Prédimensionner une installation sanitaire tertiaire

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.

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 puisage
   On 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 réelles
   La 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).

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 :

• E_acc énergie puisée durant une journée entière en kWh
• V_60acc 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 :

• T°_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.

• 0,9 = coefficient de majoration pour tenir compte des pertes de stockage durant la période de reconstitution du stock.
• P_dis = 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.

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

Deux situations peuvent se présenter :

1° 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.
Calculs	Pour accéder au logiciel de calcul.

2° 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.

• V₆₀ = volume puisé durant la période la plus critique, ramené à 60°C (en litres)
• V = volume du ballon de stockage (en litres)
• T_ec = 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_p = 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

• t_r = 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.

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.

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

1° 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.

2° 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.

3° 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.

4° 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

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