Définition des besoins
1.1 Généralités
Les besoins d’une installation d’ECS dépendent de trois paramètres [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
- 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 régulièrement, y compris durant la période de crise de l’énergie, malgré l’utilisation de robinets limiteurs de débit d’eau, à coupure automatique 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 dans les logements collectifs.
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.
■ 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
- les besoins moyens annuels, selon le nombre de pièces que comporte le logement, en litres/jour pris à 60 oC,enfin ceux à adopter pour le dimensionnement . 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,
- La durée moyenne d’utilisation s’établit à environ 340 jours par an (durée moyenne), 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 .
• 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,
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.
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 80 et 93 %, si toute l’énergie est utilisée sur un cycle diurne ;
• 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.
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.
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.
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.
1.4 Installations du secteur tertiaire.
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 pauses, entraînant un débit de pointe maximal. .
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.
● 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.