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Rendement d’une installation solaire thermique

Rendement d'une installation solaire thermique

Rendement d’un capteur solaire

Le rendement d’un capteur est le rapport entre la chaleur utile (Q3) transmise au fluide et le rayonnement solaire incident (E0) :

n = Q₃ / E₀ [-]

Cette chaleur utile Q₃ est définie par le bilan des apports solaires utiles et des pertes thermiques :

Q₃ = E₀ – E₁ – Q₂ – Q₁ [MJ]

Les apports solaires utiles : E₀ – E₁ [MJ]

Ils représentent la part du rayonnement solaire réellement absorbée par le capteur. Ils dépendent des propriétés optiques du capteur (telles que l’absportivité de l’absorbeur et la transmissivité du vitrage).

Ils s’expriment selon la relation : E₀ * ατ

Avec :

α [-] : facteur d’absorption de l’absorbeur.
_τ [-] : facteur de transmission du vitrage.

Les pertes thermiques : Q_{1 +} Q2 [MJ]

Dépendant des propriétés d’isolation thermique du capteur, elles sont définies par la relation: Q_th= K* ∆T

Avec :

K [W/m²K] : coefficient de déperdition thermique du capteur.
∆T : T°capt – T°amb.

Le rendement d’un capteur : n = Q₃/E₀ [-]

n = ατ- (K*∆T / E₀) [-]

L’efficacité d’un capteur dépend donc de ses caractéristiques thermiques (diminution des pertes) et optiques (augmentation des apports solaires utiles).

Courbe de rendement normalisée

La norme européenne (EN 12975) définit le rendement d’un capteur sur base de trois paramètres permettant de qualifier le comportement thermique du capteur : Son rendement optique n₀ , et deux coefficients de déperdition thermique a₁ et a₂.

Rendement optique n₀

Le rendement optique n₀ représente le rendement maximum du capteur lorsque la température du fluide est à température ambiante (pas de pertes thermiques). Il s’agit donc de la partie maximale de l’énergie solaire qui peut être captée. Mesuré dans des conditions standardisées de test (spectre AM 1,5, 1 000 W/m², perpendiculaire au capteur), il dépend des propriétés du vitrage et de sélectivité de l’absorbeur. Cette relation est établie comme suit : n₀ = ατF

Avec :

α [-] : facteur d’ absorption de l’absorbeur, compris entre 0,9 et 0,96.
τ [-] : facteur de transmission du vitrage, compris entre 0,88 et 0,91.
F [-] : facteur de rendement du capteur, compris entre 0,92 et 0,97.

Exemple de rendement optique pour différents types de capteurs :

* 75-85 % capteur plan ;
* 90-95 % capteur non vitré ;
* 75-85 % tube sous vide à absorbeur sur cuivre ;
* 50-70 % tube sous vide à absorbeur sur verre.

À l’heure actuelle, les fabricants utilisent généralement des verres « anti-reflet » extra clairs. Pauvres en fer, ils présentent une meilleure transmission lumineuse.

Coefficients de déperdition thermique

Les coefficients de déperdition thermique dépendent de la qualité d’isolation des capteurs :

a₁ [W/m². K] : coefficient linéaire de transfert thermique, généralement compris entre 1,2 et 4.
a₂ [W/m². K²] : coefficient quadratique de transfert thermique, généralement compris entre 0,005 et 0,015.

Conformément à la norme, le rendement du capteur est alors donné par la formule suivante :

n = n₀ – (a₁*∆T / E₀) – (a₂* ∆T² / E₀) [-]

Avec :

E0 : 1 000 W/m².
∆T = T°capt – T°amb

Représentation de la courbe de rendement associée. (exemple avec un n₀=0.8 ; a₁= 4 [W/m². K]; a₂ = 0.015 [W/m². K²])

N.B. : Sur cette courbe apparaît la température de stagnation du capteur (dans l’exemple 133°) définie comme la différence de température à laquelle les gains solaires ne peuvent compenser les pertes thermiques. À ce moment, le rendement du capteur est nul.

Calculs

La page calcul comprend notamment ce tableur permettant le calcul de la courbe de rendement théorique en fonction de la température d’un capteur solair en fonction de ses propriétés optiques

Influence de la puissance du rayonnement solaire

Les différentes courbes de rendement sont conventionnellement établies pour une puissance de rayonnement de 1 000 W/m². Or, en réalité, l’ensoleillement varie considérablement au fil du temps (de 0 la nuit à 1 000 W maximum en plein soleil). La courbe de rendement en est modifiée de la sorte :

Influence sur la courbe de rendement d’une variation de l’intensité du rayonnement solaire.

Influence du delta de température

La différence de température entre l’absorbeur et l’extérieur génère des pertes thermiques. Plus cette différence de température est importante, plus les pertes le sont aussi. Pour une puissance de rayonnement et une inclinaison donnée, le point de fonctionnement du capteur se situera donc sur une courbe dont la pente et la courbure sont déterminées par ses coefficients de déperdition thermique.

Influence de l’angle d’incidence

L’inclinaison du capteur et la position du soleil influencent le rendement du capteur. Selon l’angle d’incidence, la transmission du rayonnement solaire au travers du vitrage sera modifiée. En effet, au moins les rayons sont perpendiculaires au capteur, au plus la composante réfléchie du rayonnement est importante. Le rendement en est donc diminué.

Cette diminution est décrite par un facteur d’angle Kθ ou IAM, en général donné par les fabricants. En pratique, on constate que ce facteur varie relativement peu pour des angles d’incidence inférieurs à 50°.

Influence sur la courbe de rendement d’une modification importante de l’angle d’incidence par rapport à une situation de départ où l’angle d’incidence est perpendiculaire au capteur.

Rendement instantané

En fonctionnement, le rendement du capteur se déplacera donc continuellement (on parle alors de rendement dynamique) sur une multitude de courbes résultantes des différents phénomènes cités ci-dessus. Le schéma suivant illustre ce comportement :

En conclusion, on retiendra qu’un capteur est d’autant plus performant :

qu’il fonctionne à une température proche de la température ambiante (delta T° faible).
==> Travail à basse température idéal ;
que l’irradiation est importante
==> Orientation et inclinaison adaptée.

Une étude allemande a montré qu’en fonctionnement, le rendement annuel des capteurs pour l’eau chaude sanitaire peut atteindre 50 %.

Rendement d’une installation

Le rendement de l’installation complète ne dépend évidemment pas du seul rendement des capteurs.

Des pertes thermiques se produiront lors du stockage de l’eau chaude, lors des transferts des fluides caloporteurs entre les capteurs et le ballon solaire, et entre le ballon et les différents points de puisage.

Ces différentes pertes sont considérablement influencées par différents paramètres comme la longueur et la section des tuyaux. On veillera donc à en limiter l’impact par des longueurs de tuyauteries minimisées et une isolation adéquate.
Différentes simulations dynamiques ont montré que le rendement moyen d’une installation bien conçue tourne autour de 30 – 40 %. Globalement, l’irradiation avoisinant en Belgique les 1000 kWh/m².an, on capte donc près de 300 à 400kWh/m².an soit l’équivalent énergétique de 30 à 40 litres de fuel par m² et par an. C’est notre puits de pétrole à nous!

L’influence de la fraction solaire

Le choix de la fraction solaire, fraction représentant la part de l’eau chaude sanitaire que l’on souhaite produire par le solaire, a une influence non négligeable sur le rendement global annuel de l’installation.

Le phénomène est le suivant :

Si l’on veut dimensionner une installation pour qu’elle puisse fournir de l’eau chaude les jours de luminosités réduites, les surfaces nécessaires peuvent être considérables. Parfois, principalement en hiver, la luminosité est même insuffisante pour permettre toute production. Dans ce cas, on n’a pas d’autre choix que le recours au système d’appoint utilisant une énergie conventionnelle.
Or, cette superficie nécessaire pour les jours de luminosité médiocre peut être superflue en été. En effet, une superficie plus importante permet d’atteindre plus vite la quantité d’eau à la température voulue. Mais que se passe-t-il une fois le ballon chargé ? Rien ! Le capteur ne fonctionne plus, il « chôme » ! Le temps de fonctionnement annuel des capteurs est alors réduit.
En résumé, plus la fraction solaire est élevée plus le taux d’utilisation, est lui, réduit.

Un taux d’utilisation réduit signifie aussi une production surfacique (kWh par m² de capteurs) réduite (pertes thermiques induites par le surdimensionnement par rapport aux besoins estivaux combiné, et un fonctionnement à haute température plus fréquent).

La relation entre la surface de capteurs et la productivité de l’installation n’est donc pas linéaire. La courbe qui suit illustre bien le phénomène : Les premiers kWh sont les plus faciles à produire alors qu’il sera presqu’impossible de rendre l’installation autonome (asymptote horizontale !).

Superficie de capteurs nécessaire en fonction de la fraction solaire et rendement correspondant.

En conséquence : au plus la fraction solaire voulue sera grande, au plus le rendement global de l’installation sera faible !
Cette conclusion ne doit cependant être prise telle quelle : il ne faut pas oublier que l’énergie solaire est une énergie gratuite, renouvelable et totalement non polluante !

Idée : On pourrait imaginer étendre la production estivale d’eau chaude à d’autres usages (piscine ou bassin extérieur,…) ou pour générer du froid (c’est l’idée des recherches actuelles sur la climatisation solaire). L’utilisation de ce surplus potentiel permettrait d’utiliser efficacement l’installation plutôt que de la laisser « chômer » !

Un autre moyen de valoriser ce surplus énergétique est le stockage intersaisonnier de l’énergie produite ! Actuellement, la recherche se tourne principalement vers des grands volumes de stockage (dans le sol par exemple) ou vers des matériaux à changement de phase.

Posted By : 25 Sep, 2007

Légionellose

La « legionella pneumophila » : sa vie, sa mort

Il s’agit d’une bactérie. Sa transmission se réalise par inhalation d’aérosols (gouttelettes de 1 à 5 microns) et contamination des poumons. On pourra donc être contaminé en prenant une douche mais pas en buvant un verre d’eau, puisque la bactérie ne survit pas dans l’estomac !

Les pathologies

Dans moins de 5 % des cas, elle provoque une pneumonie avec un taux de mortalité de 10 à 20 %, mais dans 90 % des cas, on parlera d’une grippe, ce qui est plus bénin.

En Belgique, en 1999, 195 cas ont été rapportés, dont 2 cas majeurs : 5 morts parmi plus de 100 personnes hospitalisées après une visite à la foire de Kapellen (contamination par les émanations d’un bain à bulles) et 1 mort parmi les 7 personnes contaminées par le réseau d’eau chaude sanitaire d’un hôtel en Ardennes.

Croissance et température

Au départ, il y a une bactérie par m³ qui entre dans le bâtiment par le réseau d’eau de ville.

La croissance de la bactérie est nulle sous 20°C (état latent). La croissance a lieu entre 25 et 45°C, avec un optimum entre 32 et 42°C : à cette température, leur nombre double toutes les 3 à 4 heures ! On considère que pour de l’eau maintenue entre 25 et 45°C, la contamination est sans risque durant les 2 premiers jours, de risque faible entre 2 jours et une semaine, de risque élevé au delà d’une semaine.

On notera que l’on ne détecte pas de légionelles pour T°eau >= 58°C en permanence (Journal of Hospital Infection, Vol. 37, Issue 1, p 7-17).

L’unité de mesure est le CFU/l = le nombre d’unités formant colonies par litre d’eau (de l’anglais Colony Forming Units par litre).

Destruction

Théoriquement à 50°C, 90 % des bactéries présentes meurent dans les 2 à 6 heures. A 60°C, 90 % des bactéries présentent meurent dans les 5 minutes. A 80°C, 90 % des bactéries meurent dans les 30 secondes. Du moins, dans les conditions de laboratoire (= en suspension dans l’eau).

Mais en réalité, elles peuvent exceptionnellement résister jusqu’à 80°C. En effet, elles créent des colonies dans les amibes, plus résistantes à la chaleur. Et les installations d’eau chaude sanitaire sont tapissées d’un dépôt visqueux, le biofilm, composé de micro-organismes, dont les amibes… Au sens strict, un choc thermique n’est donc totalement efficace qu’à partir de 80°C.

Les désinfectants quant à eux ne sont jamais efficaces à 100 %.

Enfin, le temps de réinfection d’un système sain est inconnu. Les mesures de prévention sont donc cruciales.

Légionelle et équipements techniques

Les équipements responsables

Sont considérés comme des équipements à risque : les installations d’eau chaude sanitaire (via les douches), les tours de refroidissement des installations de climatisation (via la pulvérisation de microgoutelettes d’eau), les bains à remous et jacuzzis, …

Toutes les zones où l’eau à tendance à stagner sont critiques : zone inférieure des grands ballons de préparation (surtout si pas d’isolation du fond), bras morts des installations de distribution, …

Les systèmes d’humidification du conditionnement d’air (« bacs laveurs« ) ne sont par contre pas concernés car leur température est trop basse (10 à 15°C).

Si les chauffe-eau électriques domestiques sont parfois contaminés, ce sont les grandes installations qui sont généralement les plus sensibles (étude CSTC : 40 % des grandes installations, de type immeubles à appartements, piscines, homes, hôpitaux,…). Le problème est beaucoup moins fréquent en domestique (une étude hollandaise a montré que 6 % des installations étaient contaminées)…

Les réservoirs à basse température

Certains systèmes sont particulièrement concernés : pompe à chaleur et chauffe-eau solaire puisque la performance de ces systèmes sous-entend de travailler à basse température.

Il faut sans doute privilégier les installations avec doubles réservoirs en série, le premier assurant un préchauffage de l’eau, le deuxième assurant la montée à la température de 65°C minimum. Mais il faut que l’eau reste dans ce deuxième ballon un temps suffisant. Il ne faudrait pas qu’en période de soutirage de pointe, le post-chauffage de l’eau soit trop bref et que de l’eau contaminée soit envoyée dans le réseau.

Question (à laquelle nous n’avons pas de réponse) : que se passe-t-il si l’eau préchauffée est envoyée dans un préparateur instantané ? Le temps de chauffage dans le préparateur est-il suffisant pour tuer les légionelles ? … Il faut probablement post-chauffer à une température de 70°C ou 80°C pour éviter tout risque. Ou alors contrôler très régulièrement la teneur en légionelle du ballon de préchauffage.

L’influence de la corrosion des tuyauteries

La bactérie croît en présence de nutriments : fer, calcium, carbone (AOC), manganèse, magnésium, …

Elle se loge tout particulièrement dans certains « habitats » :

dépôts de boues, de calcaire, de produits de corrosion,
biofilm (micro-organismes) sur la face interne des réservoirs et tuyauteries,
eau stagnante.

On en déduit qu’un réseau de tuyauterie d’acier rouillé devient une installation « à risque » (la sortie « d’eau brune » au robinet après un arrêt de l’installation est un signe de corrosion de l’acier galvanisé).

Les recommandations du CSTC pour l’eau chaude sanitaire

Les principes à poursuivre sont les suivants :

Eviter la stagnation (bras morts des réseaux).
Garder en continu les systèmes à une T° > 55°C.
Eliminer les zones tièdes dans les ballons de stockage.

Voici les recommandations du CSTC :

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.
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.
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.
Les installations doivent être entretenues régulièrement; à cet effet, les appareils de production d’eau chaude seront dotés des ouvertures nécessaires.
Les branchements « morts » sur le réseau de distribution ne pourront dépasser 15 m et avoir un volume d’eau supérieur à 3 litres((Lutte contre le développement des légionelles dans les installations sanitaires neuves – Meilleurs techniques disponibles – décembre 2021 » du CSTS/Buildwise (voir P15) )).
Le fond des ballons doit être correctement isolé. Si nécessaire, un dispositif de recyclage interne du ballon doit être organisé (réinjection dans le bas du ballon de l’eau chaude extraite en partie supérieure). À défaut, une purge régulière de l’eau stagnante du fond peut être organisée.

Une remontée périodique de la température ?

Pour limiter la consommation énergétique tout en évitant la contamination, il pourrait être question d’appliquer des augmentations temporaires et périodiques de la température. Certains fabricants de matériels de régulation proposent par exemple des régulateurs dont la fonction anti-légionelle prévoit une montée en température à 70° ou 80°C une fois par semaine.

Peut-on pour autant abaisser la température de production ?

Les dernières études du CSTC((B. Bleys, O. Gerin, K. Dinne,THE RISK OF LEGIONELLA DEVELOPMENT IN SANITARY INSTALLATIONS, Rehva 2018 Conference)) sur le sujet montrent que :
– partant d’une température de production de 45°C, une remontée hebdomadaire d’une heure à 60°C ne permet pas de maintenir le développement des bactéries sous 1.000 kve/l.
– partant d’une température de production de 45°C, une remontée hebdomadaire d’une heure à 65°C n’a donné des résultats positifs que moyennant un rinçage simultané d’une demi-heure de tous les points de puisage du circuit pendant la remontée. Ce rinçage est très gourmand en eau et en énergie, et requiert potentiellement une puissance de chauffe supérieure aux capacités de l’installation.

Ces résultats ont été obtenus sur une installation de production d’eau chaude sanitaire réelle mais en conditions favorables (dimensionnement adéquat, absence de bras morts, usage régulier de tous les points de puisage,…). Il est raisonnable de croire qu’ils sont plus favorables que ce qui peut être observé dans des installations anciennes ou moins bien conçues.

Les études continuent pour déterminer les températures minimales adéquates pour garantir l’efficacité de ces remontées périodiques de température dans des scénarios d’abaissemetn des temépratures de production. En attendant, la prudence demande de respecter une température de production suffisamment élevées (départ > 60°C, retour > 55°C).

Traitements de désinfection

La désinfection thermique de choc (« heat and flush »)

Il s’agit d’un rinçage de chaque point d’eau avec de l’eau à une température de 60°C durant 30 minutes ou 70°C durant 4 minutes. C’est une technique relativement simple si l’eau peut être chauffée à température et si les pertes de chaleur dans les conduits restent limitées. Cela nécessite du personnel qualifié et demeure difficile à mettre en œuvre dans les homes et hôpitaux à cause du fonctionnement 24h/24 (risque de brûlure). Il n’est pas toujours techniquement possible d’y arriver : si tous les robinets sont ouverts, le débit risque d’être trop grand et la production ne pourra plus suivre. également, il y a lieu de vérifier au préalable si cela ne va pas entraîner de dégâts à l’évacuation (résistance limitée à la chaleur des tuyauteries d’évacuation …). Il reste à vérifier l’inexistence de bras morts dans le réseau.

Cette technique peut être automatisée dans certains types de bâtiment (piscines, complexes sportifs, douches au travail, …) : chaque soir le réseau est porté automatiquement à haute température, avec un rinçage par ouverture de robinets commandés à distance.

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.

On sera attentif au fait que la boucle de circulation soit correctement équilibrée (branches mal desservies…).

La désinfection chimique de choc

Il s’agit d’un rinçage avec un produit de désinfection : produit à base de chlore (hypochlorure de sodium, dioxyde de chlore, …). Il se fait avec une concentration élevée (de 30 à 50 mg de chlore libre/litre), pendant 12 à 24 heures à tous les points (ce qui nécessite un boucle de désinfection).

Cette méthode est efficace pour autant qu’elle soit réalisée de façon correcte, par un personnel expérimenté (attention à la contamination par le chlore !). Pendant la désinfection, l’installation est hors service, ce qui est difficile à réaliser dans les homes et hôpitaux. L’évacuation de l’eau chlorée demande une dilution avant la décharge (attention à l’impact sur les fosses septiques ou les centrales d’épuration).

L’ionisation Cuivre/Argent

Il s’agit cette fois d’un traitement chimique en continu. Des ions de cuivre (0,2 à 0,4 ppm) et d’argent (0,02 à 0,04 ppm) sont introduits dans l’eau par ionisation (en fonction du débit). Les ions positifs s’accrochent aux parties négativement chargées de la paroi cellulaire de la bactérie, ce qui entraîne sa mort.

Selon la littérature, ce traitement compte parmi les plus efficaces. Le traitement agit avec une certaine rémanence. Mais il n’est pas compatible avec l’acier galvanisé car Cu et Zinc forment un couple galvanique corrosif. Et l’utilisation régulière de tous les robinets reste requise.

Le dioxyde de chlore

Il s’agit d’un traitement chimique en continu à l’aide de ClO2, injecté dans l’eau avec un dosage fonction du débit. Mais un dosage « normal » ne permet pas de tuer toutes les légionelles présentes dans le biofilm. Un bon résultat n’est atteint … qu’avec un taux de concentration inadmissible (> 5mg/l) ! Le traitement ne présente pas de rémanence et provoque un risque de corrosion (qui peut être résolu par un traitement anti-corrosion approprié).

L’électrolyse

Il s’agit d’un traitement chimique en continu par l’hypochlorite (HClO – 0,1 à 0,3 ppm en chlore libre) par décomposition de l’eau par courant continu. L’avantage est de ne pas devoir ajouter de substances dans l’eau, sauf du sel NaCl. Cette technique est appliquée avec succès. Elle mise sur une tuyauterie en by-pass, avec désinfection surtout la nuit. Cette technique est cependant très coûteuse.

Le traitement UV

L’eau est soumise à des rayons ultraviolets d’une longueur d’onde de 254 nm, avec une dose de 160 J/m² minimum, souvent 400 J/m². Cette irradiation endommage l’ADN des bactéries qui ne se reproduit plus…

A nouveau, l’avantage est de ne pas devoir ajouter de produits chimiques dans l’eau. Mais il n’y a pas d’effet sur les micro-organismes piégés dans le biofilm situé en aval. L’eau doit être filtrée préalablement pour ne pas avoir de particules en suspension. Il est essentiel que les lampes restent propres (entretien régulier). D’une manière générale, le CSTC considère que l’UV ne se justifie que pour protéger une unité bien déterminée ou une zone restreinte de l’installation.

Les exigences réglementaires

Le règlement « piscines » en Wallonie (janvier 2003)

Les documents de référence sont les différents arrêtés du Gouvernement wallon du 13 juin 2013 (M.B. 12/07/13)((21 DECEMBRE 2006. – Arrêté du Gouvernement wallon modifiant l’arrêté du Gouvernement wallon du 4 juillet 2002 arrêtant la liste des projets soumis à étude d’incidences et des installations et activités classées et divers arrêtés du Gouvernement wallon déterminant les conditions sectorielles et intégrales)), ainsi que les exigences prsentes dans les permis d’environnement pour les installations de refroidissement par dispersion d’eau dans un flux d’air.

Quelques éléments sur cette réglementation « piscines » :

Pour les bassins de natation couverts, la température de production d’eau chaude devra être à 65 °C minimum.

Le mélange avec l’eau froide devra se faire le plus près possible de la distribution d’eau des douches.
Un contrôle deux fois par an dans l’eau d’un pommeau de douche devra vérifier que la concentration ne dépasse pas 1 000 CFU/l.

Un règlement « bâtiments publics » en Flandre (arrêté du Gouvernement flamand du 09 février 2007 – M.B. 04/05/07)

L’exploitant doit établir un « plan de gestion » de la légionelle : description de l’installation, analyse du risque et mesures de prévention.

Quels sont les seuils d’intervention ?

On distingue d’abord 2 niveaux de concentration en Legionella : le Lspp (tous les groupes) et le Lpn (seulement la Légionella pneumophila), d’application dans deux types d’installation :

Pour les systèmes d’eau froide et chaude

Si Lspp < limite de détection (environ 50 CFU/l) : pas d’actions

Si Lspp > limite de détection : peu de contamination –> vérifier si le système de préparation d’eau froide et chaude suit les recommandations en matière de température. Si oui, analyse tous les 3 mois, et si 4 x négatif, alors analyse 1 x par an. Si non, analyse tous les mois.

Si Lspp > 1 000 CFU/l : il y a contamination –> procéder à un nouvel échantillonnage et, si confirmation, à une désinfection de choc; dans les hôpitaux et les homes, surveillance des légionelloses.

Si Lspp > 10 000 CFU/l : il y a contamination importante –> fermeture de l’installation, désinfection de choc, analyse de de l’eau. Si Lspp reste > 1 000 CFU/l : fermeture et assainissement. Ensuite, analyse toutes les 2 semaines. Si 3 x de suite le résultat est négatif, contrôle tous les 3 mois. Si 4 x de suite l’analyse des 3 mois est négative, contrôle 1 x par an.

Pour les tours de refroidissement

On procède à l’analyse des Germes Totaux GT.

Si GT > 100 000 CFU/l ou si légionellose, alors analyse de la Legionella pneumophilia :

Si 1 000 < Lpn < 10 000 CFU/l, on procède à une nouvelle analyse et, en cas de confirmation, on analyse le risque.
Si Lpn > 10 000 CFU/l, on procède à un nettoyage complet et à une désinfection.

Posted By : Energie-Plus 25 Sep, 2007

Adoucisseur d’eau [ECS]

L’adoucisseur échangeur d’ions

Au départ, la présence de calcaire

L’eau est un solvant très efficace ! au contact de l’atmosphère elle capte du CO₂ et devient légèrement acide (H2CO3). Par percolation au travers des sols, elle entre en contact avec la roche calcaire CaCO3, qu’elle dissout.

Le carbonate de calcium CaCO3 présent dans l’eau va précipiter sur les parois lors d’une montée en température de celle-ci.

L’adoucisseur est dès lors un appareil destiné à capter les ions Ca++ et Mg++ présents dans l’eau en les fixant sur une résine cationique. En effet, l’eau passe au travers d’une cartouche contenant des millions de petites billes de résine, chargées d’ions sodium.

Adoucisseur.

Distributeur d’eau et de solution de régénération
Résine échangeuse d’ions
Plancher à buses (crépines) avec fentes de 0,4 mm

Par exemple, il peut s’agir de la zéolithe, silicate d’Al et de Na :

Na2O . Al2O3. n SiO2. m H2O

On dira en abrégé : Na2Z

Au passage de l’eau sur cette résine, les ions calcium seront captés :

Na2Z + Ca++ –> CaZ + 2 Na+

ou encore :

Na2Z + Ca(HCO3)2 –> CaZ + 2 Na(HCO3)

De même pour les ions magnésium :

Na2Z + Mg(HCO3)2 –> MgZ + 2 Na(HCO3)

Remarque : le sel sodique produit (Na (HCO3)) passera dans l’eau mais ne contribuera pas à la dureté de l’eau; si la température augmente, il ne se dépose pas.

Régénération

Lorsque la résine est saturée en ion Ca++, il faut les éliminer et replacer les ions Na+. C’est la phase de régénération :

CaZ + 2 NaCl –> Na2Z + CaCl2

Prolifération de micro-organismes

Les échangeurs d’ions offrent, comme d’autres filtres, de bonnes conditions de prolifération aux micro-organismes en raison de l’importante surface de leurs pores internes. Si aucune mesure n’est appliquée, on constate donc souvent une augmentation de la teneur en bactéries de l’eau traitée. La prolifération microbienne peut être combattue de façon efficace par l’adjonction d’environ 1 % de résine échangeuse d’ions imprégnée d’argent.

La corrosion des eaux trop adoucies

L’eau adoucie présente une concentration en calcium proche de zéro. Dès lors, l’équilibre calco-carbonique rend l’eau très agressive (les dépôts calcaires protecteurs sont rapidement dissous). On conseille dès lors de ne pas adoucir l’eau en dessous des 15°F, soit grâce à un réglage de l’adoucisseur, soit par le placement d’un bypass qui réalise un mélange entre de l’eau traitée et de l’eau totalement adoucie.

Attention à la propreté des sels

Si des impuretés sont mélangées au sel de régénération (bacs restant ouverts…), elles pourront servir de nutriments aux bactéries et tout particulièrement à la légionelle !

Les inhibiteurs de tartre

Le principe consiste à inhiber l’entartrage plutôt qu’à éliminer le calcium, par l’injection d’un produit chimique, tel que le polyphosphate qui va se dissoudre dans l’eau et enrober chaque ion calcium d’un « manteau » d’ion phosphate. La croissance des cristaux calcaires est freinée et/ou leur adhésion est empêchée sur les parois.

Mais ce produit est avalé avec l’eau par le consommateur… le contrôle de la concentration doit être rigoureux !

De plus, les polyphosphates n’agissent plus si l’eau est trop chaude.

Le CSTB en France a réalisé récemment une étude sur ce sujet.

Les systèmes physique et/ou magnétique

L’appareil agit par effet électrique et/ou magnétique et transforme le calcium en aragonite (une variété cristalline du carbonate de calcium), plus stable et donc donnant moins lieu à des dépôts.

Certains de ces systèmes ont des effets réels mais variables en fonction de divers paramètres (température, débit, intensité électrique,….) si bien qu’il est difficile de prévoir avec certitude le résultat de leur action dans des conditions particulières.

Pour plus d’informations sur ces différentes techniques, on consultera utilement le Cours – conférence n°51 du CSTC – « la corrosion et les tubes métalliques utilisés pour la distribution d’eau dans les bâtiments ».

Posted By : 25 Sep, 2007

Qualité de l’eau

La dureté de l’eau

C’est quoi la dureté?

La dureté de l’eau exprime la concentration en ions calcium (Ca++) et magnésium (Mg++) responsable du dépôt de tartre (ou calcaire) à l’intérieur du réseau hydraulique. Cette dureté s’exprime généralement en degrés français (df ou °F). À titre indicatif :

Dureté de l’eau
1°F	= 4 mg/l de Ca++	= 10 mg/l de CaCO₃
	= 2.4 mg/l de Mg++

La dureté de l’eau résulte du passage de l’eau dans les sous-sols rocheux où elle se charge, entre autres, en calcium et de magnésium. En Belgique, les eaux sont assez bien chargées et donc dures pour la plupart des régions (exception faite par exemple dans l’est du pays).
Une eau est :

douce de 0 à 18°F,
mi-dure de 18 à 30°F,
dure + de 30°F.

Comment connaître simplement la dureté de l’eau ?

Des kits de bandelettes sont vendus dans le commerce. En trempant une bandelette dans l’eau à analyser, elle se colore en fonction de la dureté de l’échantillon d’eau. Il suffit de comparer cette couleur à celle de la table colorimétrique livrée avec le kit.

D’autres systèmes plus sophistiqués existent mais ne seront pas abordés ici.

La corrosivité et l’agressivité de l’eau

Il ne faut pas confondre corrosivité et agressivité de l’eau. En effet :

La corrosivité est le résultat de l’interaction électrochimique entre le caractère électrolytique de l’eau (présence d’anions et de cations) et le métal. Cette interaction conduit à la dissolution du métal et sa transformation en oxydes insolubles (le plus connu: acier + eau = rouille). On mesure le degré de corrosivité par la conductivité (en µSiemens). Moins il y a de cations et d’anions dans l’eau, moins cette eau sera corrosive.
L’agressivité est la tendance à dissoudre du carbonate de calcium dans l’eau; elle est due au CO₂ libre présent dans l’eau. Une eau agressive est généralement corrosive mais pas l’inverse.

Lorsqu’on parle de vapeur (c’est le cas en stérilisation), les risques de corrosion sont encore plus importants; ce qui nécessite de réduire la présence d’ions. On y arrive en utilisant entre autres un osmoseur inverse.

L’eau adoucie

Dans la plupart des cas, l’eau brute de « ville » est traitée par un adoucisseur échangeur d’ions. Des résines échangeuse de cations divalents (calcium et magnésium), comme son nom l’indique, échangent des ions sodium (Na) pour du calcium et du magnésium responsables de développement du tartre dans les conduites à température élevée comme c’est le cas en stérilisation.

L’intérêt d’adoucir l’eau est de limiter l’entartrage des équipements travaillant à températures élevées.

L’eau osmosée

C’est l’eau qui a été traitée par osmose inverse. Cette eau, suite à son traitement est pratiquement pure. La membrane semi-perméable de l’osmoseur inverse permet de retenir la plupart des particules, ions et contaminants organiques. En d’autres termes, l’eau osmosée se trouve débarrassée à la fois des ions responsables de la corrosion des équipements et des micro-organismes indésirables en stérilisation (bactéries, …). Il est nécessaire pour garantir une qualité d’eau optimale, d’effectuer des contrôles en continu de la conductivité (en µSiemens) et de la teneur en chlore de l’eau brute de « ville » (sensibilité des membranes semi-perméable au chlore).

Synthèse sur la qualité de l’eau en stérilisation

Dans le tableau ci-dessous sont repris les principaux paramètres physico-chimiques (extrait du CTIN 2002 [7] français ou Comité Technique des Infections Nosocomiales) à mesurer et à respecter afin de conserver une qualité d’eau maximale garantissant la pérénnité des équipements. Il est clair que d’autres tests de qualité d’eau doivent être réalisés afin de garantir l’absence de contaminants organiques mais cela dépasse le cadre de l’énergie.

Qualité de l’eau
Type de mesure	Limite de qualité	Fréquence
Eau de ville
pH	6,5 à 9
Conductivité	400 µS/cm à 20°C
Chlore résiduel	0,1 mg/l
Température	15°C
Eau adoucie
Dureté	4 à 8°F
Eau osmosée
Conductivité	15µS/cm	Périodique ou en continu
dureté	0.02mmol/l
pH	5 à 7
…

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