Eau Chaude Sanitaire

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Eau Chaude Sanitaire

BTS FED2

8.3 : Production E.C.S

Étude des Systèmes

1_ Installation collective ou individuelle (centralisée ou décentralisée) :

Le problème ne se pose en pratique que dans les immeubles, de logements ou non. Les atouts de chacune des configurations sont les suivantes :

- Individuel : (Décentralisée) . Souplesse de fonctionnement

. Adaptation des températures de consigne aux désirs de chaque utilisateur . Autonomie des usagers

. Absence de réseau de distribution d’ECS et de boucle de recyclage d’eau.

- Collectif : (Centralisée)

. Simplification de l’entretien (un seul appareil)

. Réduction de l’encombrement et éventuellement du bruit des systèmes de production . Production de chaleur plus performante dans le cas des installations à combustible.

Le tableau ci-dessous donne une méthode pour réaliser un choix entre un système de production d’ECS centralisé et un système décentralisé.

Besoins

Distance entre production et point

de puisage

Foisonnement Solution

Importants

Faible Bon

Centralisé Mauvais

Grande Bon Centralisé

Mauvais Décentralisé

Faibles Faible Semi centralisé

Grande Décentralisé

On considère un foisonnement comme mauvais quand les appels d’ECS maximaux sont à peu près simultanés.

2_ Le choix de l’énergie :

De façon très générale, la production d’ECS se réalise avec la même source d’énergie que pour le chauffage. Mais il ne faut pas en faire une généralité. Une étude comparative est parfois nécessaire du fait des différentes tarifications. Le tableau ci-dessous permet une première approche :

Besoins Gaz naturel disponible

Besoins d’ECS

importants en été Solutions envisageables

Importants

Oui Oui

Gaz naturel ou éventuellement solaire Non

Non Oui Biénergie électro-fioul

Non Fioul ou GPL

Faibles

Oui Oui

Électricité ou gaz naturel Non

Non Oui

Électricité ou GPL Non

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3_ Différents systèmes de production d’ECS :

Ils sont classés selon la relation entre la puissance pour chauffer l’eau et la capacité d’ECS stockée. La production peut être qualifiée :

1) Instantanée si elle ne dispose pas de capacité de stockage

2) Semi-instantanée si elle possède une capacité de stockage permettant d’écrêter les pointes de consommation en sollicitant simultanément la puissance et le stockage

3) Semi-accumulée si son volume de stockage permet de satisfaire les débits de pointe de consommation sans faire appel à la puissance. Ce système dispose d’un volume plus important que le précédent

4) Accumulée si son volume de stockage est au moins égal aux besoins journaliers 31) Production individuelle SIMPLE USAGE :

Conçue généralement pour des usages domestiques (logement individuel ou en collectif) et pour l’alimentation de quelques points de puisage en tertiaire. On trouve ainsi :

- Le chauffe-eau électrique instantané - Le ballon électrique

- Le chauffe-eau thermodynamique - Le chauffe-eau instantané gaz ou fioul - Le chauffe-eau solaire

Système Principe Commentaires

Chauffe eau électrique instantané

Le chauffe eau électrique instantané permet l’alimentation d’un seul ou plusieurs points de puisage et peut disposer d’une puissance de 6 à 36 kW

Ballon électrique

Faible capacité

Appareils peu encombrant de capacité inférieure à 50 litres, leur temps de réchauffage est généralement de moins d’une heure.

Installés à proximité des points de puisage, ils sont alimentés en permanence et ne permettent pas de bénéficier de la tarification heures creuses.

Moyenne capacité

De capacités de 50 à 500 litres, ils sont destinés à alimenter un groupe de point de puisage (ou module !!) :

- Maison individuelle - Bloc sanitaire en tertiaire

Ils permettent d’exploiter les heures creuses de la tarification.

Leur puissance appelée est faible : 10 à 12 W/litre.

Il est recommandé un montage vertical plutôt qu’un horizontal.

Nota : Dans le cas de stockage de moyenne capacité, il est possible d’obtenir un réchauffage accéléré, répondant à des besoins exceptionnels. On trouve ainsi des :

- Ballons à double puissance : équipés d’une 2ième résistance plus puissante placée en partie basse ou haute

- Ballons à chauffe accélérée : équipés d’une seule résistance plus élevée que celle des ballons traditionnels.

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Système Principe Commentaires

Chauffe eau thermodynamique

C’est une pompe à chaleur dédiée à la production d’ECS. Cette PAC est généralement associée à un ballon de 300 litres et d’une résistance électrique d’appoint permettant d’atteindre les 60°C de température de stockage.

Chauffe eau Gaz

Aussi appelé chauffe bain, il permet d’assurer une production instantanée d’ECS à proximité des points de puisage.

On distingue les chauffe-eau de 8,7 kW et ceux d’une puissance supérieure, les premiers pouvant alimenter un évier ou un lavabo.

Inconvénient :

- Raccordement à un conduit de fumées (ventouse ou non, VMC gaz). Si tel n’est pas le cas, son implantation doit satisfaire l’arrêté du 2 août 1977.

- Puissance importante

Accumulateur Gaz ou fioul

Ceux sont des appareils indépendants de production d’ECS où l’eau est chauffée sans fluide intermédiaire.

Ils sont équipés d’un brûleur en partie basse (atmosphérique pour le gaz) et permettent de satisfaire des débits importants.

Le temps de réchauffage est très court (env 1 h) Comme tout équipement utilisant un combustible, ils sont soumis aux mêmes lois.

Chauffe eau Solaire

Le chauffe eau solaire individuel (aussi appelé CESI) comporte principalement des capteurs solaires plans et un ballon solaire.

La circulation du fluide entre le capteur et le ballon se fait soit en thermosiphon soit par circulation forcée.

L’appoint peut être incorporé au ballon ou séparé (ballon électrique en série avec le ballon solaire) ; Il est nécessaire lors des phases d’ensoleillement réduites.

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32) Production individuelle DOUBLE USAGE :

Aussi appelé double service ou mixte, le générateur cumule à la fois la production d’ECS ou d’eau de chauffage. Plusieurs principes sont utilisés pour la production d’ECS :

- Chaudière gaz double usage : . Instantanée,

. à micro accumulation (type semi instantané) . à accumulation intégrée ou séparée

- Chaudière fioul double usage : . Instantanée

. A accumulation avec ballon échangeur - Pompe à chaleur

Système Principe Commentaires

Chaudière gaz double usage

Production instantanée

La production d’ECS est assurée de façon instantanée avec priorité sur le chauffage.

Elles requièrent une puissance de production d’ECS plus importante que celle nécessaire aux besoins en chauffage.

Lorsque le détecteur de débit décèle un soutirage d’eau sanitaire, la vanne trois voies ferme la voie chauffage et alimente l’échangeur ECS.

Chaudière gaz double usage

A micro accumulation

Elle dispose d’un petit volume de stockage (<10 litres) maintenue en température afin d’obtenir une bonne stabilité de température et disposer de l’ECS sans attente

Système assimilé à de la production semi instantanée.

Chaudières gaz accumulation

Système à accumulation intégrée : le ballon possède une capacité réduite (80 litres). Ce stockage limite la puissance de la chaudière.

La régénération du stock est de l’ordre de 20 minutes.

Autre principe : Régénération directe

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Système Principe Commentaires

Chaudière fioul double usage

Production à accumulation

Exemple ici d’un module d’appartement alimenté depuis une production collective.

Ce système présente l’avantage de l’individualisation des besoins en ECS et de la facturation grâce au compteur d’énergie

Ballon intégré de capacité limitée. Le ballon est dissocié de la chaudière à partir d’un volume de 80 litres.

Il existe deux principes :

- A ballon échangeur : l’échangeur est alimenté par un circulateur dit « pompe de charge sanitaire ». La régulation est assurée soit par un aquastat agissant directement sur la pompe de charge ou par une sonde raccordée au boîtier de régulation de la chaudière.

- A ballon immergé : aussi appelé à

« bain marie », le ballon est noyé dans le circuit chaudière. L’ECS est maintenue à une température de 65 à 75 °C été comme hiver. Elle présente donc des performances énergétiques plus faibles que celle avec ballon échangeur.

Pompe à chaleur

Les PAC les plus couramment employées sont dites « basse température » (départ = 45°C) et ne permettent pas d’obtenir des températures d’ECS suffisantes. Cela implique de disposer de résistances électriques d’appoint dans le ballon de stockage.

Il existe plusieurs raccordements possibles suivant le type de PAC considéré :

- Un seul condenseur : la commutation entre chauffage et ECS est assurée par une V3V,

- Deux condenseurs, l’un pour le chauffage l’autre pour l’ECS,

- Utilisation d’un désurchauffeur, celui étant noyé dans l’enveloppe du ballon pour éviter tout contact du fluide frigorigène avec l’ECS

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33) Production collective :

Plusieurs principes sont utilisables. Leur choix définitif repose sur :

 La disponibilité :

- des énergies (électricité, fioul, gaz, solaire) - des locaux (sous stations)

- du budget du maître d’ouvrage - des aides financières

Le type de bâtiment étudié (logements, camping, hôtel, ...) où le planning de puisage peut imposer le système de production d’ECS. Des calculs approfondis seront nécessaires lorsque le même bâtiment comporte des usages différents (ex : galeries marchandes au RdC et un hôtel à l’étage).

Les systèmes utilisés en collectif (habitats, tertiaires, industries) pour la production d’ECS peuvent être : - Par ballon électrique,

- De type Instantanée par échangeur (la plupart du temps, à plaques) - Par système Semi-instantanée par échangeur et ballon de stockage, - De type Semi accumulée par ballon échangeur

- Par accumulateur à brûleur gaz ou fioul - Par énergie solaire

- Par système thermodynamique

- Par système de récupération de chaleur sur chaudière à condensation

Quel que soit le système de production d’ECS, la puissance maximale nécessaire sera :

Pinstallée= (Q − Vstockage) × c × (θECS− θEF)

Tréférence en kW

P

installée

=

stockage860 - θeau froide)

×

(Q - VT stockage)

référence Pinst en kW Avec : Q : Besoins minimum en litres durant la période de T référence

T référence : en heure Quantité d’eau susceptible d’être consommée (litres)

Temps de soutirage (heures) Pendant la pointe maximale

Q instantanée

Tref = 0,17 h - soit 10 min - pour installations modulaires Tref = x minutes (pour installations particulières) Pendant la période de pointe

(65 à 78% du besoin journalier) (1ère tranche)

Tref = T heures Pendant la journée de 24h

Qj Tref = 24h

33.1) Ballon électrique : aussi appelé « chauffe eau électrique à accumulation » ou « accumulateur électrique »

Principe Avantages Inconvénients

- Grande stabilité de

température de puisage - Faible puissance appelée

pour le réchauffage

- Possibilité d’utilisation de la tarification HC

- Bonne tenue aux débits de pointes du fait d’un volume de stockage important

- Possibilité de

fractionnement du volume de stockage en plusieurs ballons : utilisation de la relance conditionnelle

- Volume de stockage important : implantation délicate

- Utilisation d’une pompe

d’homogénéisation pour supprimer la stratification de l’eau lors du réchauffage

- Stockage à une température voisine de 60°C : risque d’entartrage

- Traitement d’eau probable

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Les ballons de stockage sont aussi caractérisés par une constante de refroidissement « Cr en Wh/litre.°C » dont il faut tenir compte lors de la phase de sélection, surtout pour les gros volumes de stockage et lorsque la température ambiante autour des ballons est basse.

La RT2005 impose une valeur minimale de cette constante :

Art. 58. − Pour Les chauffe-eau électriques à accumulation, les pertes maximales Qpr exprimées en kWh par 24 heures au sens des normes NF EN 60 335-1 et NF EN 60 335-2-21 sont les suivantes : - Chauffe eau de V inférieur à 75 litres : 0,147 4 + 0,071 9 V2/3 ;

- Chauffe-eau horizontal de V supérieur ou égal à 75 litres : 0,939 + 0,010 4 V ; - Chauffe-eau vertical de V supérieur ou égal à 75 litres : 0,224 + 0,066 3 V2/3,

où V est la capacité de stockage du ballon en litres.

Art. 60. − Les ballons de stockage des chauffe-eau solaires préfabriqués doivent avoir un coefficient de pertes thermiques UA exprimé en W/K inférieur à 0,16 V1/2, où V est le volume de stockage nominal du chauffe-eau exprimé en litres.

Exemples de raccordements : a) Montage en série :

b) Pompe d’homogénéisation :

Le rôle de ce circulateur, placé entre l’arrivée d’eau froide et la sortie d’eau chaude, brasse l’eau au moment du réchauffage du ballon. Il supprime la stratification et permet de mettre en température les volumes d’eau situés en dessous des résistances. Il évite ainsi les développements de bactéries dans le volume stocké sous ces résistances.

Elle est mise en service uniquement pendant les périodes de tarification favorable et lors du réchauffage du stockage, mais elle peut être aussi utilisée pendant les phases de montées en température jusqu’à 70°C nécessaire dans le cadre de lutte anti-légionellose.

c) Relance conditionnelle :

Dans le cas où les besoins journaliers fluctuent fortement (hôtel pare exemple) ou bien lorsqu’il est constaté une insuffisance de la quantité d’ECS distribuée, un dispositif de relance peut être mis en place. Il consiste à autoriser la relance de chauffe sur un seul ballon par exemple, pendant les heures de faible occupation si un seuil de consommation est dépassé.

d) Autre cas de stockage : Accumulation gaz

Le stockage est équipé d’un brûleur gaz dont la puissance sera déterminée pour assurer la pointe de consommation journalière.

Doc Lacaze

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33.2) Production instantanée par échangeur :

Principe Avantages Inconvénients

- Pas de stockage : Pertes thermiques limitées

- Besoins en ECS

« instantanée »

- Simplicité de

branchement - Implantation peu

encombrante

- Risque d’entartrage de l’échangeur principalement à plaques

- Régulation adaptée à ce type d’échangeur - Puissance de la

production souvent équivalente aux

besoins de

réchauffage de l’ECS

- Nécessite un

traitement sur l’eau froide

Le problème majeur d’une telle production réside dans la puissance appelée maximale équivalente aux besoins en ECS. En effet, cette puissance instantanée importante nécessite une puissance de production par chaudière équivalente bien en dessous de la puissance nécessaire aux besoins en chauffage seul. La chaudière sera donc surdimensionnée et par conséquence caractérisée, en mode chauffage, d’un rendement faible.

La régulation est de type en mélange afin de limiter la température de l’ECS et par suite l’entartrage de ce type d’échangeur. Elle permet la modulation de puissance en fonction des besoins au secondaire. Un thermostat de sécurité (consigne à 95°C) coupe l’alimentation de la pompe primaire et du moteur de la vanne trois voies. Si la consigne est atteinte.

Exemple de raccordement sur bouteille de découplage hydraulique

Le piquage ECS est en partie haute de la bouteille

Exemple de préparateur Instantané Doc Lacaze

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33.3) Production semi instantanée Echangeur + Ballon :

Le principe de ce système repose sur l’association d’une production instantanée avec un ballon de stockage.

- En cas d’absence de puisage, le ballon est maintenu en température par l’échangeur

- Lors d’un puisage faible, l’eau froide passe directement dans l’échangeur La puissance est alors suffisante pour élever la température de l’ECS, sans solliciter le ballon

- Lors d’un puisage important (pointe des 10 min par exemple) la puissance de l’échangeur sera insuffisante et sera complétée par le ballon

L’échangeur étant dimensionné pour les besoins hors crête, sa puissance sera plus faible qu’en mode instantanée pur et limitera donc son inconvénient majeur.

Le volume de stockage est faible.

La régulation de l’échangeur à plaques est souvent identique au mode instantanée pur.

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33.4) Production semi accumulée ballon échangeur :

Principe Commentaires

Le réservoir de stockage est suffisant pour fournir à lui seul la totalité des besoins de la pointe maximale journalière (pointe des 10 min), sans utiliser la puissance instantanée du générateur.

Le ou les ballons sont de type « réchauffage 2h ou 3h » ce qui leur permet d’être opérationnel hors pointe des 10 min ainsi que pour la tranche de consommation suivante (voir planning cours ECS 1).

La régulation la plus simple consiste à utiliser un thermostat.

Echangeur Tubulaire Remarques :

La puissance appelée est plus faible qu’en mode semi-instantanée, mais ce système possède une capacité de stockage plus grande augmentant l’encombrement.

Les échangeurs tubulaires sont moins sensibles à l’entartrage. La présence d’une régulation en mélange n’est pas nécessaire. Elle se fera soit par une vanne 2 voies soit par une V3V montée en répartition.

Dans la mesure du possible, il sera intéressant de dimensionner une chaudière spécifique à la production d’ECS et une autre pour les besoins en chauffage. Ceci permet de ne pas dégrader le rendement d’une chaudière unique cumulant les 2 modes de production.

Exemples de raccordements sur bouteille casse pression

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33.5) Limites entre les systèmes - Courbe d’évolution :

Quel que soit le système étudié, il sera obligatoirement caractérisé par : - une puissance

- un volume de stockage

Il est possible de tracer une courbe continue représentant les limites de chaque système de production d’ECS.

Quel que soit le procédé de production, il existera toujours un couple « Puissance/volume tampon » compatible avec les besoins, tant que l’on se trouvera sur la courbe.

Plus la capacité tampon est importante, plus la puissance sera faible.

En mode « accumulation » seul, la courbe ne devrait pas être tombante comme le montre la figure ci- dessus, pour deux raisons :

- Plus le volume de stockage est grand, plus le refroidissement de l’eau au cours de la journée sera important surtout pendant les périodes de non puisage (utilisation de la constante de refroidissement) - Quand la conception des circuits ECS fait apparaître un circuit de bouclage raccordé au ballon, il

convient de rajouter la puissance nécessaire au maintient en température de l’eau de bouclage à la puissance de réchauffage initiale.

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4_ Dimensionnement des systèmes :

41) Production individuelle par combustible : système Instantané ou micro accumulation

Les générateurs sont caractérisés par leur débit spécifique, donné par le fabricant. Plus celui-ci est élevé, plus la puissance du préparateur est importante.

Le débit spécifique est défini d’après des normes (différentes pour les combustibles gaz et fioul). On peut néanmoins retenir la définition suivante :

 Débit permettant d’obtenir une élévation de température moyenne de 30 K au cours de deux puisages consécutifs d’une durée de 10 minutes chacun, en comptant un temps d’attente de 20 min entre chaque puisage.

Afin de réaliser une présélection d’un préparateur gaz, il est possible de s’appuyer sur les recommandations de Gaz de France (offre DolceVita) ci-dessous :

Niveaux de confort Elevé Très

élevé

Appartement Une salle de bain 11 l/min 14 l/min

Deux salles de bains 14 l/min 18 l/min

Maison Individuelle

Une salle de bain Surface < 90 m² 12 l/min 14 l/min

Surface  90 m² 13 l/min 16 l/min

Deux salles de bains Usage normal 16 l/min 18 l/min Famille nombreuses, balnéothérapie 18 l/min 20 l/min

Autre exemple de sélection :

Calcul théorique :

Débit → 10 l/min 13 l/min 16 l/min

Evier + lavabo

ou douche

• •

Evier + lavabo

+douche

• • •

Evier + Lavabo

+ baignoire

• •

Evier + lavabo +douche

+Baignoire + bidet

Exemple de tableau de sélection des débits spécifiques

A partir de la relation : P=qmc il est possible d’évaluer la puissance du préparateur pour un écart de 30K

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42) Production individuelle par électricité : système à accumulation

Il existe au moins deux méthodes de détermination du couple « Puissance/Volume tampon » nécessaire pour satisfaire les besoins.

En accumulation, le volume de stockage est souvent pris égal aux besoins en eau à 55°C ou 60°C au cours de la journée la plus chargée (cf. annexe 1 cours ECS1). Toutefois, il est possible de trouver des méthodes permettant d’évaluer le volume théorique suivant des différentes méthodes, donnant, à peu près les mêmes valeurs (cf. AICVF par exemple)

a) Recommandations Promotelec :

Type de logement Chambre

individuelle 2 pièces

3 pièces

4 pièces

5 pièces et plus

Occupation 1 pers 1 ou 2

pers

2 ou 3 pers

3 ou 4 pers

4 ou 5 pers

Ballon vertical 100 150 200 250 300

Ballon horizontal 100 150 200

Ballon double puissance 75 100 125 150 150*

Ballon accéléré 75 100 150 200 200*

Thermodynamique 250 300

* Implique la mise en œuvre d’un chauffe eau électrique supplémentaire de faible capacité d’au moins 15 litres en cuisine ou 30 à 50 litres en SdB

En se fixant un volume, le choix de la puissance du réchauffeur se fera d’après les documents fabricants.

b) Calcul théorique :

Il s’agit de réaliser des bilans énergétiques (enthalpiques pour être précis) au cours du jour le plus chargé, souvent le dimanche pour l’habitat individuel. Ils s’établissent en fonction du planning prévisionnel des rythmes de puisage, heure par heure.

Ils consistent à se fixer un couple « Puissance/Volume » d’un fabricant, et de vérifier qu’à la fin de la journée, la température de l’eau stockée est bien égale ou supérieure à la limite basse fixée (env. 50°C) s’il n’y a pas de relance de jour.

Si une relance de jour est prévu, ou bien si un fonctionnement continu du réchauffeur est souhaité, il faudra vérifier que la température de l’eau en fin du puisage le plus important de la journée soit bien égale ou supérieure à la limite basse fixée ainsi que le température de l’eau juste avant le prochain puisage prévisible, celle-ci devant être égale à la température prévue initialement en début de journée (55°C ou 60°C).

Exemple : Planning de puisage simplifié : Jour le Dimanche

Considérations techniques :

Température de stockage : 60°C

Température minimale acceptable en fin de journée : 50°C Pas de relance de jour – Tarification HC : 1h à 7h 30 Couple Volume/Puissance inconnu : P -- Vstockage

Besoins en ECS définis : Qt en kJ

Temps

8h 10h 11h30 13h 19h 21h

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Bilans :

De 8h à 21h : cVstockagestockage - QtBesoinsenECS = c Vstockage21h

En partant du principe qu’à 21h la température de stockage est de 50°C, il est possible de définir le volume de stockage. Connaissant le volume nécessaire, il est maintenant possible de définir la puissance nécessaire pour faire remonter en température le volume de ballon de 50°C à 60°C pendant les heures creuses, soit :

De 1h à 7h30 : c Vstockage1h + PT = c Vstockage7h30 Avec : P : Puissance du réchauffeur en W

T : Temps de réchauffage (ici 6h30)

1h : Température de l’ECS stockée à 1h du matin = mini stockage = 50°C

7h30 : Température de l’ECS stockée avant le nouveau puisage = 60°C Vstockage : Connu

Autres possibilités :

- Si P et V sont connus il est intéressant de pouvoir tracer l’évolution de la température de l’eau stockée au cours de la journée la plus chargée

- Il est aussi intéressant d’étudier une relance de jour. Le bilan change : Exemple : Bilan de 7h30 à 10h avec relance

10h stockage 10h

à 7h30 7h30

stockage P T' - Q c V V

c   

   +  =   

Avec : T’ : Temps entre 7h30 et 10h ou temps autorisé dans cette période 43) Production collective :

Dans les domaines Tertiaires, commerciaux ou industriels les études sont plus complexes et reposent obligatoirement sur une planification précise des besoins. Toutefois on peut scinder les différents cas de figure en deux groupes d’études :

1) Installations modulaires : Correspondant aux bâtiments d’habitats collectifs, chambres d’hôtel, hôpitaux, maisons de retraite, bureaux

2) Installations particulières : Telles que Gymnase, Internats, Vestiaires de terrain de sport, ..

Camping, et toutes les installations présentant des puisages variés voire simultanés.

Tous les cas de figures doivent être étudiés, de la production l’instantanée jusqu’à l’accumulation totale.

Un seul mode sera conservé pour des raisons techniques, d’implantation ou financières.

 Paramètres de base nécessaire avant toute sélection :

Quelle que soit l’installation à étudier il convient de définir plusieurs paramètres facilement identifiables ou imposés par la réglementation.

- Température de stockage : A choisir : 55°C à 60°C

- Température du fluide primaire : En ERP elle ne doit pas être > 110°C - Température de l’Eau Froide : Fonction du lieu de construction - Identification et nombre de point de puisage

- Planning de puisage sur 24h - Tarification HC possible ou non

- Temps maximal de réchauffage de l’ECS

 Paramètres à déterminer :

- Consommation ou besoins en ECS Qm en litres suivant les tableaux statistiques définis pour une température de stockage fixée,

- Débit de pointe pour un temps de référence de 10 minutes, Q10 en litres / 10min

- Débit de pointe maxi qv en litre/h, définissant le diamètre de la conduite principale de distribution - Puissance et volume du préparateur

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43.1) Installations modulaires : Méthodologie de calcul Exemple : Bâtiment collectifs : 30 F2

20 F4 10 F5 Standing normal

Stockage ECS à 55°C

1) Définition des besoins (volume en ECS) à la température fixée :

( )

= Qm N K

Qj 1module nbmodules

Avec : Qm 1 module : Volume d’eau à 55°C défini dans le tableau annexe 1 N nb modules : Nombre de modules identiques ayant un Qm 1 module défini K : Coefficients correcteurs définis dans les tableaux annexe 2 Suivant l’exemple : Qj = 30 160 + 20 180 + 10 225 = 10 650 litres d’eau à 55°C

Ou Qj = 30 180 0,88 + 20 180 1 + 10 180 1,26 = 10 620 litres Si le standing passe au niveau élevé et pour une température de stockage à 60°C :

Qj = 10 620 1,2 0,93 = 11 852 litres d’eau à 60°C 2) Coefficient de simultanéité :

Lorsque plusieurs modules ECS sont raccordés sur le même réseau de distribution, la probabilité que tous les appareils soient en fonctionnement est nulle. On appliquera donc un coefficient, appelé

« Coefficient de simultanéité », permettant de minorer le débit de pointe d’ECS. Il évite le surdimensionnement inutile de l’installation.

- Pour les logements :

(

N-1

)

0,3 NN-11

S 1

+

=

- Pour l’hôtellerie, hôpitaux, bureaux, ... :

(

N-1

)

0,2 NN-11

S 1

+

=

3) Débit de pointe des 10 minutes : en litres/10min ou litres/h

Ce débit de pointe de 10 min sert principalement à dimensionner la conduite départ ECS du stockage ! Avec N : Nb de modules ECS

Pour toutes ces installations modulaires, les plannings de puisage montrent des Tranches d’heures de soutirage d’ECS surmontées d’une pointe. Cette pointe a été évaluée à 10 minutes, bien qu’elle soit fonction du nombre de modules alimentés et du type d’installations.

Statistiquement, cette pointe de 10 minutes correspond à 36% des besoins pour les logements et 39% des besoins journaliers multipliés par le coefficient de simultanéité.

Cas des logements :

Q10 (en litres / 10min) = 0,36 Qm N S qv (en litre/h) = 0,36 Qm N S 6

Cas des maisons de retraite, ..

Q10 (en litres / 10min) = 0,39 Qm N S qv (en litre/h) = 0,39 Qm N S 6

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4) Durée de la tranche de consommation de pointe « T heures » :

La pointe de 10 minutes fait partie de la tranche « T heures » de consommation la plus importante de la journée. Cette tranche correspond à 65 % de la consommation journalière des logements, et 78% de la consommation des hôtels, ....Aussi il est possible de définir la durée de cette tranche horaire comportant la pointe en utilisant les relations :

En logements :

( )

0,65

0,889

1 N T N

= +

Dans l’hôtellerie, bureaux, ...

( )

0,70

0,878

1 N T N

= +

Exceptions : Complexes sportifs : T = 0,5 heures maxi et S = 1

Hôtels et hôpitaux : T = 2 heures maxi et S = 0,25 mini

Collectivités, internats : T = 1 heure maxi et S = 1 5) Etudes de cas :

A partir de ces points énoncés, il faut déterminer le volume Vstock et la puissance à installer Pinst

afin de choisir le matériel adapté aux besoins et aux différentes contraintes. Mais la méthode de calcul doit être adaptée aux différents systèmes de production : Instantané, Semi instantané, Semi accumulation et accumulation.

Les relations fournies sur les courbes ci-après découlent de différents bilans avec toutefois comme hypothèses :

- Température de l’eau froide : 10°C - Température de stockage : 55°C - Ceau = 4180 J/kg.K

Remarques :

a) Le bouclage des réseaux ECS :

Dans la plupart des installations, il est mis en place un réseau de bouclage dont l’objectif est de limiter les temps d’attente d’ECS aux points les plus éloignés de la production (et ainsi la consommation inutile d’eau froide) en maintenant en température l’eau de la boucle de retour. Toutefois, l’eau en circulation dans ce réseau voit sa température chuter progressivement (exponentiellement serait plus juste) et ne devrait en aucun cas descendre en dessous 50°C au point de retour sur le stockage. Les pertes inhérentes, de 55 ou 60°C à 50°C, doivent être compensées soit par le réchauffeur lui-même ou bien par un réchauffeur intermédiaire appelé

« réchauffeur de boucle » essentiellement électrique.

Le  admissible sur la boucle de retour ECS est de l’ordre de 5 à 7K maximum.

b) Mode instantané :

Dans ce mode, les pertes de chaleur dans le bouclage ne sont pas compensées par l’échangeur.

Toutefois une pompe de recyclage sera nécessaire pour créer un débit minimum d’irrigation de celui-ci.

Dans le cas d’un maintien en température de bouclage par ruban chauffant, il sera nécessaire d’installer un préparateur semi instantané.

c) Mode semi instantané :

Dans ce cas, la puissance du préparateur ne prendra en compte non plus les pertes thermiques du bouclage.

d) Mode semi accumulation :

Il convient dans ce cas de prendre en compte les pertes thermiques du bouclage :

- qu’il faudra rajouter à la puissance du préparateur si aucun réchauffeur de boucle n’est prévu - qui serviront à la sélection du réchauffeur de boucle. Dans ce cas précis, ces pertes ne seront pas

rajouter à la puissance du préparateur e) Mode accumulation :

Même remarque que pour le mode semi accumulation.

(17)

Pour Ensemble logements

Température EF : 10°C

Température de stockage : 55°C

T : Temps de la tranche de consommation supportant la pointe de 10min

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Pour Maison de retraire, Hôpitaux, ..

Nota : En mode accumulation totale, le couple « Ca A maxi – PA mini » correspond à un réchauffage du stockage 24h/24.

La relation fournissant la puissance d’un « ballon électrique heures creuses » est calculée pour un temps de réchauffage maxi de 8h.

Ca : Capacité de stockage P : Puissance du réchauffeur

(19)

43.2) Installations particulières : Méthodologie de calcul

Ces installations sont caractérisées par des besoins instantanés importants soutirés sur des temps souvent très cours (30 min pour des vestiaires de sport après un match par exemple), et pouvant se répéter rapidement au cours d’une même journée (exemple d’un gymnase scolaire).

Pour réaliser une telle étude, il convient :

- de réaliser un planning de puisage sous forme d’histogramme au cours de la journée supposée la plus chargée

- d’évaluer aussi précisément que possible la simultanéité des besoins (souvent S = 1) ainsi que les temps les plus courts dans lesquels se situeront les consommations les plus importantes

- sur une installation existante, étudier les cycles de consommations et les habitudes des usagers en réalisant un questionnaire.

En utilisant le tableau ci-dessous, il sera possible : - d’évaluer les besoins par point de puisage identifié

- de déterminer la puissance et le volume des équipements de production, en se limitant aux systèmes semi instantanée et à accumulation totale. Ces couples sont souvent déterminés par des logiciels fabricants (ex CIAT).

Besoins pour installations particulières

Exemple d’un complexe sportif : (Voir TD4)

. 3 vestiaires de 10 douches chacun (avec robinets poussoirs individuels) de débit unitaire : 10 l/min . Durée d’une douche : 6 min

. Ouverture du complexe : 9h à 21 h . Périodes de fonctionnement : Vestiaires Nb douches

utilisées Ouverture Périodicité Heures/ Nb douches possibles

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Heures

Salle squash 4 9/21h 1h 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4

Salle judo 8 16/21h 2h 8 8 8 8

Salle musculation 10 9/21h 1h 8 10 10 4 10 10 10 10 10 10 10

Nb total de douches simultanées 12 14 14 8 14 14 14 22 22 22 22

(20)

43.3) Autres cas de figures :

Dans le cas d’une étude de production d’ECS, il faut envisager aussi le cas des besoins différenciés.

Cette remarque est valable pour des bâtiments scolaires où les besoins en ECS à l’internat est différent de celui des cuisines, ou bien d’un hôtel/restaurant où là aussi les quantités d’ECS soutirées ne sont ni cumulables ni simultanées entre les cuisines, la restauration et les chambres.

Dans de tels qu’à, il faut :

- Réaliser l’étude de tous ces points particuliers de façon séparée (secteur par secteur) - Evaluer la possibilité de simultanéité.

Plusieurs cas se présentent :

- S’il n’y a pas de simultanéité, chaque secteur sera équipé d’une production « individualisée » ou bien on sélectionne un système centralisé capable de couvrir le secteur le plus chargé en besoins et de vérifier que le stockage soit bien en température lorsque les autres secteurs seront en demande.

- S’il y a simultanéité des besoins pour 2 ou plusieurs secteurs, il faut envisager de cumuler les quantités d’ECS et centraliser les besoins. Cette dernière solution peut amener à des puissances installées importantes, parfois incompatibles avec les puissances des générateurs fioul ou gaz ainsi qu’avec la disponibilité des locaux.

43.4) Autres Méthodes de calcul :

Méthode QUALITEL : (niveau 3 normal)

Cette méthode simple permet de dimensionner les systèmes de production d’ECS, de l’instantané à l’accumulation. Le dimensionnement est basé sur un nombre de logements standards. Un logement standard est un appartement de type F3 équipé d’un évier, d’un lavabo et d’une baignoire.

Si l’étude intègre des logements de type F1, F2, F4 et plus, il conviendra de les corriger suivant le tableau ci-dessous pour obtenir un nombre de logements standards F3 :

Logement Coef correcteur Studio, F1 0,8

F2 0,9

F3 1

F4 1,2

F5 1,4

Exemples : 1 logement de type F1 correspond à : N = 0,8 F3 (ou 0,8 appartement standard) 1 logement F1 + 2 F2 correspond à : 1 * 0,8 + 2*0,9 soit N = 2,6 F3

La puissance et le volume sont donnés par les formules ci-dessous, les paramètres S1, S2 et S3 sont fournis dans le deuxième tableau.

Type de production Volume en litres à 60°C pour 1 lgt. standard

Puissance en kW de réchauffage pour un lgt. standard

Instantané V = 0 P  (21 * S1)

Semi-instantané 0  V  20 P  (0,25 * S2 – 1,05 *S1) *V + 21 * S1

Semi accumulation 20  V  (150 * S3) P  ((0,535 * S1 + 0,214 – 2,5 * S2) * (V - 20) / (75 * S3 – 10)) + (5 * S2)

Accumulation V  (150 * S3) P  (7,14 * V + 428)/ 1000

Nb de logements

standards N S1 S2 S3

N  5 1,00 1,00 1,00

5  N  10 0,65 0,75 0,84

10  N  20 0,50 0,67 0,76

20  N  30 0,40 0,57 0,69

30  N  40 0,35 0,52 0,64

40  N  50 0,31 0,48 0,60

50  N  70 0,28 0,45 0,57

70  N  100 0,23 0,41 0,55

N  100 0,20 0,40 0,53

(21)

Méthode Gaz de France :

GdF a mis en place une méthode, basée sous forme graphique permettant de déterminer rapidement un système de production semi instantané ou semi accumulé. Ces abaques sont utilisés lorsque la production de chaleur utilise le gaz.

Mode d’emploi des abaques

La méthode de dimensionnement proposée comporte trois étapes:

1. Calcul du coefficient STANDARD

Ce coefficient est fonction des caractéristiques de l’installation à desservir

Sa détermination suppose la connaissance du type d’installations à desservir, du nombre de points de puisage.

La méthode s’applique à différents bâtiments résidentiels ou tertiaires.

2. Report sur graphique de la courbe représentant le coefficient standard.

Le point de “profil général’ se trouve à l’intersection entre cette courbe et le nombre d’unités standard situé en ordonnée.

3. Il suffit alors de tracer une ligne verticale depuis le point d’intersection trouvé. On se trouve dans le graphe supérieur qui comporte en ordonnée les puissances à installer, les différentes zones correspondent à la capacité totale nécessaire.

La zone marquée SA correspond aux générateurs à SEMI-ACCUMULATION.

La zone marquée SI correspond aux générateurs SEMI-INSTANTANÉS.

(22)

Cas des IMMEUBLES D’HABITATIONS : 10 à 100 logements

Nombre de logements avec : Nb LOGTS=

Salle de bain avec douche x 0,6 =

Salle de bain avec baignoire x 1,0 =

Salle de bain avec baignoire + Cabinet de toilette avec lavabo x 1,1 = Salle de bain avec baignoire + Salle de bain avec douche x 1,3 = Salle de bain avec baignoire + Salle de bain avec baignoire x 1,6 =

TOTAL A = B =

Coefficient de confort C

MOYEN NORMAL STANDING

0,8 1,0 1,2

Coefficient de logement standard LS

B=

X C= =

A =

(23)

Cas des HOTELS : 10 à 100 chambres

Nombre de chambres avec : Nb =

Toilette avec lavabo x 0,2 =

Salle de bain avec douche x 0,6 =

Salle de bain avec baignoire x 1,0 =

TOTAL A = B =

Coefficient de confort C   

0,8 1,0 1,3 1,5

Coefficient de situation D

PASSAGE MER MONTAGNE

1,0 0,6 0,8

Coefficient de chambre standard CS

B=

X C= X D= =

A =

(24)

Exemples d’applications

CAS 1 : Immeuble d’habitation, Classe de confort standing, de 20 logements avec : - 8 logements avec salle de bains équipée d’une douche

- 5 logements avec salle de bains équipée d’une baignoire

- 3 logements avec salle de bains équipée d’une baignoire et cabinet de toilette avec douche - 4 logements avec 2 salles de bains équipée de baignoire

CAS 2 : Hôtel 3 étoiles, situé au bord de la mer de 30 chambres avec : - 5 chambres avec cabinet de toilette équipée d’un lavabo

- 10 chambres avec cabinet de toilette équipée d’une douche - 15 chambres avec salle de bains équipée d’une baignoire

SOLUTIONS CAS 1 : IMMEUBLE DHABITATION DE 20 LOGEMENTS DE STANDING

Nombre de logements avec : Nb LOGTS= 20

Salle de bain avec douche 8 x 0,6 = 4,8

Salle de bain avec baignoire 5 x 1,0 = 5,0

Salle de bain avec baignoire + Cabinet de toilette avec lavabo 0 x 1,1 = 0,0 Salle de bain avec baignoire + Salle de bain avec douche 3 x 1,3 = 3,9 Salle de bain avec baignoire + Salle de bain avec baignoire 4 x 1,6 = 6,4

TOTAL A = 20 B = 20,1

Coefficient de confort C MOYEN NORMAL STANDING

0,8 1,0 1,2

Coefficient de logement standard LS B=20,1

X C=1,2 =1,206 A = 20

Solutions proposées

- Production semi-instantanée : P = 140 à 180 [kW] - V = 300 litres P = 48 à 140 [kW] - V = 500 litres - Production semi-accumulation : P = 22 à 48 [kW] - V = 500 litres CAS 2 : HÔTEL 3 ÉTOILES À LA MER DE 30 CHAMBRES

Nombre de chambres avec : Nb CHBRE = 30

Toilette avec lavabo 5 x 0,2 = 1,0

Salle de bain avec douche 10 x 0,6 = 6,0

Salle de bain avec baignoire 15 x 1,0 = 15,0

TOTAL A = 30 B = 22,0

Coefficient de confort C   

0,8 1,0 1,3 1,5

Coefficient de situation D

PASSAGE MER MONTAGNE

1,0 0,6 0,8

Coefficient de chambre standard CS

B=22,0

X C=1,3 X D=0,6 =0,572 A = 30

Solutions proposées

- Production semi-instantanée : P = 78 à 115 [kW] - V = 150 litres P = 32 à 78 [kW] - V = 300 litres - Production semi-accumulation : P = 15 à 32 [kW] - V = 300 litres

(25)

Annexe 1

Besoins en ECS pour installations modulaires

(26)

Annexe 2

Coefficients de correction

Dans la méthode proposée pour l’évaluation des besoins, notés « Qj », il est possible de les corriger afin de les adapter :

- Au différents cas de logements ou d’étoiles pour les hôtels - A des niveaux de standing autre que normal,

- A des températures différentes de 55°C (valeurs de base des besoins) Pour cela on fait appel à des coefficients :

K1 : simplification des calculs en prenant comme référence le F4 ou le 2** pour les hôtels

K2 : Coefficient correcteur uniquement utilisé pour prendre éventuellement en compte qu’un hôtel est rarement à 100% d’occupation. Pris égal à 0,9 ou 0,8.

K3 : Dans la mesure où l’on souhaite obtenir un confort différent du normal K4 : Dans le cas où la température de stockage est différente de 55°C

(27)

Annexe 3

Exemple d’un préparateur semi instantané

(28)

Annexe 4

Exemple d’un préparateur à accumulation GAZ – Doc Guillot

Raccordement du conduit de fumée

Figure

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Références

Sujets connexes :