eau chaude = Energie contenue dans le stock + Energie fournie par l’échangeur durant le puisage.
1.16 x V60 x (60° – l0°) = 1.16 x a x V x (Tec – 10°) + (tp – 3) x P x 16,7
où,
- V60 = volume puisé durant la période la plus critique, ramené à 60°C (en litres)
- V = volume du ballon de stockage (en litres)
- Tec = température de l’eau stockée (en °C)
- 10° = température de l’eau froide et température minimale que peut atteindre le stock tout en garantissant le confort (en °C)
- a = coefficient d’efficacité du ballon de stockage
- tp = temps de puisage (en minutes)
- 3 = temps d’attente entre le début du puisage et la mise en action de l’échangeur : 3 minutes en production directe et 5 minutes en production indirecte
- P puissance de l’échangeur (en kW)
- 16,7 = facteur de conversion d’unités
2. Energie fournie par l’échangeur durant la période de reconstitution du stock = Energie nécessaire pour augmenter la température du stock jusqu’à la température maximum de stockage
tr x P x 16,7 = 1.16 x a x V x (Tec – 10°)
où,
- tr = temps de reconstitution du stock entre 2 pointes de puisage (en minutes)
Ceci permet de déterminer directement :
Volume de stockage : V = 
Puissance de l’échangeur : P = 
Comme on le voit, cette méthode ne donne qu’une seule possibilité de choix d’appareil, contrairement à la première méthode qui débouche sur plusieurs solutions possibles et donc permet une optimalisation du choix.
| Pour accéder au logiciel de calcul. |
| Exemple.
La période de pointe maximum est de 770 litres à 60°C en 20 minutes. Le stock doit être reconstitué en 30 minutes pour satisfaire la demande suivante. Le coefficient d’efficacité est de 0,9. La température de l’eau stockée est de 60°C. On obtient un volume de 546 litres et une puissance de 57 kW. |
Exemple : le dimensionnement d’une école
 Une école comprend :
Remarque : pour simplifier l’exemple, il ne sera pas tenu compte dans le calcul des puissances des pertes de distribution et de stockage. |
Profil de puisage
1. La salle de gym
Les lundi, mardi, jeudi, vendredi, les 8 douches fonctionnent simultanément et en continu (vanne d’ouverture commune) pendant 10 minutes après chaque cours (de 9h30 à 12h30 et de 14h30 à 16h30).
Les mercredis après-midi, les activités sportives organisées par l’école, impliquent le même type de fonctionnement.
Le soir, la salle de gym est occupée par des clubs sportifs. La location de la salle se fait à l’heure (de 19 à 22h00).
Profil de puisage du gymnase.
Chaque heure, c’est 640 litres à 45°C qui sont puisés, soit 448 litres à 60°C.
2. L’internat
Les équipements sanitaires de l’internat sont utilisés le matin et le soir. Tous les jours de la semaine sont semblables. Le week-end, l’internat est vide.
L’internat n’est pas occupé durant les vacances scolaires (pas de groupes extérieurs logés).
Après observation, on a déterminé que :
- Le matin, seulement 2 douches au maximum sont utilisées pendant 10 min. Les 6 lavabos fonctionnent simultanément en continu pendant 10 min.
- Le soir, les 5 douches fonctionnent en continu pendant 20 min. Seulement 3 lavabos simultanément sont utilisés pendant 20 min. Cela représente une demande de 385 litres à 60°C/10 minutes, durant 20 minutes.
Profil de puisage de l’internat.
3. La cuisine
Les repas chauds du midi sont fournis par un service traiteur.
Seul le lave-vaisselle est donc consommateur. Il fonctionne 1 fois par jour après le repas de midi.
Profil de puisage de la cuisine.
4. Profil de puisage total
Si l’appareil de production d’eau chaude sanitaire doit satisfaire les besoins des 3 groupes d’utilisateurs précédents, il doit satisfaire le profil de puisage repris ci-dessous.
Profil de puisage total en litres à 60°C.
Dans ce profil, l’ensemble des consommations sont ramenées à 60°.
Remarque : nous ne discutons pas ici de l’opportunité de scinder la production D’ECS en unités distinctes et indépendantes. Ni de la pertinence de garder un système où toutes les douches coulent en même temps ! On dira que c’était pour avoir un profil plus simple à présenter !
Profil de l’énergie puisée et courbe des besoins consécutifs
1° Préparation semi-instantanée ou en semi-accumulation.
Méthode des besoins continus.
Dans un premier temps, on essayera de satisfaire la période de puisage la plus critique.
Le dimensionnement de l’appareil de production pour cette période permettra de définir une puissance et un volume capable de satisfaire n’importe quelle autre demande de la journée.
La période la plus critique s’étale de 19 à 20h. Durant cette période, le maximum d’eau consommée
- en 10 minutes = 448 l à 60° ou 26 kWh
- en 20 minutes = 385 + 385 l à 60° ou 45 kWh
- en 30 minutes = 385 + 385 l à 60° ou 45 kWh
- en 40 minutes = 385 + 385 l à 60° ou 45 kWh
- en 50 minutes = 448 + 385 l à 60° ou 48 kWh
- en 60 minutes = 448 + 385 + 385 l à 60° ou 71 kWh
Le stock doit être reconstitué avant 20h50 pour satisfaire la demande suivante.
On peut déduire de ce profil d’énergie puisée une courbe des besoins consécutifs.
Courbe d’égale satisfaction des besoins
En introduisant le profil de consommation dans le logiciel d’évaluation de la puissance et du volume du réservoir en semi-accumulation (sur base du profil de pointe), on obtient la courbe d’égale satisfaction des besoins. Il est possible de choisir n’importe quel couple Puissance-Réservoir. Plus la puissance est faible, plus le volume du réservoir doit être important.
2° Préparation semi-instantanée ou en semi-accumulation.
Méthode des besoins discontinus.
Appliquons les formules :
V = 
P = 
On considère ici deux pointes :
a.A 19h, consommation de 2 x 385 l à 60° en 20 minutes, le stock est reconstitué en 30 minutes.
- tp 20 min.
- tr 30 min.
- V60 770 1
- Tec 60°
- a = 0,9
On obtient V = 546 l et P = 57 kW
b.A 19h50, consommation de 448 l à 60° en 10 minutes; le stock est reconstitué en 50 minutes
- tp 10 min.
- tr 50 min.
- V60 = 448 l
- Tec = 60°
- a = 0,9
On obtient V = 436 l et P = 27 kW
On retiendra donc les résultats du point a.
3° Préparation instantanée.
Le débit instantané maximum en 10 min. est de 448 litres d’eau à 60°C.
L’appareil de production instantanée doit avoir une puissance de :
pour pouvoir fournir 448 l d’eau à 60° en 10 minutes.
4° Préparation en accumulation pure.
Le volume total puisé par jour est de 3 000 litres à 60°
ceci équivaut à une énergie puisée de :
3 000 (60° – 10°) / 1 000 = 174 kWh
Le volume du ballon de stockage devra donc être de :
174 1 000 / a 1.16 (Tec – 10°)
Si on choisit Tec = 60° et a = 0,9, le volume de stockage égale 3 300 litres.
La puissance de l’échangeur nécessaire à la reconstitution du stock en 8h (sans tenir compte des pertes de distribution et de stockage) égale :
174 kWh / 8h = 22 kW
Faut-il additionner les puissances de chauffage du bâtiment et de l’ECS ?
La chaudière est surdimensionnée 364 jours par an puisqu’elle est calculée pour vaincre la pire période froide de l’année (- 10°C, température extérieure de base, arrivant 1 jour par an, en moyenne établie sur 30 ans).
Mais il faut imaginer ce qui se passerait ce jour là !
Tout est fonction du rapport des puissances en jeu.
Dans le cas d’une école, les seuls besoins d’eau chaude sanitaire sont ceux du réfectoire. Et encore, le lave-vaisselle chauffe son eau de façon indépendante.
Dans ce cas, la mise en route du chauffage de l’eau chaude n’entraînera aucune perturbation du fonctionnement du chauffage du bâtiment et il ne faut pas prévoir de supplément de puissance.
- Et s’il s’agit d’un hôpital ? Les besoins en eau chaude sanitaire sont constants. Il faut envisager le moment où il ferait – 10°C. Le chauffage devra se superposer à la fourniture de l’eau chaude : les puissances devront s’additionner.
Tentons de définir un critère chiffré :
Imaginons que le bureau d’études se base sur les déperditions des locaux pour définir la puissance des radiateurs (–> + 5 % dans le choix du radiateur dans le catalogue), qu’il additionne toutes ces puissances pour définir la puissance chaudière, qu’il applique un coefficient de relance (+ 20 % environ) pour disposer d’une surpuissance le lundi matin. On suppose qu’il installe 2 chaudières reprenant chacune 60 % de la puissance totale, mais qu’il ne cumule pas les + 20 % correspondants avec celle de la relance.
On voit qu’il n’est pas du tout irréaliste de penser que le surdimensionnement atteint 25 %, au pire moment. Et que donc, tant que la puissance du chauffage de l’ECS ne dépasse pas 25 % de la puissance, aucun supplément ne doit être installé.
On pourra toujours rétorquer que s’il fait – 10° et que c’est un lundi matin …
Méditons sur notre propension à dimensionner nos équipements pour le cas qui arrive une fois par siècle… et à son lien avec la pollution de nos villes.
Choisir le réseau d’eau chaude sanitaire
Conception du réseau
Organisation générale du réseau
Dès le départ du projet, il est utile de se poser quelques questions de base :
- L’apport d’eau chaude est-il nécessaire ? Par exemple, ne faut-il pas considérer comme superflu l’apport d’eau chaude aux lavabos des immeubles de bureaux ?
- La disposition des locaux sanitaires est-elle suffisamment concentrée (juxtaposition ou superposition) ?
- La production d’eau chaude est-elle située « au milieu » des différents points de puisage, afin de diminuer le temps d’attente, et peut-être de pouvoir éviter le placement d’une boucle de circulation ?
- La place réservée dans les gaines techniques est-elle suffisante pour placer correctement l’isolation thermique ?
- Faut-il prévoir un compteur spécifique sur le réseau d’eau chaude sanitaire ? Faut-il prévoir des décompteurs par zones au sein du bâtiment ? (en se basant sur l’idée de rapprocher le consommateur du payeur…)
- …
L’arrivée des préparateurs avec cheminée « ventouse » permet aujourd’hui de reposer la question de l’emplacement du préparateur d’eau chaude sanitaire. Il n’est plus impératif de l’installer en sous-sol, à grande distance des utilisateurs, mais bien au contraire, de faire circuler une conduite de gaz dans le bâtiment et de produire l’eau localement.
Adaptation des températures
Comme température de consigne, les températures suivantes sont jugées suffisantes :
- Soin corporel : environ 45°C
- Douche collective : environ 40°C
- Cuisine domestique : environ 50°C
- Cuisine professionnelle : environ 60°C
- Désinfection (boucherie) : jusqu’à 90°C
Pour faire face à ces demandes différentes, on peut imaginer deux logiques différentes
- Préchauffer l’ensemble à 45°, par exemple, et prévoir des appoints terminaux.
- Ou régler la consigne sur la demande la plus élevée et concevoir une adaptation de température pour les autres demandeurs par robinetterie mitigeuse.
Le contrôle du développement de la légionnelle vient trancher en faveur de la deuxième solution puisque voici les recommandations du CSTC à ce sujet :
- L’eau chaude doit être produite à une température de 60°C; on évitera qu’elle reste durablement dans le chauffe-eau à une température moindre.
- L’eau doit être maintenue à 55°C au moins en tout point du réseau principal.
- Il est interdit de laisser stagner de l’eau chaude ou de l’eau froide : les bras morts (y compris les vases d’expansion sanitaires, par exemple) ou peu utilisés sont donc à éviter.
Une température élevée ne sous-entend pas forcément une consommation plus élevée, mais induit un renforcement de l’isolation et une nécessité de prévoir des robinets mitigeurs au point de puisage pour éviter les brûlures.
On peut même imaginer qu’une décontamination régulière puisse avoir lieu. On pense tout particulièrement à une installation de douches publiques (piscine, salle de sports,…). Le CSTC imagine que chaque soir le réseau puisse être porté automatiquement à haute température, avec un rinçage par ouverture de robinets commandés à distance. Le schéma d’un traitement de ce type est repris ci-dessous
-
- Régulateur.
- Compteur.
- Soupape de sécurité.
- Clapet anti-retour.
- Robinet de douche normal.
- Robinet de désinfection actionné par la régulation.
À noter qu’un tel recours fréquent à une décontamination thermique de choc dans des installations en acier galvanisé augmente le risque de corrosion lorsque les températures sont nettement supérieures à 60°C.
| Réflexion.
Ne sommes-nous pas en train d’exagérer ces mesures de précaution ??? Nous avons visité une piscine où les ballons et la boucle étaient maintenus en permanence à 80°C + un rinçage chaque soir ! Vu les débits permanents assurés dans les douches toute la journée, les bactéries auraient du mal à se développer. Par contre, le risque de brûlure en cas de défaillance du mitigeur (calcaire…) nous paraît plus réel… De l’eau à 80°C peut provoquer une brûlure du 2ème ou 3ème degré, selon l’intensité du jet ! Le principe d’une décontamination par montée à haute température (70°C, par exemple) une fois toutes les 3 semaines, et à une période d’inoccupation nous paraît plus logique. Il suffit que la régulation le prévoie. |
Attention aussi au réseau d’eau froide !
Toujours pour lutter contre le développement de la légionelle, il y a lieu d’éviter le réchauffement des conduites d’eau froide (développement dès que la T° dépasse 25°C). Elles seront posées à des distances suffisantes des conduites de chauffage central ou d’eau chaude. Il s’agit là d’une motivation supplémentaire à bien isoler les tuyauteries d’eau chaude.
Eviter également des configurations critiques comme des conduites d’eau froide passant près de radiateurs.
Appareil de contrôle de la corrosion
Tubes témoins ou « manchettes de contrôle ».
En France, le DTU 60.1 impose la présence d’un tube témoin :
-
-
- sur l’arrivée d’eau froide si aucun traitement d’eau n’est pratiqué,
- en aval de chaque appareil de traitement d’eau,
- sur le retour de boucle, le cas échéant.
-
L’idée nous paraît pertinente pour une bonne gestion des installations mais nous ne connaissons pas la pratique à ce sujet dans notre région.
Placement d’un filtre à tamis
Il s’agit d’un appareil qui retient les impuretés contenues dans l’eau.
Filtre à tamis.
Prévoir un éventuel traitement chimique de l’eau ?
En vue de faciliter un éventuel futur traitement chimique de l’eau contre la légionelle, il peut être opportun d’insérer dès le départ une « bouteille d’injection par déplacement » (homes, hôpitaux, …).
Vase d’expansion ?
Les vases d’expansion en dérive sur les réseaux d’eau chaude sanitaire n’ont plus la cote aujourd’hui… because légionelle bien sûr ! C’est en effet un ballon d’eau stagnante dont la température est propice à la prolifération de cette bactérie (T° de chaufferie > 25°C). On lui préfère un vase d’expansion isolé et parcouru par l’eau chaude.
Choix du matériau de distribution
Acier galvanisé
Il s’agit de tuyauteries d’acier recouvertes d’une couche de zinc qui lui sert de protection cathodique anti-rouille.
Dans la NIT 145, le CSTC recommande cependant de favoriser la formation d’une fine couche protectrice calcaire dans les tuyaux en acier galvanisé, afin que le zinc ne soit pas trop rapidement éliminé, ce qui entraînerait une corrosion de l’acier (apparition d’eau brune). Dans un diagramme, il précise la dureté de l’eau à conserver en fonction de l’acidité de l’eau (pH), si un adoucisseur d’eau est installé.
Il précise également toutes les conditions de mise en œuvre à respecter lors de l’installation du réseau (assemblages, filtres, dégazage, …).
Une attention toute particulière est apportée à la présence de métaux différents dans les réseaux. Ainsi, il est interdit de placer les éléments en cuivre (tubes, réservoirs, échangeurs) en amont de tubes ou d’équipements en acier. Ces éléments de cuivre doivent donc être également absents de tout réseau bouclé. En effet, le cuivre s’érodant facilement, de nombreuses particules de cuivre se mettent en circulation, se déposent sur les tuyauteries acier et constituent de nombreuses micropiles enclenchant le processus de corrosion.
Comme la haute température de l’eau favorise la corrosion, que la rouille est un endroit poreux où le biofilm vient se développer et que dans le biofilm se développe la légionelle, l’acier galvanisé n’est plus recommandé aujourd’hui pour le transport de l’eau chaude sanitaire dans une installation équipée de douches.
| Pas d’appareil en cuivre suivi d’une conduite en acier : | Pas de boucle en cuivre : |
|
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| Pas de conduite en cuivre en amont des conduites en acier : | Schéma correct : |
|
|
|
Cuivre
La NIT 154 du CSTC propose bon nombre de « recommandations pour l’installation des tubes en cuivre pour la distribution d’eau sanitaire ». Elle recommande notamment :
- de régler l’adoucisseur d’eau sur un minimum de 15°F afin que l’eau ne soit pas « agressive », c’est à dire trop douce,
- de choisir les métaux qui serviront à la brasure en fonction des spécificités du cuivre,
- de prévoir des espaces de dilatation pour les tuyauteries lors des montées en température,
- …
Matériau synthétique
L’évolution de la demande vers :
- la dissimulation des canalisations,
- la réduction du temps de pose (pas de soudure à haute température nécessitant des postes oxyacétyléniques),
- l’atténuation des niveaux sonores,
- la réduction des risques de corrosion (aucun risque de couple électrolytique),
a favorisé le développement des matériaux de synthèse.
Les techniques de mise en œuvre évoluent rapidement. Ainsi il est, par exemple, possible de dérouler des tubes de diamètres 12, 16 ou 20 directement calorifugés dans les gaines techniques.
Choisir une canalisation en matériaux de synthèse est fonction des critères suivants :
- économie (coût du matériau, de l’outillage, de la mise en œuvre et de la rapidité d’installation),
- esthétique (dissimulation des canalisations),
- acoustique,
- durabilité en fonction de la nature de l’eau distribuée,
- exploitation (maintenance et réparation rapide).
Voici les principales matières synthétiques utilisées en eau chaude sanitaire :
| Symbole | Matière |
| (PB) | Polybutylène |
| (PP) | Polypropylène |
| (PER) | Polyèthylène réticulé |
| (PVC-C) | Polychlorure de vinyle surchloré |
| Exemples de choix possibles (d’après CFP).
Mise en œuvre de matériaux de synthèse lorsque les eaux sont agressives :
Solution permettant une uniformité de matériau :
Solution mixte pour éviter les diamètres supérieurs à 50 mm :
D’après les Revues CFP (Chaud-Froid-Plomberie) de mai et juin 2002, qui contiennent d’excellentes informations techniques sur les différents matériaux de synthèse. |
Lors de la réception, la norme française DTU 60-1 impose une mise en charge des canalisations à une pression supérieure de 5 bars à la pression de service, sans dépasser la pression d’épreuve de chaque matériau. Mais la plupart des fabricants de canalisations synthétiques préconisent d’effectuer des essais de pression suivant la norme DIN 1988 plus contraignante. Une inspection visuelle est obligatoire avant la mise en pression car ce type de matériau est plus sensible à des dommages en cours de chantiers (par des objets tranchants).
Critère de développement de la légionelle
La présence d’un biofilm sur les parois de la tuyauterie favorise la prolifération de la légionelle. Mais les avis divergent sur le choix de la tuyauterie qui en découlerait :
- D’une part, il apparaît que les tuyauteries en métal, et tout particulièrement en cuivre, retardent mieux le développement du biofim et donc la colonisation bactérienne, par rapport aux tuyaux en matière synthétique. Le téflon et le PEDF seraient les meilleurs matériaux organiques dans ce domaine. Quant au PVC, il semble à l’inverse plus favorable à la création du biofilm (source revue CFP-février 2000);
- D’autre part, l’AICVF (Recommandation 2004) relate l’avis du Conseil Supérieur d’Hygiène Publique à revenir sur ses positions en considérant que :
- les matériaux tels que les BP, PP, PER et PVC-C ne favorisent pas systématiquement la formation du bio-film;
- le cuivre n’agit pas toujours comme un agent bactéricide.
- Par contre, la rouille est un lieu d’adhérence et de développement du biofilm, ce qui rend l’usage de l’acier galvanisé peu adéquat…
Les joints en caoutchouc sont eux-aussi plus sensibles au dépôt de bactéries.
Par rapport à la lutte anti-légionelles, les matériaux utilisés doivent pouvoir résister à certains traitements chimiques ou thermiques tels que la chloration ou le choc thermique (température de l’ECS > 60 °C) :
| Matière | Avantages | Inconvénients |
| Acier galvanisé |
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| Cuivre |
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| Polybutylène (PB) |
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| Polypropylène (PP) | ||
| Polyèthylène réticulé (PER) | ||
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Polychlorure de vinyle surchloré (PVC-C)
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Dimensionnement des conduites d’alimentation des points de puisage
Un dimensionnement qui limite les temps d’attente
Si les diamètres des conduits d’alimentation des points de puisage sont importants, l’attente de l’eau chaude peut être longue… et coûteuse.
| Pour estimer le temps d’attente lié au choix du réseau, cliquez ici ! |
| Exemple d’impact de la conception sur le temps d’attente au point de puisage.
Distribution en série
Distribution en étoile
Une configuration en étoile permet de diminuer le temps d’attente grâce à la diminution du diamètre. Généralement, un tracé direct dans la dalle permet encore une réduction des longueurs. Cet exemple montre également que la distance à ne pas dépasser entre le distributeur et un lavabo ou une douche est de l’ordre de 6 à 7 m. |
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Les temps d’attente recommandés
La recommandation Suisse (SIA 385/3) précise les délais d’attente au soutirage suivants
|
Délais d’attente au soutirage |
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| Éviers de cuisine | 7 s |
| Lavabos | 10 s |
| Douches | 10 s |
| Baignoires | 15-20 s |
Les critères de dimensionnement
En matière énergétique, le choix du diamètre des tuyauteries de distribution vers les points de puisage n’a qu’une faible influence sur les pertes de chaleur.
Dans le dimensionnement, on sera attentif à plusieurs points :
- Évaluer le débit en phase de soutirage de pointe.
- Adopter une perte de charge maximale après le compteur (ou le réducteur de pression général) de 1,5 bar.
- Maintenir une pression d’eau d’écoulement minimum à la prise d’eau la plus éloignée de 1 bar.
- Choisir un diamètre intérieur minimum de 10 à 16 mm, en fonction du matériau de la conduite.
- Assurer une vitesse d’écoulement dans les conduites comprise entre 1,5 et 2 m/s.
Boucle de distribution d’eau chaude ?
Avec ou sans boucle ?
Chaque point de puisage est raccordé à la conduite de distribution à partir du producteur d’eau chaude. En cas de soutirage, il s’écoule donc d’abord de l’eau froide avant que le robinet ne délivre de l’eau chaude (inconfort). Et après l’arrêt du robinet, l’eau chaude restera bloquée (perte énergétique). Enfin, la légionelle pourrait se développer dans ces bras « morts » à eau tiède : on parle d’imposer réglementairement une boucle sur toute branche de plus de 5 m de longueur ou de plus de 3 litres de contenance en eau. À défaut, un rinçage automatique doit être organisé.
La solution consiste à faire circuler l’eau en permanence dans une boucle de distribution, boucle qui parcourt le bâtiment. L’eau chaude est toujours à proximité de chaque point de puisage, ce qui permet à l’utilisateur d’obtenir rapidement de l’eau à bonne température.
Mais la perte permanente de chaleur par la tuyauterie est non négligeable ! Une forte isolation de la tuyauterie est indispensable.
| Pour calculer la perte énergétique annuelle d’une tuyauterie, cliquez ici ! |
Pour comparer les pertes entre les 2 solutions, le calcul est simple mais dépend fortement de la fréquence d’utilisation.
En fait, la boucle se justifie pour des usages entre les deux extrêmes suivantes :
- Si les puisages sont très réguliers et si la tuyauterie est bien isolée, le temps d’attente de l’eau chaude est faible, ainsi que la perte énergétique. Par conséquent, la boucle n’est pas nécessaire;
- De même, pour alimenter une fois par semaine les douches des vestiaires, ce n’est pas la peine de mettre une boucle permanente, ni même d’isoler !
> Alternative 1 : établir une sorte de compromis entre les 2 situations ? on augmente les bras morts et donc le risque de légionellose…
Alternative 2 : dédoubler les postes de production en les rapprochant des consommateurs (par exemple, un poste pour le réfectoire et un poste pour les sanitaires) et établir 2 circuits de distribution indépendants. Il faut analyser si l’on ne perd pas alors l’avantage de la non simultanéité des besoins : une réduction de la puissance installée.
Remarques.
- La présence dune boucle de retour rend plus complexe le comptage des consommations des différents consommateurs (en vue dune redistribution des coûts).
- La boucle de retour détruit la stratification des températures dans la partie supérieure du ballon. S’il s’agit d’un ballon électrique chauffé durant la nuit, il faut éviter la mise en place dune circulation. Si elle est cependant nécessaire, un post-chauffage sera nécessaire hors de l’accumulateur. C’est la solution du réchauffeur de boucle électrique. Il entraîne des consommations en électricité non négligeables, et en bonne partie au tarif de jour. En pratique, l’eau de circulation est raccordée sur des thermoplongeurs, à démonter et détartrer une fois par an.
Réchauffeur électrique de boucle.
Si boucle : débit de retour limité et régulé !
| 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 seulement les pertes de chaleur mais n’assure pas le débit d’eau d’alimentation d’un équipement.
Globalement, différentes qualités sont nécessaires au projet :
- Un tracé le plus court possible des conduites.
- Une isolation soignée des tuyauteries.
- Une disposition la plus haute possible du retour de circulation dans le ballon.
- Un diamètre de conduite limité pour la tuyauterie de retour.
- Un circulateur de boucle d’une très faible puissance. Le calcul du débit d’eau de circulation est basé sur le fait que les déperditions totales de la tuyauterie (entre le départ et le retour) n’entraînent pas une chute de température totale de plus de 5 K (déperditions = débit x cap.therm.eau x delta T°). On en tire le débit… qui sera très faible. Puis on dimensionnera la section du retour sur base d’une vitesse maximum de l’eau de 0,5 m/s, tout en conservant un minimum de 0,2 m/s.
- La programmation possible d’un arrêt total de la circulation en période d’inoccupation (tout en respectant les prescriptions en matière de protection contre le développement des légionelles). Si malgré tout un usage fortuit apparaissait durant la nuit, l’eau chaude arriverait au point de puisage après quelques secondes d’attente.
- La remise en route de la circulation programmée juste en fin de la période de chauffe à bas tarif pour les ballons électriques (car l’arrivée du « paquet d’eau froide » perturbe la stratification et réenclenche le chauffage).
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.
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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.
Pompe de circulation. 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. |
Si boucle : température de distribution contrôlée !
La lutte contre la légionelle génère les conséquences suivantes (source CSTC) :
- L’eau chaude doit être produite à une température minimale de 60°C; on évitera qu’elle reste durablement dans le chauffe-eau à une température moindre.
- L’eau doit être maintenue à 55°C au moins en tout point du réseau principal.
- Dans un système de distribution avec recirculation, la température de retour ne peut jamais être inférieure à 55°C. Par ailleurs, la chute de température entre le point de départ et le point de retour à l’appareil de production d’eau chaude ne peut dépasser les 5°C : si l’eau quitte l’appareil de production à 60°C, la température de retour devra être de 55°C au moins.
Si la production de chaleur est réalisée à une température plus élevée que 60°C, la pose d’une vanne 3 voies modulante, encore appelée « mitigeur », permettra d’abaisser cette température dans le réseau.
Mitigeur électrique et mitigeur thermostatique.
Générateur avec :
- Générateur.
- Vanne d’arrêt gaz.
- Filtre gaz.
- Réducteur de pression.
- Vanne d’arrêt.
- Compteur d’eau.
- Filtre eau.
- Clapet anti-retour.
- Manomètre.
- Soupape de sécurité.
- Purgeur automatique.
- Pompe de bouclage.
- By-pass.
- Raccord isolant.
- Vanne mélangeuse/mitigeur.
En passant de 65 à 55°C, les pertes du réseau de tuyauteries seront réduites de 22 %, et les risques de brûlure seront également moindres !
Alternative : le ruban chauffant (= traçage) ?
Des cordons chauffants peuvent être placés sur le réseau. Ils sont généralement auto-régulants, c’est à dire que leurs résistances électriques augmentent avec la température
–> lorsque l’eau chauffe, la résistance électrique augmente et le courant électrique diminue.
À défaut, la température doit être contrôlée par thermostat sur chaque tronçon équipé.
Les défenseurs de cette solution mettent en évidence qu’il ne faut maintenir que les pertes d’une seule conduite (pas de retour) et que la consommation de la pompe est évitée. C’est exact. A isolation de conduite égale, le bilan est positif en faveur du ruban chauffant par rapport à une boucle de circulation. Bien dimensionné, le ruban consomme environ 60 % de la consommation de la boucle.
Mais les pertes d’une conduite de retour de faible diamètre et la consommation d’une petite pompe ne peuvent compenser le fait que le réchauffage se fait alors avec de l’électricité directe chère (tarif de jour, voire de pointe), et donc avec une consommation en énergie primaire triple.
En énergie primaire et en coût, la solution reste à l’avantage de la boucle de circulation lorsque la production de chaleur est réalisée sur base de gaz ou de fuel.
De plus, pour les réseaux principaux en matériaux synthétiques posés sur chemin de câble, il est facile de poser un retour d’eau chaude en créant des points fixes à chaque colonne sur la vanne et le té de réglage. Les bouclages sanitaires en tube de synthèse semblent dès lors plus économiques en fourniture et pose qu’une installation avec des cordons chauffants électriques.
Dans tous les cas, il sera très utile de placer un délesteur pour interrompre la charge durant les heures de pointe (limiter la pointe de puissance du bâtiment).
Dimensionnement et programmation
Un ruban chauffant, entouré d’une bonne isolation thermique, doit être dimensionné sur base de 7 W/m. Et donc l’isolation doit être telle que seulement 7 W/m seront perdus par l’isolant (= besoin de 3 cm d’isolant pour un tuyau d’1 pouce, par exemple).
Ici à nouveau, un fonctionnement intermittent est requis, grâce à une horloge stoppant l’alimentation électrique du ruban en dehors des périodes d’occupation.
Alternative : la pompe à chaleur sur la boucle de retour ?
Il est possible également d’assurer le chauffage de l’eau de retour par une pompe à chaleur (PAC). Ce choix permettrait :
- de sous-dimensionner le ballon (ou tout au moins de ne pas adopter des suppléments de sécurité) puisque la PAC est en réserve,
- de préchauffer le ballon durant la nuit à une température minimale,
- d’arrêter la chaudière en été et de fournir l’eau chaude sanitaire à elle-seule.
Fonctionnement de jour
Réchauffage de la boucle par la PAC.
- Circulateur de boucle.
- Circulateur de nuit.
- et 4 Clapets anti-retour.
Fonctionnement de nuit
Chauffage du ballon par la PAC.
Utilisation d’eau chaude.
L’ensemble de ces arguments permettent-ils d’amortir l’investissement dans une double installation de production de chaleur ? C’est le calcul à faire ! Mais il semble que ce soit bien difficile…
De plus, est-il prudent de placer une pompe à chaleur sur le retour de la boucle de circulation sachant qu’elle ne pourra pas travailler à un régime de température de 55 °C minimum (prévention des légionelles oblige). La réponse est bien entendu négative !
Isolation des conduites
1 m de tuyau en acier de 1 pouce de diamètre, non isolé, dans lequel circule de l’eau chaude à 70°C et qui parcourt une ambiance à 20°C a une perte équivalente à la consommation dune ampoule de 60 W.
Or cette ampoule, si elle restait allumée toute l’année dans la chaufferie, il est fort probable que quelqu’un l’éteindrait, parce qu’elle est bien visible …
Priorité : isoler la boucle de circulation
Étant maintenue à haute température en permanence, la boucle de circulation présente des pertes considérables.
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 |
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Température de l’eau |
Conduite extérieure (température ambiante : 0°C) |
Conduite intérieure (température ambiante : 15°C) |
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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, cliquez ici ! |
Les vannes jouent également un rôle important et seront isolées en conséquence (en première approximation, on dit que les pertes dune vanne sont similaires à 1 mètre de tuyauterie du même diamètre).
On pense bien entendu au parcours dans les locaux non chauffés et les gaines techniques mais également au parcours dans les 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 en période de forte chaleur.
En absence de boucle, isoler aussi les tuyauteries d’alimentation des points de puisage
Contrairement à une idée reçue, l’isolation thermique des tuyauteries vers les différents points de puisage reste toujours utile :
- Si les soutirages sont rapprochés (moins de 2 heures), 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 !)
Mais attention : ces branches sans boucle constituent des bras morts propices au développement de la légionelle. La nouvelle réglementation flamande n’autorise qu’une longueur maximale de 5 m et une contenance en eau de 3 litres.
Isoler les conduites d’eau froide ?
Dans certains cas, il apparaît que de l’eau froide peut être en contact avec une source de chaleur (conduites d’eau chaude dans une gaine technique, stagnation en chaufferie ou en cave à haute température, citerne tampon pour l’alimentation des hôtels,…), au point que la température de l’eau peut y dépasser les 25°C qui sont propices au développement de la légionelle. Le CSTC recommande dans ce cas une isolation des conduits. Nous vous recommanderions d’analyser d’abord le renforcement de l’isolation de la source de chaleur !
Intégration d’un système de comptage des consommations
Objectif
Responsabiliser le consommateur, sensible à l’état de son portefeuille… Une enquête en Suisse a montré que le placement de compteurs individuels dans un immeuble à appartement diminue la consommation d’eau chaude de 25 à 30 %.
En Suisse toujours, la réglementation impose le placement dans tout bâtiment neuf (abritant au moins 5 preneurs de chaleur) d’appareils enregistreurs des consommations individuelles.
Technique de comptage
Ce souci de comptage influencera le concepteur vers une solution décentralisée de son système de production. Et dans ce cas, la mesure des coûts peut directement être réalisée sur base des énergies consommées.
Dans les autres cas, des décompteurs pourront être placés avant la répartition vers les utilisateurs d’un même groupe et après la boucle de circulation. Le schéma appelé ci-dessus « de compromis » permet d’atteindre plus facilement cet objectif. Mais il n’est pas conforme aux principes de la lutte anti-légionelle…
La valeur obtenue par calcul théorique de l’énergie consommée :
Quantité de chaleur [kWh] = quantité d’eau [m³] x 1,16 [kWh/m³.K] x (T°eau chaude- 10) [K]
doit être divisée par le rendement de production de l’eau chaude sanitaire.
Il existe d’ailleurs deux techniques possibles :
- Soit entacher chaque m³ consommé dune part proportionnelle des pertes à la production.
- Soit considérer que les pertes à la production sont inhérentes à la fourniture du premier litre d’eau chaude et que donc il s’agit d’une consommation de base payée par tous.
Si production d’ECS combinée au chauffage
Si la production d’eau chaude sanitaire est combinée à la production de chauffage, il est possible :
- Soit de placer un compteur sur l’arrivée d’eau froide alimentant le chauffe-eau,
- Soit d’évaluer sa part de consommation en extrapolant la consommation d’été. Cette évaluation est légèrement trop élevée puisque, durant l’été, l’eau chaude sanitaire porte seule la part des pertes éventuelles de maintien en température de la chaudière.
La consommation totale doit ensuite être divisée vers les consommateurs sur base d’un ratio le plus pertinent possible : le nombre de personnes, le nombre et le type d’équipement (voir débits typiques d’un équipement), la surface (immeuble à appartements), …
Remarque.
Un organe d’arrêt sera prévu de part et d’autre du compteur pour faciliter les révisions.