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Auteur : les anciens

Mars 2009 : Thibaud

Notes :

  • antidote appliqué. Thibaud
  • Style css des tableaux : Thibaud

03.04.09

  • Winmerge : ok – Sylvie
  • Mise en page [liens internes, tdm, en bref !, passage général sur la mise en page de la feuille] – Sylvie

Objectif : un ordre de grandeur réaliste

La difficulté de l’évaluation pour un bâtiment neuf

Idéalement, l’installation se dimensionne se base sur le profil de puisage (quantité d’eau puisée en fonction du moment de la journée) le plus critique.
Or la constitution de ce profil de puisage n’est pas évidente dans un bâtiment neuf puisque l’on ne connaît pas encore son mode de fonctionnement. Tout au plus connaît-on les équipements sanitaires et peut-on imaginer des scénarios réalistes.
Le bureau d’études, soucieux de garantir le confort à 200 %, prend alors de fortes sécurités. Lors des audits d’installation, il n’est pas rare de rencontrer des ballons de stockage 2 à 3 fois plus volumineux que nécessaire.
Avec la conséquence que l’on imagine sur les pertes de stockage…

La possibilité de réajuster le tir dans un bâtiment existant

Dans les bâtiments existants, il est possible de connaître précisément le mode d’utilisation, moyennant le placement d’un compteur sur la fourniture d’eau chaude. Le coût de ce dernier est en général souvent vite remboursé par l’économie d’investissement lors du remplacement du matériel et par l’économie d’énergie qui résulte d’un dimensionnement plus strict.
Malgré cela, peu d’installateurs prennent la peine de passer par cette étape. C’est donc au gestionnaire de l’imposer.

Pas de méthode normalisée pour les bâtiments tertiaires

En Belgique, il n’existe malheureusement pas de méthode normalisée de dimensionnement des installations d’eau chaude sanitaire. Il existe seulement une Note d’Information Technique du CSTC, basée sur la norme allemande DIN 4708, qui présente le moyen de définir le profil de puisage d’un immeuble à appartements en fonction du nombre de logements.

Il n’existe pas « un » volume de stockage possible

Il existe une infinité de solutions :

  • depuis le ballon de stockage capable durant la nuit de préparer l’eau chaude de toute une journée,
  • jusqu’à l’échangeur instantané qui ne stocke rien à l’avance,
  • en passant par toutes les solutions intermédiaires de ballons tampons qui gèrent la pointe et se rechargent en cours de journée par un échangeur interne.

Il est possible de checker l’ordre de grandeur

En se fixant des hypothèses de départ, la démarche développée ci-dessous permet de fixer un ordre de grandeur réaliste pour les équipements.

Le profil de puisage

La connaissance de la quantité d’eau chaude puisée est indispensable pour dimensionner correctement l’appareil de production, quel que soit le système choisi.
Il existe trois méthodes pour établir le volume puisé dans un bâtiment :

  1. Les profils typesOn peut se référer à des statistiques de consommation établies sur des bâtiments identiques.On appliquera souvent cette méthode pour les bâtiments neufs.
  2. Le recensement des points de puisageOn peut répertorier les points de puisage, leur débit nominal et leur période d’utilisation d’après les statistiques disponibles.Des exemples de débits pour des points de puisage typiques peuvent être utilisés.Ce recensement est à réaliser avec énormément de prudence. En effet, le risque de surdimensionner largement le système est important si on n’établit pas un scénario d’utilisation simultanée des différents points de puisage.
  3. Le comptage des consommations réellesLa méthode idéale est de mesurer la consommation réelle d’eau chaude. Cette méthode sera la plus adaptée dans le cadre de rénovations dans le secteur tertiaire.Une campagne de mesures au moyen de compteurs d’eau, soit sur l’alimentation des différents points de puisage ou appareils consommateurs, soit sur l’alimentation en eau froide de l’appareil de production existant, met à l’abri de tout sur ou sous-dimensionnement du système.
Uniformisation des températures de l’eau chaude puisée :

La température de l’eau puisée varie en fonction du type de puisage.

Aussi, pour permettre l’addition de volumes puisés à des températures différentes, les volumes Vx à une température Tx seront convertis en volumes d’eau équivalents à 60°C par l’expression suivante :

V60 = Vx

Dans cette expression, 10° représente la température moyenne de l’eau froide

Si la température de l’eau puisée est inconnue, on considérera :

  • pour les cuisines : TX = 55°C,
  • pour les sanitaires : TX = 45°C,

Si les volumes puisés sont mesurés par compteur sur l’alimentation en eau froide de l’appareil de production :
TX = température de l’eau du ballon (ou en sortie de l’échangeur si le ballon est inexistant).

Coefficient d’efficacité « a » du ballon de stockage 

Lorsque de l’eau chaude est puisée, de l’eau froide envahit le bas du ballon, le haut restant disponible pour l’utilisation suivante.
Mais dans certains cas (ballon horizontal, retour de la boucle dans le ballon, …), un mélange d’eau chaude et froide se produit, si bien que de l’eau à 35 … 40°C se forme. Cette eau est inutilisable. La température du ballon ne peut descendre en dessous de la température minimum de distribution de l’eau (par exemple, la température de distribution est de 45°C, pour assurer 40°C à tous les points de puisage). Le volume du ballon nécessaire pour offrir le même confort sera alors nettement supérieur.
Moyennant une construction adéquate de l’appareil, la stratification dans le ballon est optimale et l’énergie exploitable du ballon est maximum. Dans ce cas, on considère qu’au moment où le ballon ne fournit plus le confort adéquat aux utilisateurs, la température de l’eau est proche de la température de l’eau froide, à savoir 10°C.
Ainsi, le volume d’un ballon avec bonne stratification peut être inférieur au volume d’un ballon où il y a mélange intégral entre l’eau froide et l’eau chaude de plus de 50 %, pour un même confort fourni à l’utilisateur ! Ceci est illustré dans le graphe ci-dessous, où deux ballons, un avec bonne stratification (a = 0,9), l’autre avec un mélange important(a = 0,5), sont vidés en parallèle, l’eau chaude étant remplacée par de l’eau à 10° et aucune source de chaleur ne réchauffant le stock.

Température de l’eau fournie par deux ballons en fonction du temps de puisage.
L1 = limite de confort pour un ballon avec mauvaise stratification
L2 = limite de confort pour un ballon avec bonne stratification.

Dans les calculs, pour tenir compte du degré de stratification des ballons, on considère une température minimum possible du stock de 10° et on y associe un coefficient d’efficacité ‘a’. Dans la plupart des cas courants, celui-ci prend une valeur de 0,8 à 0,95 (bonne stratification), ce qui signifie que 80 à 95 % du volume réel du ballon est utilisable pour la température voulue. Si on se trouve dans le cas d’un ballon avec mélange important, ‘a’ peut descendre jusqu’à 0.45.

Préparation instantané

Un système de production d’ECS instantané ne comporte pas de volume de stockage. Son dimensionnement consiste à déterminer la puissance du générateur (production directe) ou de la chaudière et de l’échangeur (production indirecte).
En pratique, cette puissance correspondra à la puissance nécessaire pour subvenir aux besoins maximum en 10 minutes.

Etape 1 : Énergie maximum puisée en 10 minutes

Il s’agit de déterminer le volume d’eau maximum (équivalent à 60°C) puisé en 10 minutes durant la journée la plus chargée de l’année. Le volume d’eau chaude puisé a été déterminé. L’énergie maximum puisée en 10 minutes via l’eau chaude est alors donnée par la formule :

Einst = 1,16 x V60inst x (60° – 10°) / 1 000

avec,

  • Einst = énergie puisée maximum en 10 minutes en kWh
  • V60inst = volume maximum, puisé en 10 minutes, exprimé en litres, ramené à 60°.
  • 1,16 / 1 000 = coefficient de correspondance (capacité thermique d’un litre d’eau)
  • 10° = température de l’eau froide

Etape 2 : Puissance de la production

La puissance (en kW) de l’échangeur (ou du générateur) équivaudra à

Puissance = Einst x 6 + Pdis

avec,

  • Pdis = pertes dans le réseau de distribution. Dans le cas d’une boucle de distribution, il s’agit de la puissance de maintien en température de celle-ci.

Calculs

Un petit logiciel permet d’estimer ces pertes de distribution : cliquez ici !
Exemple.

Les sanitaires comportent 10 douches. La demande de pointe maximum est basée sur le fonctionnement simultané de 6 douches. Chacune d’entre elles ayant un débit instantané de 10 litres/min, on estime la demande à 600 litres en 10 minutes à 40°C.

Cette demande est

convertie en demande à 60°C :

600 x (40 – 10) / (60 – 10) = 360 litres

On en déduit

l’énergie correspondante :

1,16 x 360 X (60 – 10) / 1 000 = 20,88 kWh/10 minutes

Et donc la puissance :

20,88 x 6 = 125,28 kW

Préparation par accumulation pure

Dans ce cas, l’entièreté des besoins journaliers est stockée. Le stock est reconstitué durant la nuit.

Étape 1 : Énergie puisée durant la journée

Le volume d’eau chaude maximum (équivalent à 60°) puisé durant la journée la plus chargée de l’année a été déterminé. L’énergie puisée via l’eau chaude est donnée par la formule :

Eacc = 1,16 x V60acc x (60° – 10°) / 1 000

avec,

  • Eacc énergie puisée durant une journée entière en kWh
  • V60acc volume d’eau chaude total puisé durant une journée, ramené à 60°C, en litres
  • 1,16/1 000 coefficient de correspondance (capacité thermique d’un litre d’eau)
  • 10° température de l’eau froide

Étape 2 : Volume de stockage et puissance de l’échangeur

Le volume du ballon de stockage est donné en litres par :

Volume =

avec,

  • ec = température de l’eau du ballon
  • 10° = température de l’eau froide
  • a = coefficient d’efficacité du stockage

La puissance de l’échangeur, donnée en kW par la formule suivante, permet de reconstituer le stock d’eau chaude en 6 ou 8 heures.

Puissance =

avec,

  • 0,9 = coefficient de majoration pour tenir compte des pertes de stockage durant la période de reconstitution du stock.
  • Pdis = pertes dans le réseau de distribution. Dans le cas d’une boucle de distribution, il s’agit de la puissance de maintien en température de celle-ci.

Calculs

Un petit logiciel permet d’estimer ces pertes de distribution : cliquez ici !

On prendra en général, une puissance minimum de 10 à 12 W/Litre de stock.

Exemple.

Les sanitaires comportent 10 douches. La demande maximum est estimée sur base de 50 douches/jour. Chacune d’entre elles générant 40 litres à 40°C, on estime la consommation journalière à 2 000 litres.

Cette demande est

convertie en demande à 60°C :

2 000 x (40 – 10) / (60 – 10) = 1 200 litres

on en déduit

l’énergie correspondante :

1,16 x 1 200 X (60 – 10) / 1 000 = 69,6 kWh/jour

et donc le volume de stockage :

69,6 x 1 000 / 1,16 x (60 – 10) x 0,9 = 1 333 litres

Préparation en semi-accumulation/semi-instantané

Deux situations peuvent se présenter :

Les besoins sont continus et l’installation peut être décrite par de puisage « critique »

Dans le premier cas, il est possible d’utiliser une méthode du type de celle développée dans la norme IN 4708 ou dans le guide n°3 de l’AICVF. Le principe consiste à établir la courbe représentant les besoins maximum consécutifs que l’on peut rencontrer. On en déduit l’ensemble des couples « puissance – volume de réservoir » qui permettent de satisfaire ces besoins.

Calculs

Pour accéder à la description détaillée de la méthode : cliquez ici !

Calculs

Pour accéder au logiciel de calcul : cliquez ici !

Les besoins sont discontinus, l’installation doit vaincre un débit de pointe sur un temps donné

Dans ce cas, bien que la méthode présentée ci-avant reste évidement d’application, une méthode algébrique simple est possible. Cette méthode n’est applicable que si l’on admet l’hypothèse qu’aucun puisage n’est effectué entre deux pointes et que le stock d’eau chaude est reconstitué durant cette période. L’appareil est évidement dimensionné pour satisfaire la pointe la plus critique.
C’est le cas par exemple dans les halls de sport où les douches sont utilisées durant 10 minutes toutes les heures, aucun puisage n’étant effectué durant les 50 minutes intermédiaires.
La méthode repose sur deux équations,
1. Énergie puisée via l’eau chaude = Energie contenue dans le stock + Energie fournie par l’échangeur durant le puisage.

1.16 x V60 x (60° – l0°) = 1.16 x a x V x (Tec – 10°) + (t– 3) x P x 16,7

où,

  • V60 = volume puisé durant la période la plus critique, ramené à 60°C (en litres)
  • V = volume du ballon de stockage (en litres)
  • Tec = température de l’eau stockée (en °C)
  • 10° = température de l’eau froide et température minimale que peut atteindre le stock tout en garantissant le confort (en °C)
  • a = coefficient d’efficacité du ballon de stockage
  • t= temps de puisage (en minutes)
  • 3 = temps d’attente entre le début du puisage et la mise en action de l’échangeur : 3 minutes en production directe et 5 minutes en production indirecte
  • P puissance de l’échangeur (en kW)
  • 16,7 = facteur de conversion d’unités

2. Energie fournie par l’échangeur durant la période de reconstitution du stock = Energie nécessaire pour augmenter la température du stock jusqu’à la température maximum de stockage

tx P x 16,7 = 1.16 x a x V x (Tec – 10°)

où,

  • t= temps de reconstitution du stock entre 2 pointes de puisage (en minutes)

Ceci permet de déterminer directement :

Volume de stockage : V =

Puissance de l’échangeur : P =

Comme on le voit, cette méthode ne donne qu’une seule possibilité de choix d’appareil, contrairement à la première méthode qui débouche sur plusieurs solutions possibles et donc permet une optimalisation du choix.

Calculs

Pour accéder au logiciel de calcul : cliquez ici !
Exemple.

La période de pointe maximum est de 770 litres à 60°C en 20 minutes. Le stock doit être reconstitué en 30 minutes pour satisfaire la demande suivante. Le coefficient d’efficacité est de 0,9. La température de l’eau stockée est de 60°C.

On obtient un volume de 546 litres et une puissance de 57 kW.

Exemple : le dimensionnement d’une école

Une école comprend :

  • une salle de gym avec 8 douches,
  • un internat équipé de 8 lavabos et 5 douches,
  • une cuisine comprenant un lave-vaisselle et un bac évier.

Remarque : pour simplifier l’exemple, il ne sera pas tenu compte dans le calcul des puissances des pertes de distribution et de stockage.

Profil de puisage

1. La salle de gym

Les lundi, mardi, jeudi, vendredi, les 8 douches fonctionnent simultanément et en continu (vanne d’ouverture commune) pendant 10 minutes après chaque cours (de 9h30 à 12h30 et de 14h30 à 16h30).
Les mercredis après-midi, les activités sportives organisées par l’école, impliquent le même type de fonctionnement.
Le soir, la salle de gym est occupée par des clubs sportifs. La location de la salle se fait à l’heure (de 19 à 22h00).

Profil de puisage du gymnase.

Chaque heure, c’est 640 litres à 45°C qui sont puisés, soit 448 litres à 60°C.

2. L’internat

Les équipements sanitaires de l’internat sont utilisés le matin et le soir. Tous les jours de la semaine sont semblables. Le week-end, l’internat est vide.
L’internat n’est pas occupé durant les vacances scolaires (pas de groupes extérieurs logés).
Après observation, on a déterminé que :

  • Le matin, seulement 2 douches au maximum sont utilisées pendant 10 min. Les 6 lavabos fonctionnent simultanément en continu pendant 10 min.
  • Le soir, les 5 douches fonctionnent en continu pendant 20 min. Seulement 3 lavabos simultanément sont utilisés pendant 20 min. Cela représente une demande de 385 litres à 60°C/10 minutes, durant 20 minutes.

Profil de puisage de l’internat.

3. La cuisine

Les repas chauds du midi sont fournis par un service traiteur.
Seul le lave-vaisselle est donc consommateur. Il fonctionne 1 fois par jour après le repas de midi.

Profil de puisage de la cuisine.

4. Profil de puisage total

Si l’appareil de production d’eau chaude sanitaire doit satisfaire les besoins des 3 groupes d’utilisateurs précédents, il doit satisfaire le profil de puisage repris ci-dessous.

Profil de puisage total en litres à 60°C.

Dans ce profil, l’ensemble des consommations sont ramenées à 60°.
Remarque : nous ne discutons pas ici de l’opportunité de scinder la production D’ECS en unités distinctes et indépendantes. Ni de la pertinence de garder un système où toutes les douches coulent en même temps ! On dira que c’était pour avoir un profil plus simple à présenter !

Profil de l’énergie puisée et courbe des besoins consécutifs

Préparation semi-instantanée ou en semi-accumulation.
Méthode des besoins continus.

Dans un premier temps, on essayera de satisfaire la période de puisage la plus critique.
Le dimensionnement de l’appareil de production pour cette période permettra de définir une puissance et un volume capable de satisfaire n’importe quelle autre demande de la journée.
La période la plus critique s’étale de 19 à 20h. Durant cette période, le maximum d’eau consommée

  • en 10 minutes = 448 l à 60° ou 26 kWh
  • en 20 minutes = 385 + 385 l à 60° ou 45 kWh
  • en 30 minutes = 385 + 385 l à 60° ou 45 kWh
  • en 40 minutes = 385 + 385 l à 60° ou 45 kWh
  • en 50 minutes = 448 + 385 l à 60° ou 48 kWh
  • en 60 minutes = 448 + 385 + 385 l à 60° ou 71 kWh

Le stock doit être reconstitué avant 20h50 pour satisfaire la demande suivante.
On peut déduire de ce profil d’énergie puisée une courbe des besoins consécutifs.

Courbe d’égale satisfaction des besoins

En introduisant le profil de consommation dans le logiciel d’évaluation de la puissance et du volume du réservoir en semi-accumulation (sur base du profil de pointe), on obtient la courbe d’égale satisfaction des besoins. Il est possible de choisir n’importe quel couple Puissance-Réservoir. Plus la puissance est faible, plus le volume du réservoir doit être important.

Préparation semi-instantanée ou en semi-accumulation.
Méthode des besoins discontinus.

Appliquons les formules :

V =

P =

On considère ici deux pointes :
a.A 19h, consommation de 2 x 385 l à 60° en 20 minutes, le stock est reconstitué en 30 minutes.

  • tp 20 min.
  • tr 30 min.
  • V60 770 1
  • Tec 60°
  • a = 0,9

On obtient V = 546 l et P = 57 kW
b.A 19h50, consommation de 448 l à 60° en 10 minutes; le stock est reconstitué en 50 minutes

  • tp 10 min.
  • tr 50 min.
  • V60 = 448 l
  • Tec = 60°
  • a = 0,9

On obtient V = 436 l et P = 27 kW
On retiendra donc les résultats du point a.

Préparation instantanée.

Le débit instantané maximum en 10 min. est de 448 litres d’eau à 60°C.
L’appareil de production instantanée doit avoir une puissance de :

pour pouvoir fournir 448 l d’eau à 60° en 10 minutes.

Préparation en accumulation pure.

Le volume total puisé par jour est de 3 000 litres à 60°
ceci équivaut à une énergie puisée de :

3 000 (60° – 10°) / 1 000 = 174 kWh

Le volume du ballon de stockage devra donc être de :

174 1 000 / a 1.16 (Tec – 10°)

Si on choisit Tec = 60° et a = 0,9, le volume de stockage égale 3 300 litres.
La puissance de l’échangeur nécessaire à la reconstitution du stock en 8h (sans tenir compte des pertes de distribution et de stockage) égale :

174 kWh / 8h = 22 kW

Faut-il additionner les puissances de chauffage du bâtiment et de l’ECS ?

La chaudière est surdimensionnée 364 jours par an puisqu’elle est calculée pour vaincre la pire période froide de l’année (- 10°C, température extérieure de base, arrivant 1 jour par an, en moyenne établie sur 30 ans).
Mais il faut imaginer ce qui se passerait ce jour là !
Tout est fonction du rapport des puissances en jeu.
Dans le cas d’une école, les seuls besoins d’eau chaude sanitaire sont ceux du réfectoire. Et encore, le lave-vaisselle chauffe son eau de façon indépendante.
Dans ce cas, la mise en route du chauffage de l’eau chaude n’entraînera aucune perturbation du fonctionnement du chauffage du bâtiment et il ne faut pas prévoir de supplément de puissance.

  1. Et s’il s’agit d’un hôpital ? Les besoins en eau chaude sanitaire sont constants. Il faut envisager le moment où il ferait – 10°C. Le chauffage devra se superposer à la fourniture de l’eau chaude : les puissances devront s’additionner.

Tentons de définir un critère chiffré :

Imaginons que le bureau d’études se base sur les déperditions des locaux pour définir la puissance des radiateurs (–> + 5 % dans le choix du radiateur dans le catalogue), qu’il additionne toutes ces puissances pour définir la puissance chaudière, qu’il applique un coefficient de relance (+ 20 % environ) pour disposer d’une surpuissance le lundi matin. On suppose qu’il installe 2 chaudières reprenant chacune 60 % de la puissance totale, mais qu’il ne cumule pas les + 20 % correspondants avec celle de la relance.
On voit qu’il n’est pas du tout irréaliste de penser que le surdimensionnement atteint 25 %, au pire moment. Et que donc, tant que la puissance du chauffage de l’ECS ne dépasse pas 25 % de la puissance, aucun supplément ne doit être installé.
On pourra toujours rétorquer que s’il fait – 10° et que c’est un lundi matin …
Méditons sur notre propension à dimensionner nos équipements pour le cas qui arrive une fois par siècle… et à son lien avec la pollution de nos villes.