14/09/2008 Madame, Monsieur Dossier délivré pour
11 - 1996
Eau chaude sanitaire
par
Patrice BRAUD
Ingénieur ENSAIS (École nationale supérieure des arts et industries de Strasbourg )
et article a pour objet de fournir aux techniciens et ingénieurs les bases de conception et de calcul des installations de production et de distribution d’eau chaude sanitaire, qu’il s’agisse d’équipement individuel ou collectif. Il a été réalisé à partir de l’ouvrage intitulé « ECS. L’eau chaude sanitaire dans les bâtiments résidentiels et tertiaires. Conception et calcul des installations ».
Comme le précise cet ouvrage, les publications relatives à ce sujet sont nom- breuses, mais, toutefois, les informations sont dispersées, parfois même contradictoires.
Le dimensionnement d’une installation d’ECS (comme nous l’appellerons désormais tout au long de ce document ), ne répond pas à des règles déter- ministes. Les besoins sont généralement fluctuants, dans le temps ou d’un lieu à l’autre, avec des comportements et des attentes très variables suivant les usagers ; leur définition est parfois malaisée. Cet article ne prétend pas fixer des règles de dimensionnement, ce qui serait risqué du fait de la fluctuation des coûts d’énergie et d’équipement.
1. Bases de dimensionnement. Définition des besoins... B 9 190 - 2
1.1 Généralités ... — 2
1.2 Installations individuelles ... — 2
1.3 Installations collectives dans l’habitat ... — 3
1.4 Installations du secteur tertiaire ... — 3
2. Règlements et normes... — 4
2.1 Préambule ... — 4
2.2 Qualité de l’eau ... — 4
2.3 Qualité des installations... — 5
2.4 Maîtrise de l’énergie... — 6
3. Systèmes de production d’eau chaude. Règles de conception.. — 7
3.1 Composition générale ... — 7
3.2 Classification et choix... — 7
3.3 Description technique ... — 8
3.4 Règles de calcul ... — 12
3.5 Bilans énergétiques prévisionnels ... — 17
4. Exemple chiffré de production collective... — 17
4.1 Solution semi-accumulation... — 17
4.2 Solution « semi-instantané » ... — 17
4.3 Comparaison... — 18
5. Annexe : besoins d’ECS... — 19 Pour en savoir plus... Doc. B 9 190
C
1. Bases de dimensionnement.
Définition des besoins
1.1 Généralités
■ Les besoins d’une installation d’ECS dépendent de trois para- mètres [1] : la température d’utilisation, le débit instantané, le volume disponible. Ces valeurs peuvent varier en fonction des habi- tudes, voire du contexte social.
●La température de l’eau utilisée varie généralement selon les usages entre 33 et 40 oC (bains, douches) et 55 oC (lavage sans détergent), avec une limite fixée réglementairement à 60 oC, à l’exception des cuisines ou buanderies des établissements recevant du public, où l’ECS peut être distribuée à 90 oC en certains points, moyennant une signalisation particulière (§ 2.3).
●Le débit instantané est, quant à lui, affecté d’un coefficient de foisonnement variable en fonction du nombre de points de puisage.
●Enfin, le volume d’ECS nécessaire a vu sa valeur croître régu- lièrement, y compris durant la période de crise de l’énergie, malgré l’utilisation de robinets limiteurs de débit d’eau, à coupure automa- tique de débit, par temporisation hydraulique (genre Presto), ou de robinets mitigeurs automatiques diminuant le temps d’attente pour l’obtention de l’eau mitigée à la température voulue. Ainsi, entre deux enquêtes effectuées par le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB) en 1979 et 1986 [2] [3], dans les logements collectifs, la progression des volumes consommés pour des installations comparables a été de 27 %. Néanmoins, la consommation reste globalement moins élevée en France que dans certains autres pays industrialisés.
■Face à ces besoins, le concepteur dispose d’un large éventail de solutions :
— système individuel ou collectif ;
— système instantané ou à accumulation ou intermédiaire ;
— choix de la température de production et de distribution ;
— choix de l’énergie et du mode de production (simple ou mixte).
Le choix opéré dans l’une de ces quatre rubriques dépend de ceux des trois autres, mais aussi et surtout du système de chauffage retenu par ailleurs.
1.2 Installations individuelles
■La température de l’eau distribuée n’est pas constante. Aussi, pour la définition des besoins, les calculs sont-ils effectués pour une température de puisage équivalente à 60 oC. Ces besoins sont synthétisés dans le tableau 3, qui provient des enquêtes effectuées par le CSTB [2] [3]. On y trouve :
— les besoins moyens annuels, selon le nombre de pièces que comporte le logement, en litres/jour pris à 60 oC, en 1979 et en 1986, enfin ceux à adopter pour le dimensionnement – soit 1,5 fois les valeurs de 1986 – pour tenir compte de l’évolution probable des consommations dans les années à venir ;
— les consommations annuelles d’énergie, selon le nombre de pièces, ou énergie utile (en kilowatt heure) pour une température d’eau froide de 12 oC ; ces consommations correspondent en revanche aux valeurs de 1986, sans coefficient de majoration de 1,5.
Par ailleurs, dans le paragraphe 5, les trois tableaux 4 précisent les coefficients de répartition à appliquer à ces valeurs selon l’heure, le jour et le mois.
La consommation annuelle tient bien évidemment compte de la durée moyenne d’utilisation ainsi que du rendement de distribu- tion, tels qu’ils ressortent des relevés effectués en 1986.
●La durée moyenne d’utilisation s’établit à environ 340 jours par an (durée moyenne constatée lors de l’enquête de 1986, pour un logement type T3 c’est-à-dire avec 3 pièces principales).
●Le rendement de distribution dépend généralement de deux facteurs :
— le refroidissement entre deux puisages du volume mort compris entre chaque point d’utilisation et l’équipement de produc- tion (de l’ordre de 0,5 à 1 litre par point) ;
— les déperditions thermiques en cours de puisage.
À l’intérieur d’un logement, ce rendement de distribution peut ainsi varier entre 80 et 95 %, selon le degré d’isolation des canali- sations et leur position dans ou hors le volume chauffé.
Cela étant, ces valeurs probables de consommation annuelle n’entrent pas dans le calcul du dimensionnement des installations, lequel prend en compte les besoins extrêmes et non les besoins moyens.
■En individuel, deux systèmes de production d’ECS existent généralement : le système à accumulation et le système instantané.
●Le système à accumulation est surtout électrique, bien que l’utilisation de combustible fossile se justifie au moins pendant la saison de chauffe, puisque les chaudières sont alors utilisées pour des durées significatives et à des charges optimales, offrant en outre un temps de réponse plus court.
La capacité du préparateur à retenir s’échelonne généralement de 100 à 300 litres pour un logement de 1 à 5 pièces, par pas de 50 litres par pièce. Une étude réalisée par EDF en 1985 a, par ailleurs, confirmé ces valeurs moyennes [4].
●Le dimensionnement du système instantané, presque toujours à combustible fossile vu le coût relativement important de la prime fixe (abonnement relatif à la puissance souscrite) pour la production d’ECS électrique, conduit à déterminer la puissance de la chaudière,
Terminologie
Bouclage : technique visant à maintenir la température de distribution ECS proche de la valeur fixée, par circulation forcée d’eau chaude dans le collecteur, au moyen d’une canalisation retour parallèle et d’une pompe, formant ainsi une boucle eau chaude.
Efficacité du stockage (ou facteur de mélange) : coeffi- cient égal au rapport entre la capacité utile du stock à la tempé- rature de distribution ECS prévue et la capacité réelle.
Préparateur (ou chauffe-eau)) : appareil de production d’ECS comportant un dispositif de réchauffage (faisceau tubu- laire, serpentin, résistance électrique), par opposition à ballon ECS (capacité de stockage ne contenant aucun dispositif de réchauffage).
Recalage : terme qualifiant les valeurs des besoins ECS pour les logements en 1986, par comparaison avec ceux de 1979.
Relance : utilisation du dispositif de réchauffage, en dehors de la période de charge (généralement en heures creuses), pour un système de production d’ECS à accumulation.
Relève : substitution d’une énergie à une autre (par exemple électricité au lieu de fuel ou de gaz).
Rendement de distribution : coefficient donné par :
avec Edis énergie perdue lors de la distribution, Eut énergie utile apportée par l’eau puisée.
Rendement de stockage : rapport de la quantité d’énergie puisée en ECS, à la quantité d’énergie introduite en stockage.
Traçage : technique consistant à appliquer un cordon chauf- fant sur le collecteur ECS (généralement sous l’isolant), de manière à maintenir la température de distribution ECS à la valeur fixée, en dehors des périodes de soutirage.
ηdis 1 Edis Eut --- –
=
14/09/2008 Madame, Monsieur Dossier délivré pour
________________________________________________________________________________________________________________ EAU CHAUDE SANITAIRE
à partir du débit maximal probable de l’installation. Ce dernier est obtenu en additionnant les débits spécifiques à chaque usage susceptibles d’être simultanés, et en multipliant le total obtenu par 1,5 pour couvrir les pertes de distribution et anticiper l’évolution des besoins.
1.3 Installations collectives dans l’habitat
Si les avantages liés au regroupement de la demande semblent a priori l’emporter (limitation de la puissance maximale et du volume de stockage du fait du décalage des besoins, limitation des déper- ditions par fourniture à température plus basse de certains usages, réduction des coûts d’investissement et d’entretien par rapport à plu- sieurs installations individuelles cumulées), il convient pour autant de ne pas en sous-estimer les inconvénients (augmentation des déperditions du fait de la création d’un réseau de distribution qu’il faut maintenir en température pour garantir une équivalence de four- niture en tout point du réseau, augmentation des coûts d’investis- sement et d’entretien du fait du comptage de répartition).
La définition précise des volumes totaux simultanés, mais surtout des profils de puisage, est donc déterminante pour satisfaire au mieux les besoins et au moindre prix.
■Préalable au choix de l’équipement, il y a celui du ou des niveaux de température d’ECS distribuée, lesquels peuvent varier de 45 oC (nécessaire en pratique pour l’obtention de 40 oC à tous les robinets) à 60 oC, maximum réglementaire. Les recommandations peuvent se résumer ainsi :
—limiter si possible la température de production à 55 oC, pour limiter les déperditions et les risques d’entartrage et de corrosion ;
—prévoir la possibilité de régler la température à des valeurs dif- férentes, suivant l’usage et la longueur des circuits de distribution (45 oC généralement pour les salles d’eau représentant environ 2/3 des besoins, 55 oC pour les cuisines), le coût d’exploitation étant directement lié à la température de distribution.
■La définition précise du profil des puisages n’est pas aisée, c’est pourquoi l’étude visera à calculer certaines grandeurs caracté- ristiques, variables selon le système retenu :
— la capacité nominale de stockage, à partir des besoins journa- liers maximaux, pour un système à accumulation totale (nocturne généralement), en tenant compte de l’efficacité du stockage ou facteur de mélange, paramètre caractérisant la qualité de la strati- fication, à garantir par le constructeur ;
— la capacité de stockage et la puissance appelée pour la relance, à partir des besoins estimés pendant les périodes où la relance peut être appelée, pour un système à accumulation avec relance ; selon le profil de puisage établi pour chaque type de jour (12 mois et 3 types, cf. tableau 4), on cherchera alors à exploiter au mieux l’équi- pement de production selon ses propres caractéristiques (1 ou plusieurs ballons, relance dans le ballon ou séparée) ;
— le plus gros volume appelé en continu, sur une durée de quelques heures, ainsi que l’appoint fourni par le réchauffage réalisé pendant le même temps, pour un système à semi-accumulation ;
— la puissance nécessaire pour répondre à un puisage court et important, après épuisement du stock, pour un système semi- instantané ;
— la puissance nécessaire au réchauffage pour la minute la plus chargée, pour un système instantané ; toutefois, tenant compte de l’inertie thermique de l’installation (quelques litres par logement), le calcul est rapporté à une durée de pointe de 10 minutes à laquelle est associée le volume de pointe correspondant.
■Le calcul des grandeurs caractéristiques ci-dessus doit éga- lement tenir compte :
— du rendement de stockage, lequel varie généralement entre
— de l’efficacité du stockage, ou facteur de mélange, qui peut aller de 0,75 à 0,95 pour des ballons verticaux (0,9 minimum pour les ballons électriques, selon la norme NF C 73-221) ; une valeur élevée du facteur de mélange est d’autant plus nécessaire si l’on compte sur une possibilité de restitution rapide, comme dans les systèmes à semi-accumulation ;
— des pertes en boucle, qui ne sont jamais négligeables.
Le choix du débit de boucle est généralement défini pour une chute de 5 K, peu ressentie par l’usager le plus défavorisé. Ce débit peut être modulé (avec 2 pompes différentes), voire interrompu durant les périodes de non puisage.
1.4 Installations du secteur tertiaire
Bien que répondant à des situations très variées, le dimension- nement des installations de ce secteur répond aux mêmes règles que pour les installations individuelles et collectives.
Le tableau 5 rassemble, pour divers utilisateurs du secteur ter- tiaire, les ratios des besoins d’ECS probables, pour de l’eau à 60 oC, provenant de sources diverses. Les écarts sont parfois importants (nombre de chambres, de repas, de lits...) pour une même famille d’établissements, rendant le dimensionnement des équipements souvent délicat. L’extrapolation de valeurs en provenance de sites équivalents en cours d’exploitation, si elle est possible, est donc particulièrement recommandée. Le concepteur fondera en outre son approche à partir des éléments suivants :
— les bâtiments d’hébergement (hôtel, maison de retraite, foyer, camping) présentant généralement des profils de puisage assez réguliers, les solutions à semi-accumulation sont souvent retenues, avec des températures de distribution variant entre 40 et 50 oC ;
— pour les établissements hospitaliers, la variété des besoins (hébergement, restauration, blanchissage...) conduit à séparer ther- miquement les divers usages ;
— pour les établissements scolaires et sportifs ainsi que sur les lieux de travail, la température est généralement limitée à 40 oC, voire 35 oC ; la simultanéité des puisages est maximale, lors des Exemple : pour un écart de température eau chaude – ambiance de 40 K, la valeur des pertes (en W/m) par les canalisations non calorifugées est de l’ordre de 1,6 fois la valeur du diamètre extérieur en millimètres. Pour une isolation équivalente à 1 cm de laine de verre, cette valeur est ramenée à 0,5 fois le diamètre.
Exemple : le rendement de distribution ou de bouclage varie de 30 % en l’absence d’isolation à 60 ou 70 % avec une isolation correcte.
Concernant ce dernier point, le choix ou non du bouclage et de son utilisation peut se résumer de la façon suivante :
— en pratique, il est bon de prévoir soit le bouclage, soit le tra- çage de la canalisation, pour une distance supérieure à 10 mètres entre le point d’utilisation et la source ;
— l’arrêt de la circulation d’eau n’est pas autorisé par les avis techniques relatifs aux produits de traitement d’eau quand l’eau est l’objet d’un traitement chimique. En tout cas, il n’est possible que si l’installation est correctement équilibrée, de manière à ne pas laisser de branches mortes après redémarrage ;
— le traçage électrique, qui permet de faire l’économie du col- lecteur retour et de ne maintenir en température qu’une seule longueur, nécessite la pose d’un traceur en continu, solidaire avec le tuyau, protégé par l’isolant, avec une alimentation asservie à la température. L’intérêt du traçage dépend pour beaucoup de la nature de l’énergie employée pour la préparation de l’ECS ; il est évident si cette énergie est l’électricité.
2. Règlements et normes
2.1 Préambule
Les exigences de qualité auxquelles toute installation de distri- bution d’eau chaude doit répondre, qu’elle soit individuelle ou col- lective, peuvent se décliner comme suit :
— le réglage de la température doit être possible, précis et fidèle ;
— la température, une fois réglée, doit être stable ;
— le temps d’attente, nécessaire à l’écoulement d’eau refroidie avant l’arrivée de l’eau chaude, doit être aussi court que possible (quelques secondes) ;
— la fourniture d’eau chaude doit être continue, c’est-à-dire fiable, sauf interruption accidentelle de l’alimentation en eau froide du pré- parateur ou consommation excessive.
Pour satisfaire ces exigences, il convient de rappeler les règlements et normes relatifs à la qualité de l’eau et des installations d’ECS, ainsi qu’à la maîtrise de l’énergie.
2.2 Qualité de l’eau
Seules sont rappelées ci-après les exigences relatives à la prépa- ration et à la distribution de l’ECS, à l’exclusion de celles concernant l’eau froide potable.
2.2.1 Hygiène
Sur ce plan, le texte de base est le règlement sanitaire départemental type, complété le cas échéant par l’autorité départementale. L’eau chaude sanitaire y est considérée comme eau destinée à la consommation humaine, puisqu’utilisable en particulier pour la cuisine. Rappelons-en les principales prescriptions :
—produits additionnels : l’adjonction de produits antigel est interdite ; l’utilisation de produits tels que catio-résines, polyphos- phates, silicates, pour lutter contre la corrosion et l’entartrage, doit être pratiquée conformément à la réglementation en vigueur et en respectant les avis techniques spécifiques à chaque fournisseur ;
— l’installation doit être pourvue de dispositif anti-retour, per- mettant d’éviter la pollution du réseau public d’eau potable ou du réseau intérieur de distribution ;
— tout poste de traitement d’eau doit être, de même, pourvu en amont d’un clapet de non-retour, le déversement des rejets se fai- sant par un entonnoir siphonné ;
— la dilatation de l’eau engendrée par son réchauffage ne doit provoquer ni retour en amont, ni détérioration des appareils qui la produisent ou des canalisations qui la véhiculent ; la mise en place
de clapet de non-retour, avec soupape de sûreté et rejet du volume excédentaire par un entonnoir siphonné (groupe de sécurité hydrau- lique) permet de répondre à cette exigence.
2.2.2 Traitement thermique
Concernant le traitement thermique de l’eau potable, c’est-à-dire son réchauffage pour l’amener à l’état d’ECS, on distingue deux modes de préparation :
— la préparation directe : chauffe-eau électrique (résistances blindées en contact avec l’eau ou résistances boudinées sur stéatites en gaine étanche), chauffe-bain ou chaudière de chauffage central à double usage, à combustible (avec échangeur entre produits de combustion et eau potable) ;
— la préparation indirecte : par échangeur incorporé à une chau- dière ou indépendant, avec utilisation d’un fluide caloporteur d’ori- gine variée (chaudière, capteur solaire, pompe à chaleur, rejet thermique, réseau de chaleur, eau géothermale...).
C’est dans ce dernier cas qu’une pollution est à craindre par le fluide caloporteur, celui-ci étant souvent chargé d’impuretés et de produits additifs (antigel non sanitaire, par exemple). Certaines dispositions sont donc à respecter, que nous résumons ci-après.
■Règlement sanitaire départemental type (article 16.9) et instruction technique pour la réalisation et l’installation des dispositifs de traitement thermique de l’eau potable [5].
●Fluide caloporteur ne contenant que des produits à usage alimentaire ou autorisés (fluide type I) – Cas 1
— Installations multifamiliales : l’échangeur à simple paroi est admis moyennant soit l’utilisation d’un appareil de classe B (tableau 1), soit le maintien d’une différence de pression (pression d’eau potable toujours supérieure à celle du fluide caloporteur) avec un échangeur de classe C. Néanmoins dans ce dernier cas, comme la pression d’eau potable ne peut être garantie en permanence, l’alimentation en fluide chauffant doit être équipée de vannes d’iso- lement automatiques et d’une vanne de mise à l’air libre, actionnées par un détecteur de pression différentielle (figure 1), avec mise en sécurité par manque de courant.
En outre, dans les deux cas, il doit être possible de contrôler l’existence d’une fuite éventuelle (par manomètre, par exemple).
Enfin, conformément aux prescriptions du DTU no 65.11 (Disposi- tifs de sécurité des installations de chauffage central concernant le bâtiment), l’échangeur doit avoir subi, côté fluide caloporteur, une épreuve de tenue à une pression au moins égale à 1,5 fois la pres- sion maximale de service, avec un minimum de 6 bar.
— Installations unifamiliales : l’échangeur à simple paroi peut être de classe C (tableau 1), sans qu’il soit nécessaire de maintenir une différence de pression.
Le contrôle de fuite éventuelle doit être possible et l’épreuve de tenue à la pression réalisée comme indiqué précédemment. (0)
Tableau 1 – Traitement thermique de l’eau potable par échangeur (préparation indirecte)
Classe Échangeur Matériau Fluides Cas
A double paroi (1) non oxydable à l’air tous (type II) 2
B simple paroi acier inoxydable
ou cuivre
usage alimentaire
ou produits autorisés (type I) 1
C simple paroi traditionnel
(acier noir)
usage alimentaire
ou produits autorisés (type I) 1 (2) (1) deux parois distinctes entre fluide chauffant et ECS
(2) utilisation unifamiliale ou maintien d’une différence de pression si installation multifamiliale
14/09/2008 Madame, Monsieur Dossier délivré pour
________________________________________________________________________________________________________________ EAU CHAUDE SANITAIRE
●Fluide caloporteur contenant des produits à usage non ali- mentaire ou non autorisés (fluide type II) – Cas 2
Dans ce cas, seuls sont autorisés les échangeurs à double paroi ou les systèmes à double échange.
— Échangeur à double paroi de classe A (tableau 1) : l’espace compris entre les parois, même rempli d’un matériau inerte à l’air et aux fluides, doit permettre l’évacuation par gravité, sans rétention, des fuites éventuelles de l’un ou l’autre des fluides.
L’échangeur doit avoir subi séparément sur chacun des circuits une épreuve de tenue à la pression identique à celle du cas 1. La conformité à ces conditions, ainsi qu’à celles relatives aux ponts thermiques entre les deux enveloppes ou à l’utilisation d’un fluide intermédiaire de type I à l’intérieur de ces deux enveloppes, doivent faire l’objet d’une attestation du CSTB, sous couvert du ministère de la Santé.
— Système à double échange : ce dispositif comprend un premier échangeur, réalisant l’échange thermique du fluide primaire vers un fluide intermédiaire de type I, et un second échangeur distinct du premier et réalisant l’échange du fluide intermédiaire vers le fluide secondaire (eau potable). Le premier échangeur ne fait l’objet d’aucune prescription particulière. Le second doit pour sa part être conforme aux indications du cas 1.
●Règles communes de réalisation.
Les échangeurs, qu’ils soient à simple ou à double paroi, ne doivent pas comporter de raccord démontable sur les surfaces d’échange. Ils doivent être munis d’une plaque indicatrice men- tionnant :
— la pression d’épreuve ;
— la pression maximale de service de chaque circuit ;
— la classe (tableau 1).
■Circulaires des 2 juillet 1985 et 2 mars 1987 relatives au traite- ment thermique des eaux destinées à la consommation humaine.
●La circulaire du 2 juillet 1985 établit la classification des fluides caloporteurs de type I. Cette classification comporte :
— une liste A regroupant les fluides pouvant être dilués dans les circuits primaires de chauffage, installation solaire notamment ;
— une liste B regroupant les additifs pouvant être introduits dans les circuits de chauffage destinés à la production d’ECS ;
— une liste C regroupant les fluides frigorigènes pouvant être introduits dans les pompes à chaleur, ainsi que les lubrifiants des compresseurs de pompes à chaleur.
●La circulaire du 2 mars 1987 est relative à la mise à jour de ces mêmes listes.
2.2.3 Qualité sanitaire
Dernier point et non le moindre, la qualité sanitaire de l’ECS doit faire l’objet d’une surveillance régulière et les installations doivent faire l’objet d’un contrôle technique préalablement à leur utilisation.
Ce contrôle technique permet de vérifier le mode d’alimentation et de vidange de tous les appareils raccordés, complété par un contrôle analytique de l’eau après désinfection des réseaux intérieurs.
À Paris, ces contrôles sont confiés au Centre de Recherches et d’Études du Contrôle des Eaux de la Ville de Paris (CRECEP) ; dans les autres départements, les DDASS désignent l’organisme compétent.
Ce contrôle, réalisé aux frais du propriétaire, s’applique à tout réseau collectif neuf, public ou privé (cf. article 20 du règlement sani- taire départemental type). La même disposition s’applique aux réseaux anciens, mais seulement en cas de transformation, adjonc- tion ou réhabilitation.
2.3 Qualité des installations
■La pérennité des installations est directement liée aux caracté- ristiques physico-chimiques de l’eau utilisée et à la température de production, ces deux facteurs intervenant dans le processus de formation du tartre ou des corrosions.
Les caractéristiques principales d’une eau sont les suivantes :
— la dureté, relative à la teneur en sels dissous de calcium ou de magnésium ; plus celle-ci est élevée, plus l’eau est dite dure et entartrante ;
— l’agressivité, relative à la présence de gaz carbonique dissous dans l’eau ; le réchauffage a généralement pour effet de réduire l’agressivité de l’eau ;
— la corrosivité, liée à la composition physico-chimique de l’eau (pH, résistivité, teneur en oxygène dissout, en chlorures...) ; le réchauffage, mais aussi le renouvellement, la stagnation, les dépôts, ont pour effet d’accroître la corrosivité. On distingue plusieurs types de corrosion : par courants galvaniques, par oxydation, par aération différentielle.
Les traitements anticorrosion (sur l’eau ou sur l’installation) et antitartre (toujours complété par un traitement anticorrosion) ne doivent en aucun cas altérer les qualités de l’eau, laquelle doit rester potable. Le DTU 60.1, additif no 4, précise les conditions pour lesquelles l’eau doit faire l’objet d’un traitement ; ce dernier peut revêtir trois formes :
— la filtration, lorsque l’eau contient des matières en suspension ;
— la neutralisation, pour une eau chargée en CO2 agressif (10 à 15 mg/L) ;
— le traitement filmogène, par addition de produits autorisés (silicates ou phosphates).
Figure 1 – Maintien d’une différence de pression avec un échangeur de classe C
En règle générale, l’entartrage concerne surtout les appareils de production instantanée, alors que la corrosion se manifeste davantage dans les appareils à accumulation. Par ailleurs, ces désordres sont plus fréquents lorsque l’eau est agressive ou que sa température dépasse 60 oC, d’où l’intérêt de maintenir celle-ci à une valeur inférieure, si possible.
En outre, il faut rappeler la nécessité de placer les canalisa- tions en cuivre toujours en aval de celles en acier galvanisé, ceci afin d’éviter la formation du couple électrolytique cuivre-zinc conduisant à des perforations rapides.
■ Les obligations réglementaires en matière de distribution d’ECS varient selon l’usage des locaux :
— pour les logements neufs, l’article 111.3 du Code de la cons- truction et de l’habitation précise les obligations, complétées pour les HLM par les recommandations de la Fédération des organismes HLM ;
— pour les logements existants, voir le règlement sanitaire départemental type, article 40 ;
— pour les bâtiments et locaux autres que d’habitation, plusieurs textes mentionnent les obligations d’aménagement sanitaire, notamment :
• le règlement sanitaire départemental type, pour les locaux anciens (art. 58), les établissements recevant du public – ERP (art. 67), les locaux de sport (art. 68) ;
• l’arrêté du 23 juillet 1983, pour les hôtels ;
• le code du travail, pour les lieux de travail (art. R 232.22) ;
• les documents techniques, circulaires et les cahiers des clauses techniques particulières (CCTP) émanant du ministère de l’Éducation nationale, pour les écoles maternelles [circulaire du 23.03.72 – brochure no 211 CS (Constructions Scolaires), limitant notamment à 45 oC la fourniture de l’ECS], pour les écoles élémentaires (circu- laire du 20.08.73 – brochure no 8 207) et les établissements du second degré (CCTP).
■Autre texte réglementaire important visant les installations d’ECS, l’arrêté du 23 juin 1978 porte notamment sur les points suivants :
— la classification des installations, suivant leur puissance utile (supérieure ou non à 70 kW) et leur destination (titres I, II et III) ;
— la limitation de la température de production de l’ECS, soit 100 oC (art. 33) ;
— le calorifugeage des tuyauteries de distribution d’ECS (art. 35e) ;
— la limitation de la température de l’ECS distribuée, soit 60 oC au point de puisage, excepté pour les cuisines ou buanderies des ERP où elle peut atteindre 90 oC, moyennant une signalisation particulière (art. 36) ;
— la protection par sécurité positive des dispositifs limitant la température ou la pression de l’ECS (par mise en sécurité automa- tique en cas d’incident ou de coupure d’alimentation), avec réar- mement manuel (art. 37).
■Enfin, la norme NF P 40-202 (DTU 60.11) fixe les conditions minimales d’exécution des travaux de plomberie, notamment :
— le niveau de pression résiduelle à chaque appareil, pour le débit de base requis, soit 3 m CE (colonne d’eau) minimum, au robinet le plus défavorisé (environ 0,3 bar), et 1 bar minimal à l’entrée de chacun des logements, en collectif ;
— le débit de base des appareils, ainsi que le diamètre intérieur minimal des canalisations d’alimentation à ces appareils.
■Les DTU (Document Technique Unifié), qui n’ont pas encore acquis le statut de norme, fixent néanmoins de nombreuses règles très souvent contractuelles :
— le DTU 60-1 (et ses additifs), à l’exception des règles ci-dessus (DTU 60.11), lesquelles s’inscrivent dans le cadre d’une révision générale de ce document, fixe les conditions de réalisation des travaux de plomberie (nature des canalisations, température d’uti- lisation, composition électrochimique de l’eau en relation avec le trai- tement anticorrosion, vitesse de circulation, purges, tubes témoins et robinets de prise d’essai) ;
— le DTU 60-5 traite des conditions d’utilisation des canalisations en cuivre ;
— le DTU 65-3 concerne les installations de sous-station d’échange à eau chaude sous pression, limitant à 110 oC la tempé- rature du fluide primaire utilisé pour le réchauffage de l’ECS, sa pres- sion ne devant pas dépasser celle de l’eau froide à réchauffer (§ 1.3) ;
— le DTU 65-9 fixe les règles relatives aux installations de trans- port de l’ECS hors de l’emprise des bâtiments (en sol, en élévation ou en galerie technique), à l’exception de celles relatives aux cana- lisations préisolées ou sous gaine étanche qui font l’objet d’avis techniques séparés, ou des canalisations sous voie publique ;
— le DTU 65-10 concerne notamment les règles générales de mise en œuvre des canalisations d’ECS sous pression à l’intérieur des bâtiments.
■Outre l’arrêté du 23 juin 1978 (art. 35e), le Syndicat National de l’Isolation a établi des recommandations donnant les épaisseurs minimales d’isolation, en fonction des diamètres extérieurs des tubes (pour ECS à 60 oC, ambiance entre 10 et 20 oC), soit :
• 30 mm, pour des diamètres compris entre 21 et 60 mm ;
• 40 mm, pour des diamètres compris entre 70 et 114 mm ;
• 50 mm, pour des diamètres compris entre 139 et 219 mm.
Ces épaisseurs sont valables pour des isolants dont la conductivité thermique est comprise entre 0,035 et 0,040 W/m2 · K (par exemple, coquilles en mousse de polyuréthane, de caoutchouc, en polys- tyrène, en laine de roche ou de verre...).
■Enfin, pour terminer ce paragraphe consacré aux normes et règlements régissant les installations d’ECS, il convient de citer les labels PROMOTELEC relatifs aux installations utilisant l’énergie électrique en tout ou partie :
— le label Confort Plus est dédié aux logements neufs, avec des productions d’ECS de type électrique individuel, thermodynamique (pompe à chaleur) ou électro-solaire ;
— le label Confort-Sécurité s’applique aux logements existants et fixe comme précédemment certaines règles relatives à la capacité minimale des ballons électriques, à l’asservissement horaire de fonc- tionnement, à la longueur maximale de raccordement... Depuis le 1er avril 1993, les exigences de ce label sont identiques à celles de Confort Plus, en cas de rénovation totale.
2.4 Maîtrise de l’énergie
■La répartition des frais d’ECS dans un immeuble collectif fait l’objet du décret du 19 juin 1975, complété par l’arrêté du 25 août 1976. Il s’applique à tous les immeubles existants ou à construire. Le décret offre deux possibilités :
— soit la mesure des quantités d’ECS ;
— soit la mesure des quantités de chaleur nécessaire au chauf- fage de l’ECS, fournie à chaque occupant.
Comme la température de l’eau distribuée est généralement constante, le compteur volumétrique est le système économique- ment le mieux adapté.
Ce décret a pour effet d’inciter les concepteurs d’immeubles col- lectifs (dont les logements sont le plus souvent superposés) :
— soit à créer une colonne montante unique par logement (ou groupe de logements), avec distribution horizontale vers les loge- ments, en installant le comptage en partie commune ;
— soit à préférer les techniques de préparation individuelles aux techniques collectives, en comparant les coûts d’investissement, d’exploitation, d’entretien et de renouvellement des compteurs.
Sauf contraintes particulières, les immeubles existants doivent être équipés de compteurs depuis le 15 septembre 1977.
La répartition des frais de réchauffage de l’eau se présente de deux manières :
— le système de production d’ECS est indépendant de l’installa- tion de chauffage : dans ce cas, la répartition des frais est propor- tionnelle à la consommation de chacun ;
14/09/2008 Madame, Monsieur Dossier délivré pour
________________________________________________________________________________________________________________ EAU CHAUDE SANITAIRE
— la même chaufferie assure le chauffage et la production d’ECS : le calcul de consommation de combustible pour la part revenant à l’eau chaude est effectué en tenant compte de la consommation glo- bale d’eau froide correspondante, de l’écart de température en moyenne annuelle et du rendement moyen de production (hors boucle) ; ce sont les 2/3 du coût global ainsi établi qui sont répartis proportionnellement à la consommation de chacun, les autres dépenses étant réparties conformément aux conventions et usages en vigueur. Chaque propriétaire ou organisme locatif fixe en général ces règles, qui ne sont pas touchées par le décret de 1975.
Le matériel de comptage fait l’objet du décret du 22 juin 1982, lequel réglemente cette catégorie d’instruments de mesure (compteurs d’eau chaude), et de l’arrêté du 14 décembre 1982 portant approbation du modèle de compteur d’ECS.
■Enfin, certains modes de préparation font l’objet de prescrip- tions particulières selon l’énergie utilisée.
●Utilisation de l’électricité
Le lecteur pourra utilement se reporter, dans le traité Génie élec- trique, aux articles spécialisés et notamment aux différents articles Installations électriques et à l’article Applications électrodomes- tiques. Généralités [D 5 330].
— Les installations de branchement et de raccordement doivent être conformes aux normes NF C 14-100 et 15-100, ainsi qu’aux DTU 70-1 et 70-2.
— Les appareils de production peuvent être estampillés
« CONTRÔLE NF limité à la sécurité » ou « NF ÉLECTRICITÉ », ces deux marques, étant gérées par l’Union technique de l’Électricité (UTE). La marque « NF ÉLECTRICITÉ » suppose la conformité aux normes suivantes.
● Chauffe-eau Fixe non instantané (ou à accumulation ) : NF C 73- 220 (règles de sécurité relatives à la pression d’essai, à la température limite de l’eau, à l’indice de protection électrique), NF C 73-221 (per- formances relatives à la durée de mise en température, à la tem- pérature moyenne de l’eau, au rendement, à la constante de refroidissement et au facteur de mélange), et NF C 73-222 (cotes de fixation et de raccordement pour les appareils de 50 à 150 L) ;
● chauffe-eau instantané (puissance inférieure à 10 kW) : NF C 73-139 ;
● lave-mains (chauffe-eau instantané de puissance inférieure à 3 kW) : NF C 73-142 ;
● groupe de sécurité hydraulique : cet ensemble, obligatoire pour tout appareil sous pression, comprend un robinet d’arrêt, un clapet de retenue, une soupape de sûreté et un dispositif de vidange ; la norme NF C 73-301 fixe ses caractéristiques de fonctionnement.
●Utilisation du gaz
Le lecteur pourra utilement se reporter, dans le présent traité, aux articles spécialisés.
— L’installation de chauffe-eau à gaz dans les logements est sou- mise à l’arrêté « gaz » du 2 août 1977, rendant obligatoire certaines prescriptions des DTU 61-1 Installations de gaz, 65-4 Prescriptions techniques relatives aux chaufferies et 24-1 Travaux de fumisterie.
Pour les ERP, et selon la nature des établissements concernés, il convient de se reporter aux articles GZ et CH du « Règlement de Sécurité contre les risques d’incendie et de panique dans les Établis- sements Recevant du Public ».
— Les appareils fonctionnant au gaz font eux aussi l’objet d’une marque nationale « NF GAZ », certifiant la conformité aux normes :
NF D 35-321, pour les appareils de production instantanés.
NF D 35-325, pour les appareils à accumulation.
NF D 35-336, pour les chaudières à double usage.
●Chauffe-eau thermodynamique
On se référera aux normes NF E 38-151, 38-152 et 38-200 (récupé- ration à partir d’équipements frigorifiques).
●Chauffe-eau solaire
Les capteurs doivent satisfaire aux normes NF P 50-111, 50-501, 50-502, 50-511, les ballons à la norme NF P 50-301 et les chauffe- eau solaires individuels à la norme NF P 50-521. Enfin, la norme NF P 50-601 retranscrit le DTU 65-12 (Réalisation des installations de capteurs solaires plans à circulation de liquide ).
●Réseaux de chaleur : pour les réseaux d’eau surchauffée (tem- pérature du fluide primaire supérieure à 110 oC), on se référera au DTU 65-9, et pour les réseaux de vapeur, au Guide Pratique des Pos- tes de Raccordement [10].
3. Systèmes de production d’eau chaude.
Règles de conception
3.1 Composition générale
Toute installation peut se décomposer ainsi :
■la production, dont les éléments constitutifs sont :
— la source d’énergie : combustible traditionnel (fuel, gaz, char- bon, bois), électricité, réseau de chaleur, énergie solaire ou de récupération (condenseur de groupe frigorifique, par exemple) ;
— le dispositif de transfert de chaleur, qui peut être intégré à l’appareil de production d’ECS, ou faire appel à des chaudières ou échangeurs réchauffant un fluide intermédiaire (production dite indirecte) ;
— un ensemble facultatif de stockage de l’eau chaude, soit consti- tué par le système de réchauffage lui-même, soit séparé physi- quement.
■la distribution, par un réseau ouvert en ligne ou en boucle, où l’eau chaude puisée est remplacée en amont du dispositif de pro- duction par de l’eau froide.
■la fourniture, constituée par les appareils sanitaires et leur robi- netterie.
3.2 Classification et choix
■Production individuelle ou collective
●En général, une installation collective présente un coût d’instal- lation inférieur à la somme des coûts des installations individuelles qu’elle remplace ; elle dure plus longtemps et coûte aussi moins cher en entretien. Elle est également moins encombrante et, éventuelle- ment, moins bruyante que les équipements individuels situés dans les locaux occupés, sauf dans le cas de préparation électrique.
En outre, elle conduit à des rendements de production souvent supérieurs à ceux des systèmes individuels, et permet d’exploiter le foisonnement des puisages. Néanmoins, le rendement global de l’installation collective se trouve affecté (du fait des pertes calori- fiques) par le rendement moyen annuel de distribution, lequel dépasse rarement 70 % et dépend bien sûr de la qualité du calorifugeage (§ 1.3).
●Toutefois, on notera la souplesse de fonctionnement de l’instal- lation individuelle, l’autonomie des usagers et l’absence de gestion des consommations.
■Énergie
Tout type d’énergie est susceptible d’être utilisé pour produire l’ECS. Les énergies le plus fréquemment employées sont le fuel et le gaz pour les installations double usage (chauffage et ECS), le gaz et l’électricité pour les installations spécifiques (ECS seule).
■Production instantanée ou à accumulation
À l’inverse de la production instantanée, le système à accumu- lation permet de dissocier le rythme de la production des varia- tions brusques de la demande, en effectuant un écrêtage des pointes de consommation et un lissage des besoins d’énergie. Il réduit donc le coût de la puissance. En contrepartie, le stockage présente deux inconvénients :
— investissement supplémentaire (coût direct et coût du volume occupé) ;
— perte d’énergie sous forme de déperditions thermiques par les parois.
■Installation double usage (chauffage et ECS) ou spécifique (production ECS seule)
●L’installation double usage permet de réduire le coût d’instal- lation, la production de chaleur étant commune. Ses principaux inconvénients sont :
— une puissance installée excessive, pour la fonction chauffage, avec les systèmes de production instantanée (§ 3.3.2) et, dans une moindre mesure, avec les systèmes à accumulation ;
— une élévation excessive de la température en début de souti- rage, pour les chaudières individuelles double usage à production instantanée ;
— la nécessité de conserver le système de production de chaleur en service, hors saison de chauffe, donc avec un rendement médiocre ; ce rendement peut néanmoins être amélioré de diverses manières :
• le choix d’une puissance de chaudière adaptée aux besoins d’ECS pour les installations collectives à plusieurs chaudières,
• le choix d’une chaudière à faibles pertes à l’arrêt, l’utilisation de la condensation ou la mise en œuvre d’une deuxième source d’énergie hors saison de chauffe, généralement l’électricité ; dans ce dernier cas, l’installation de production d’ECS à accumulation permet d’exploiter la tarification EDF en heures d’été.
●L’installation spécifique ou simple usage permet de dimen- sionner au mieux chacune des deux installations, associant par exemple un chauffage collectif à des productions d’ECS indivi- duelles, et rendant possible l’utilisation d’énergies différentes.
3.3 Description technique
Le lecteur pourra se reporter aux articles spécifiques dans les traités Génie électrique et Génie énergétique.
3.3.1 Production individuelle, simple usage
■Production semi-instantanée par l’électricité
Dans cette catégorie, on distingue deux types d’appareils :
— les chauffe-eau électriques instantanés, de puissance 10 à 24 kW ; ils sont peu utilisés, car pénalisés par leur forte puissance électrique appelée ;
— les chauffe-eau dits rapides, de capacité 50 L maximum, de puissance 120 à 200 W/L avec temps de chauffe inférieur à 45 minutes ; peu encombrants, ils s’installent directement à proximité du point de puisage.
■Production à accumulation par l’électricité
Cet appareil d’usage très fréquent, de capacité 50 L minimum, de puissance 10 à 12 W/L est équipé d’un thermostat limitant la tempé- rature de l’eau à 60 ou 65 oC, dont le point de consigne n’est géné- ralement pas modifiable. Il peut être de type horizontal ou vertical (meilleure efficacité).
■Production par pompe à chaleur (chauffe-eau thermodynamique) Le plus souvent, il s’agit d’une pompe air/eau, prélevant l’énergie sur l’air extérieur, l’air ambiant d’un local secondaire (sous-sol, cellier) ou l’air extrait du logement. Cette dernière solution est la plus recommandée car la plus performante (température constante et relativement élevée de la source froide).
Le ballon à accumulation complétant l’équipement (généralement 300 L) est souvent doté d’une résistance d’appoint de 2 kW environ pour faire face aux besoins (figure 2).
Malgré tout, le marché du chauffe-eau thermodynamique reste modeste comparé à celui des pompes à chaleur destinées au chauf- fage des locaux. La rentabilité sur le long terme est plutôt faible, du fait notamment de la température élevée de production d’ECS (45 à 50 oC minimum), entraînant un coefficient de performance modeste (
≈
2).■Production instantanée par le gaz
Le fonctionnement de ces appareils est limité à celui du soutirage d’ECS. On distingue :
— les appareils non raccordés à un conduit d’évacuation ;
— ceux conçus pour être raccordés à un conduit ;
— les appareils à circuit de combustion étanche à ventouse.
Fonction de la puissance utile nominale, la terminologie employée est la suivante :
— chauffe-eau, pour une puissance de l’ordre de 8 à 9 kW ;
— chauffe-bains, pour une puissance comprise entre 17 et 28 kW ;
— générateurs d’eau chaude, pour une puissance comprise entre 29 et 70 kW.
En conclusion, on adopte généralement la production collec- tive, sauf dans les cas suivants :
— distance importante séparant la production des points de puisage, et foisonnement mauvais (appels maximaux à peu près simultanés ; par exemple, la restauration, les douches d’entre- prise...) ;
— besoins faibles, compte tenu de la distance [besoins peu élevés, par utilisateur, et trop dispersés géographiquement (col- lectif diffus)].
En règle générale, et compte tenu de la hiérarchie actuelle des coûts des énergies :
— le gaz naturel, lorsqu’il est disponible sur le site, est fré- quemment employé ;
— dans le cas contraire, si les besoins sont importants, l’énergie fuel est retenue, avec variante biénergie électrofuel si les besoins en été le justifient ;
— si les besoins sont faibles, on retient généralement l’élec- tricité, le gaz naturel ou le GPL (gaz de pétrole liquéfié).
En général, la solution à accumulation est la plus souvent retenue, notamment dans le cas du préparateur ou chauffe-eau électrique (fonctionnement en heures creuses à tarif réduit).
La production instantanée ou semi-instantanée trouve son application lorsque les besoins sont importants et avec un profil de puisage continu.
14/09/2008 Madame, Monsieur Dossier délivré pour
________________________________________________________________________________________________________________ EAU CHAUDE SANITAIRE
Ces appareils sont habituellement réservés à la desserte d’un petit nombre de points de puisage.
■Production à accumulation par le gaz
L’eau est stockée dans un réservoir calorifugé, dont la capacité varie de 75 à 200 L, à une température limitée à 60 oC. L’eau étant réchauffée avant et durant les puisages, ce système permet de dis- tribuer de grandes quantités d’ECS et d’alimenter plusieurs postes de puisage. Suivant le type d’appareil (chauffe normale, rapide ou ultra-rapide), la reconstitution de la réserve s’effectue entre 20 min et 1 h 30. Ce temps de chauffage dépend bien sûr du rapport entre le volume de stockage et la puissance utile de l’appareil. En outre, le volume de stockage peut être augmenté par adjonction d’un ballon tampon relié par une boucle de charge au départ de l’installation (figure 3).
Les appareils sont disponibles en version haut rendement ou condensation.
■Production par énergie solaire
L’impossibilité de compter avec certitude sur une couverture solaire totale des besoins d’ECS conduit à mettre en œuvre des sys- tèmes bi-énergie, dont le coût d’installation est plus élevé que celui des systèmes traditionnels. Parmi ceux-ci, le système électrosolaire est le plus fréquemment rencontré, suivant deux types d’installation.
●Un ballon de préchauffage de l’ECS, situé juste au-dessus du capteur solaire et alimenté par thermosiphon, est placé en série sur l’alimentation en eau froide de l’installation traditionnelle (en l’occurrence, un chauffe-eau électrique).
●Afin d’éviter le coût d’un deuxième stockage, on fait appel à un ballon électrosolaire recevant le serpentin du circuit solaire en partie basse et la résistance électrique d’appoint en partie haute. De la sorte, la stratification des températures à l’intérieur du ballon garantit la non-dégradation de la performance solaire par l’énergie d’appoint (figure 4).
Ce système nécessite par ailleurs une régulation stoppant la circu- lation de la boucle de récupération solaire, lorsque celle-ci n’est plus permise par les différents niveaux de température.
3.3.2 Production individuelle, double usage
■Production par le gaz : dans ce cas, il s’agit de chaudières de faible puissance (< 28 kW) de type mural.
●Production instantanée
Comme indiqué au paragraphe 3.2, la puissance de la chaudière, déterminée pour la couverture des besoins en ECS, est souvent disproportionnée pour la fonction chauffage (de l’ordre de 23 à 28 kW pour l’ECS, au lieu de 5 à 8 kW pour le chauffage). C’est pourquoi les chaudières fonctionnent pour la plupart selon deux régimes : un régime réduit pour le chauffage, adapté automatiquement ou manuellement à l’installation, et un régime maximal pour la pro- duction d’ECS. Deux types de conception se distinguent :
— le chauffage de l’ECS est direct : la chaudière est équipée de deux circuits hydrauliques alimentant deux surfaces d’échange séparées, une pour le chauffage, l’autre pour l’ECS ; en cas de souti- rage, une valve à venturi coupe la pompe du circuit de chauffage et ouvre en grand le robinet d’arrivée du gaz pour assurer le réchauffage de l’ECS ;
— le chauffage de l’ECS est indirect : le circuit primaire est envoyé soit vers le circuit de chauffage, soit vers un échangeur secondaire pour le réchauffage de l’ECS en cas de soutirage ; cet échangeur sup- plémentaire conduit à des temps de réchauffage plus longs que dans le cas précédent.
Figure 2 – Vue éclatée d’un chauffe-eau thermodynamique
Figure 3 – Schéma d’installation d’un générateur d’eau chaude à gaz à accumulation avec ballon tampon
Figure 4 – Schéma de principe d’une installation de production d’ECS solaire individuelle
Une évolution de ces chaudières est proposée par la mise en œuvre d’un échangeur complémentaire à condensation, générale- ment placé au-dessus du corps de chauffe principal, et raccordé hydrauliquement en amont de ce dernier. Il permet d’augmenter le rendement de l’échange en préchauffant l’ECS avant l’entrée dans l’échangeur principal, par diminution de la température des fumées (condensation de la chaleur latente).
●Production à accumulation
Dans ce cas la réserve d’eau chaude permet de réduire nota- blement la puissance utile de la chaudière et apporte une souplesse d’utilisation et une stabilité de température ECS accrues. Pour un débit instantané de 170 à 350 L/h, la puissance nécessaire n’est plus que de 7 à 14 kW.
Ce système associe, dans une même enveloppe ou sous forme d’éléments séparés, la chaudière à deux circuits hydrauliques indé- pendants et le ballon de stockage. Ce dernier peut d’ailleurs être combiné, en première installation ou après coup, à une chaudière double usage à production instantanée, pour faire face à des besoins d’ECS plus importants par exemple.
■Production à accumulation par combustible
On se réfère non aux chaudières de type mural, mais plutôt aux chaudières au sol de puissance moyenne.
Plusieurs variantes de ce système sont disponibles sur le marché, suivant l’énergie utilisée et la position du réservoir d’ECS. Dans tous les cas, la chaudière assure le chauffage d’un fluide primaire destiné d’une part au chauffage des locaux et d’autre part au réchauffage de l’ECS, soit par l’intermédiaire d’un serpentin, soit par un réservoir à double enveloppe.
Le réservoir peut être situé de trois façons différentes :
— intégré à la chaudière, au-dessus du corps de la chaudière, le circuit primaire fonctionnant en thermosiphon ; dans ce cas, la tem- pérature du stock ne se stabilise qu’en période de non-soutirage (figure 5a) ;
— intégré à la chaudière, en dessous du corps de la chaudière ; ce montage, de plus en plus souvent adopté par les fabricants, permet de mieux contrôler la température du stock par la nécessité d’installer une pompe de charge, laquelle assure de plus le fonction- nement prioritaire de la production d’ECS (figure 5b) ;
— séparé de la chaudière, avec un circuit de charge également équipé d’un circulateur fonctionnant en tout ou rien suivant la demande ; cette solution permet de choisir plus librement le volume de stockage à mettre en œuvre.
3.3.3 Production collective
■Production instantanée par l’électricité
Ce système associe une chaudière électrique à un préparateur d’ECS instantané, dont le volume de stockage est inférieur aux besoins maximaux susceptibles d’être appelés en une heure. Géné- ralement, ce principe est mis en œuvre sur une installation existante fonctionnant avec des chaudières à combustible fossile (figure 6), sur le principe de la relève.
L’électricité est alors utilisée durant les périodes tarifaires favo- rables, selon le combustible employé (heures creuses, hiver et/ou été). La chaudière électrique alimente le primaire du préparateur existant, et permet également d’assurer le maintien en tempéra- ture de la boucle de distribution, en enclenchant tout ou partie de la puissance électrique.
L’inconvénient de ce système réside principalement dans la néces- sité de prévoir une puissance électrique importante, d’où une inci- dence sur la prime fixe non négligeable. Cette incidence pour une utilisation réduite (durée de production ECS limitée à la seule relève) a pour effet d’augmenter la durée de l’amortissement faible.
Figure 5 – Schémas de principe d’une chaudière à combustible avec ballon de production d’ECS intégré
Figure 6 – Schéma de principe
d’une production d’ECS instantanée électrique en relève de chaudière
14/09/2008 Madame, Monsieur Dossier délivré pour
________________________________________________________________________________________________________________ EAU CHAUDE SANITAIRE
■Production instantanée à combustible
L’installation comprend, dans ce cas, un échangeur alimenté par le primaire de la chaudière à combustible, la modulation de puis- sance étant habituellement réalisée à partir d’une vanne de régulation à trois voies. Le schéma de principe est donc équivalent à celui de la figure 6, à l’exception de la chaudière électrique.
Du fait des inconvénients inhérents à ce système (mauvaise exploi- tation de la puissance nécessaire à la production d’ECS notamment), ce principe est de moins en moins exploité. Toutefois, les rendements élevés (supérieurs ou égaux à 90 % sur PCI), obtenus à partir de chau- dières à condensation, rendent cette solution encore acceptable, pour le gaz notamment. Dans ce cas, on veillera à installer une réserve sur l’arrivée d’eau de ville pour garantir une irrigation constante du condenseur et assurer ainsi le préchauffage de l’ECS.
■Production semi-instantanée ou en semi-accumulation par l’électricité
Ce système s’apparente à celui décrit pour la production instan- tanée. Toutefois, le volume de stockage, inférieur aux besoins maxi- maux susceptibles d’être appelés en 3 heures, permet de limiter la puissance nécessaire pour la chaudière électrique.
■Production semi-instantanée par combustible ou à partir d’un réseau
Ce type d’installation associe soit une chaudière à combustible, soit un échangeur de chauffage urbain, utilisable simultanément pour le chauffage des locaux, à un préparateur séparé de type semi- instantané, alimenté par une boucle primaire. Cet ensemble de pré- paration comprend, d’une part, une surface d’échange (serpentin ou double enveloppe de réservoir, échangeur tubulaire ou à plaques) et, d’autre part, le réservoir de stockage.
Les avantages reconnus de ces systèmes sont les suivants :
— la limitation de la puissance nécessaire, du fait de l’étalement de la charge ;
— la grande stabilité de la température de distribution d’ECS ;
— la bonne tenue dans le cas de pointes de soutirage importantes.
En contrepartie, il faut noter le problème posé par l’entartrage ou la corrosion des surfaces d’échange, ainsi que le surcoût du réservoir de stockage, par rapport au système instantané.
■Production à accumulation par l’électricité
Un tel système est constitué d’un ou plusieurs appareils de stoc- kage de forte capacité, équipés de résistances électriques pour le
chauffage et le maintien en température de l’ECS. Ils sont montés en série sur le circuit hydraulique, avec un by-pass permettant d’isoler chacun d’eux séparément si nécessaire (figure 7).
Leur capacité totale doit permettre de couvrir la totalité des besoins journaliers. L’installation comprend notamment :
— un dispositif de sécurité hydraulique (groupe de sécurité) par appareil ;
— une canalisation de retour ou de boucle, avec pompe de circulation ;
— le cas échéant, un réchauffeur de boucle (dont la puissance est à souscrire en heures pleines) ; dans ce cas, la boucle doit être rac- cordée en aval des capacités de stockage (figure 7).
On peut aussi maintenir la température de boucle à l’aide du stoc- kage, ce qui revient à réduire la puissance souscrite en heures plei- nes.
Nota : pour maintenir la température de boucle à l’aide du stockage, on fait le bouclage sur un ballon ECS, avec suppression du réchauffeur de boucle, donc réduction de la puis- sance souscrite, mais aussi diminution de la capacité de stockage, du fait du refroidisse- ment par la boucle.
Il est possible également de réduire le volume de stockage en choi- sissant une température supérieure à 60 oC, ce qui nécessite alors l’installation d’un mitigeur thermostatique au départ du réseau de distribution ECS.
Bien entendu, afin d’optimiser le coût d’installation d’un tel système, l’alimentation électrique des thermoplongeurs doit être rigoureusement pilotée et programmée en fonction des différentes tranches tarifaires EDF. Outre l’exploitation des heures creuses EDF, les avantages d’une telle solution sont identiques à ceux énumérés pour la production semi-instantanée par combustible. Côté incon- vénients, il convient de noter ceux relatifs à l’encombrement et aux pertes thermiques dues aux préparateurs.
■Production à accumulation par combustible ou à partir d’un réseau
●Le schéma de principe de ce système s’apparente à celui du cas précédent, à la différence près du dispositif de réchauffage, constitué ici d’une épingle alimentée en fluide primaire à partir d’une chaudière à combustible ou d’une sous-station raccordée à un réseau de chauf- fage urbain. Néanmoins, le fait d’utiliser une source d’énergie à tari- fication unique conduit à étendre la période de fonctionnement des réchauffeurs à toute la journée. De ce fait, il est possible de réduire le volume de stockage à la valeur permettant d’effacer les pointes de soutirage les plus élevées dans l’année.
Figure 7 – Installation de production
Par ailleurs, la puissance de réchauffage étant faible par rapport aux besoins hivernaux de chauffage, il est conseillé de prévoir une chaudière de puissance adaptée, spécifique aux besoins d’eau chaude, qui sera utilisée seule en été, pour ne pas dégrader trop fortement le rendement global de production. Pour le chauffage urbain, un échangeur de puissance adaptée est recommandé, notamment pour permettre un fonctionnement des vannes de régulation dans la plage optimale.
●Une autre solution, de type bi-énergie, consiste à prévoir l’ins- tallation de résistances électriques dans le ballon de stockage, en plus du réchauffeur à eau chaude. L’ECS est alors produite à partir de l’électricité au tarif d’été. La détermination du volume de stockage doit alors tenir compte de l’accumulation nécessaire pour la période de fonctionnement retenue en été.
■Production par énergie solaire
L’intérêt d’une installation solaire réside dans l’utilisation d’une énergie gratuite, permettant de réduire le coût annuel de la produc- tion ECS, tout en faisant appel néanmoins à un système d’appoint garantissant le niveau de température. La décision de réaliser une telle installation est directement liée à la durée d’ensoleillement local (environ 1 600 h par an à Lille, 2 800 h à Nice).
Les valeurs habituelles des besoins en secteur résidentiel conduisent à l’installation de 2 m2 de capteurs plans par personne, associés à un stockage de 100 à 150 L par personne également. Un calcul spécifique est toutefois indispensable pour chaque cas.
Parmi les différentes solutions techniques, celle réalisant un bou- clage sur un stockage purement solaire, placé sur le circuit d’alimentation en eau froide, est intéressante (figure 8). Moyennant une vanne de régulation à trois voies placée sur le circuit primaire, fonctionnant en tout ou rien et by-passant l’échangeur dès que l’écart de température primaire/secondaire n’est plus favorable, l’efficacité de la récupération d’énergie est optimale.
Un deuxième ensemble de régulation permet d’ajuster le niveau de température requis, à partir du système d’appoint placé en aval du stockage.
En contrepartie de la réduction du coût de production d’ECS, les principaux inconvénients d’une telle installation sont les suivants :
— la difficulté d’implantation des capteurs (orientation, absence de masque) ;
— les servitudes du nettoyage régulier des capteurs ;
— l’importance du volume de stockage nécessaire ;
— l’investissement assez lourd.
3.4 Règles de calcul
3.4.1 Généralités
■Grandeurs à déterminer
Le calcul d’un système doit aboutir à la détermination :
— de la puissance thermique nécessaire au réchauffage de l’ECS (ou la puissance complémentaire pour les installations double usage) et, le cas échéant, au maintien en température de la boucle de recyclage ou du réseau de distribution (traceur) ;
— du volume de stockage, sauf pour les systèmes instantanés ;
— des débits maximaux d’ECS, pour le calcul du réseau de distri- bution.
■Droites d’égal confort
— Convenons, pour un système déjà chargé, c’est-à-dire où le volume destockage VS est à la température de consigne Tgen, que le besoin à satisfaire soit le puisage d’un volume VP en un temps tP. La puissance P (en watts) de réchauffage nécessaire en complé- ment peut s’exprimer par :
P = 1,16 (Tgen – TS min) (VP – VS)/tP (1) avec TS min variable entre TF (température entrée de l’eau froide), si la stratification dans le ballon est parfaite, et Tdis – 5 K (Tdis étant la température de distribution au départ du réseau), selon le confort garanti.
Le coefficient 1,16 indique qu’il faut 1,16 W pour élever 1 litre d’eau de 1 oC en 1 h.
Les volumes sont exprimés en litres, les températures en oC et le temps en heures.
Figure 8 – Production d’ECS solaire collective
