J-M R. D-BTP

1. LA PRODUCTION D’EAU CHAUDE SANITAIRE J-M R. D-BTP 2006

2. Types de production Calcul des systèmes de production Tableaux et diagrammes de détermination

3. Types de production Production d’eau chaude sanitaire instantanée Production d’eau chaude sanitaire à accumulation Production d’eau chaude sanitaire à semi accumulation Production d’eau chaude sanitaire à semi instantanée

4. Q Échangeur Échangeur Q Production d’eau chaude sanitaire instantanée Principe: Le système de production d’ECS est dit « instantané » lorsqu’il ne dispose d’aucune réserve d’eau (ou volant thermique). L’eau chaude ne sera produite qu’au moment du puisage. L’échangeur devra avoir une puissance suffisante pour satisfaire les pointes de consommation de 10 minutes (Qm).

5. ELECTRIQUE ELECTRIQUE GAZ Raccordement électrique ECS EF Gaz Electricité ECS EF ECS EF ECHANGEUR(fluide primaire) Sortie ECS Entrée PRIMAIRE SECONDAIRE Entrée EF Sortie Production d’eau chaude sanitaire instantanée Applications:

6. Q Q Production d’eau chaude sanitaire à accumulation Le système de production d’ECS est dit « à accumulation totale » lorsqu’il dispose d’une réserve d’eau chaude correspondante aux besoins journaliers. L’eau est maintenue chaude dans la réserve indépendamment du puisage. L’échangeur devra avoir un volume suffisant pour satisfaire les besoins de consommation d’une journée (Qj).

7. GAZ BALLON ELECTRIQUE Raccordement électrique Fluide primaire GAZ ECS ECS ECS Eau froide Eau froide Eau froide Production d’eau chaude sanitaire à accumulation Applications :

8. EAU CHAUDE BALLON ECHANGEUR TAMPON ENTREE FLUIDE PRIMAIRE EAU FROIDE SORTIE Production d’eau chaude sanitaire à semi accumulation Principe: Dans ce type de production, l’eau chaude sanitaire est produite instantanément et stockée dans un ballon tampon dont le dimensionnement lui permet d’assurer un débit de pointe de consommation de 10 minutes (Qm).

9. EAU CHAUDE BALLON ECHANGEUR TAMPON ENTREE FLUIDE PRIMAIRE EAU FROIDE SORTIE Production d’eau chaude sanitaire à semi accumulation Principe: Le système de production d’ECS est doté d’un ballon tampon qui permet d’amortir les variations de température de soutirage, mais qui ne peut absorber la totalité des pointes de consommation de 10 minutes ( Qm )

10. Calcul des systèmes de production Notion de logement standard Logements standards d’un ensemble Consommation journalière Qj Consommation horaire de pointe Qh Période de pointe (T) et coefficient de simultanéité (S ) Dédit horaire de pointe Qh Débit de pointe moyen sur 10 minutes Qm La formule de calcul générale Système instantané Système semi - instantané Système semi - accumulation Système accumulation Puissance de réchauffage d’un stockage PRs Pertes d’un système d’ECS Graphique final Facteur de mélange

11. Notion de logement standard 1/2 Les installations sanitaires des logements étant toutes différentes de par le nombre et la nature des postes d’utilisation, il a été nécessaire, pour calculer les besoins, de définir une « unité de référence » d’installation sanitaire que nous appellerons le logement standard N. Le logement standard est un appartement de 3 à 4 pièces pour 3 à 4 habitants comportant les équipements suivant : - Un évier - Un lavabo - Une baignoire standard

12. Notion de logement standard 2/2 Un logement équipé différemment pourra être traité comme un logement standard en lui appliquant un facteur « p » en fonction des équipements sanitaires venant remplacer ou s’ajouter à la baignoire standard. Exemple 1 : équipement sanitaire du logement A : 1 évier, 1 lavabo, 1 douche N = 0,6 Exemple 2 : équipement sanitaire du logement B : 1 évier, 1 lavabo, baignoire 150 L, 1 douche N = 1,3

13. Logements standards d’un ensemble Considérons un ensemble de 45 logements avec les équipements sanitaires correspondants. Le tableau suivant définit le nombre de logements standards de cet ensemble.

14. Consommation journalière Qj La consommation journalière (Qj) d’eau chaude sanitaire à 60 °C d’un logement standard est estimée à 150 litres. Mais les soutirages sont rarement effectués à une température de 60 °C. Pour diminuer les risques de brûlures, les pertes en ligne, les risques d’entartrage et de corrosion, on limite entre 55 °C et 45 °C la température de distribution d’ECS. (Les risques d’entartrage et de corrosion sont multipliés par 3 de 50 à 55 °C et par 20 de 55 à 60 °C.) La proportion d’eau chaude du mélange est d’autant plus faible que la température de l’eau chaude est élevée. La consommation journalière d’eau chaude est donc fonction de la température de l’eau.

15. Consommation journalière Qj Pour déterminer la consommation d’eau chaude sanitaire. On retiendra une valeur de 160 litres à 55°C comme consommation du logement type standard. Le débit journalier d’eau chaude sanitaire Qj d’un immeuble composé de N logements standards sera donc donné par la formule suivante : Qj = 160 . N Exemple 1 : équipement sanitaire du logement A : 1 évier, 1 lavabo, 1 douche N = 0,6 donc, Qj = 160 x 0,6 = 96 litres Exemple 2 : équipement sanitaire du logement B : 1 évier, 1 lavabo, baignoire 150 L, 1 douche N = 1,3 donc, Qj = 160 x 1,3 = 208 litres

16. Consommation horaire de pointe Qh On constate que 75 % du soutirage journalier Qj est effectué pendant une « période de pointe » de durée T. On constate également que 99 % environ du soutirage journalier s’effectue sur la période 2 T . En considérant un coefficient de simultanéité (s) qui tient compte du foisonnement des divers soutirages dans les logements, on peut définir la consommation horaire de pointe Qh, comme égale à 75 % de la consommation journalière Qj, que minore le coefficient de simultanéité s. Qh = 0,75 . Qj . s Ou, pour Qj = 160 N Qh = 160 . 0,75 . N . s Qh = 120 . N . s

17. 1 s N 0,905 = + 0, 17 T = 5 . 15 + N 0,92 N - 1 Période de pointe (T) et coefficient de simultanéité (S ) Pour calculer (T) et (s) on peut utiliser les formules suivantes, T = période de pointe en heures N = nombre de logements standards s = coefficient de simultanéité ou utiliser le tableau suivant. Nota: on peut remarquer que s est sensiblement égal à 1/T.

18. Qh (débit horaire maximaux en litres par heure) Qh = 120 . N .s N (nombre de logements standards) Dédit horaire de pointe Qh En considérant Qj égal à 160 litres, on peut déterminer directement Qh en fonction du nombre de logements standards N à l’aide de l’abaque suivant : Exemple : N = 40 s = 0,33 Qh = 120 . 40 . 0,33 Qh = 1 584 L/h

19. Débit de pointe moyen sur 10 minutes Qm Si le débit dit horaire Qh était constant, la consommation d’eau chaude à la minute serait égale à ( 2 . N . s ). En réalité, il existe des périodes de pointes durant l’heure de pointe où le débit est expérimentalement égal à ( 5 . N . S ) par minute. Le débit de pointe sur 10 minutes Qm d’un ensemble de N logements standards est donc donné par la formule expérimentale suivante : Qm = 50 . N . s Exemple : N = 40 s = 0,33 Qm = 50 . 40 . 0,33 Qm = 660 L/h

20. La formule de calcul générale Un système de production d’ECS doit toujours être capable de fournir l’ ECS pour lequel il à été conçu. Ce système met en jeu, pour couvrir les besoins exprimés pendant un temps (to) deux composants : • une capacité de stockage (Cu) qui peut varier de 0 à Cu max, • une puissance de réchauffage instantanée (PRi) d’appoint peut varier de 0 à Pri max. La répartition entre ces deux composants en fonction des besoins exprimés pendant la période de soutirage définit le système de production d’ECS : Système instantané Système semi - instantané Système semi - accumulation Système accumulation

21. La formule de calcul générale

22. ( V – Cu ) PRi = 1,16 . ( θecs – θef ) . 10 -3 avec PRi en kW to ( V – Cu ) PRi = 52,2 . 10 -3 to La formule de calcul générale La formule générale qui met en jeu les deux composants du système de production d’ECS peut s’inscrire de la manière suivante: PRi : Puissance réchauffage instantanée, V : volume d’eau utilisé, Cu : capacité utile de stockage, to temps d’utilisation Par convention, (θecs) la température de soutirage de l’ECS sera prise à 55 °C et (θef), la température d’entrée d’eau froide à 10 °C. La formule devient donc:

23. P (kW) SYSTEME INSTANTANE 15,66 . N . s ( 50.N.s – 0 ) PRi s’écrit alors : 52,2 . 10 –3 1/6 0 Cu (L) Donc: PRi = 15,66 . N . S et Cu = 0 Système instantané Calcul d’un système instantané : Dans ce système, toute l’ECS est produite à la demande. Aucun stockage n’est prévu. Le réchauffeur doit permettre le débit de pointe le plus contraignant à savoir le débit de pointe sur 10 minutes. On a donc : V = 50.N.s , Cu = 0 et t = 10 min ou 1/6 d’heure

24. 15,66 . N . s P (kW) SYSTEME SEMI-INSTANTANE 0 50 . N . s ( 50.N.s – Csi ) PRsi s’écrit alors: 52,2 . 10 –3 1/6 Les composantes du système peuvent varier de : PRsi de 15,66.N.s à 0 Csi de 0 à 50.N.s Cu (L) Donc: PRsi = 0,3132 ( 50.N.s – Csi ) et Cu = Csi Système semi - instantané Calcul d’un système semi – instantané : Dans ce système, il existe une capacité de stockage tampon qui permet d’absorber en partie les pointes sur 10 minutes tout en réduisant la puissance de réchauffage. On a donc : V = 50.N.s Cu = Csi et t = 10 min ou 1/6 d’heure

25. P (kW) 6,264 . N . S 0 120 . N SYSTEME SEMI-ACCUMULATION ( 120.N.s – Csa ) PRsa s’écrit alors: 52,2 . 10 –3 l/s Les composantes du système peuvent varier de : PRsa de 6,264.N.s à 0 Csa de 0 à 120.N.s Cu (L) Donc: PRsa = 0,0522 ( 120.N.s – Csa ) et Cu = Csa Système semi - accumulation Calcul d’un système semi – accumulation : Dans ce système, la capacité de stockage mise en jeu devient très importante. De plus, le système est capable d’assurer les besoins exprimés pendant une période égale à une fois la période dite de bains. On a donc : V = 120.N.s Cu = Csa et t = l/s

26. P (kW) 0 ACCUMULATION Donc: PRi = 0 et Cu = 160 N Cu (L) 160 . N Système accumulation Calcul d’un système accumulation : Dans ce système, la capacité de stockage est capable de fournir toute la consommation journalière. De ce fait, la puissance d’appoint instantanée PRi est nulle.

27. P (kW) 15,66 . N . s 6,264 . N . S 0 Cu (L) Abaque des systèmes sans les pertes SYSTEME INSTANTANE SYSTEME SEMI-INSTANTANE SYSTEME SEMI-ACCUMULATION ACCUMULATION 120 . N 160 . N 50 . N . s

28. Puissance de réchauffage d’un stockage PRs Pour le calcul de la formule de base, on définit la puissance de réchauffage instantanée PRi qui est capable de fournir instantanément l’appoint à la capacité de stockage supposée elle-même élevée à la bonne température. La puissance de réchauffage d’un stockage PRs doit permettre d’élever la capacité de stockage à la température souhaitée dans un temps souhaité. Il faudra toujours y avoir PRi > PRs quelle que soit la capacité mise en jeu. PRs se calcule à partir de l’élévation de température, du temps de réchauffage et du volume de la capacité de stockage. PRs = 1,16 . ( θecs – θef ) .10-3 . Cu / t Si l’on considère l’élévation de température de 45 K et le temps de réchauffage de 8 heures : PRs = 1,16 . 45 .10-3 . Cu / 8 PRs = 6,525.10-3 . Cu ou

29. Pertes d’un système d’ECS Deux types de pertes existent dans un système de production d’ECS : - celui relatif au rayonnement du ballon de stockage (PHr), - celui relatif au bouclage et à la distribution (PHd). Pour une température d’eau de 57 °C et une température ambiante de 21 °C, PHr est sensiblement égal à : PHr = 0,075 . PRs L’expérience montre que les pertes de bouclage et de distribution sont sensiblement égales à 35 % de la puissance de réchauffage du stockage : PHd = 0,35 . PRs

30. P (kW) 0,4437 . N Cu (L) 160 . N 0 Pertes d’un système d’ECS En reprenant les valeurs de PHr et de PHs définies précédemment, on peut calculer la puissance minimale à installer : PI = PRi + 0,075 PRs + 0,35 PRs PI = Pri + 0,425 PRs L’évolution des pertes (0,425 PRs) peut se représenter par une droite dont les points singuliers sont : Cu = 0, pertes = 0 Cu = 160 N, pertes = 0,425 . 6,525.10-3 . 160 N = 0,4437 N

31. P (kW) 15,66 . N . s 6,264 . N . S 120 . N 160 . N 50 . N . s 0 Cu (L) Graphique final 1

32. P (kW) 15,66 . N . s 6,264 . N . S PRi 120 . N 160 . N 50 . N . s 0 Cu (L) Graphique final 2

33. P (kW) 15,66 . N . s 6,264 . N . S 0,4437 . N pertes 120 . N 160 . N 50 . N . s 0 Cu (L) Graphique final 3

34. P (kW) 15,66 . N . s 6,264 . N . S 0,4437 . N PI 120 . N 160 . N 50 . N . s 0 Cu (L) Graphique final 4

35. Facteur de mélange Lorsque l’on puise de l’eau chaude, une même quantité d’eau froide entre dans le ballon et vient donc, plus ou moins se mélanger à l’eau chaude. La réserve réelle d’eau chaude n’est donc pas égale au volume brut du ballon mais dépend du facteur de mélange M de celui-ci. Ce facteur est fonction du rapport hauteur / diamètre du ballon Ceci n’étant valable que si l’arrivée d’eau froide se fait par le bas et le départ eau chaude par le haut !!

36. Cu C = M Facteur de mélange La capacité « utile » du ballon Cu est le produit de sa capacité réelle C par le facteur de mélange M. c’est le volume utile donné à 55°C Cu = C . M Si l’on cherche à déterminer la capacité réelle d’un stockage à installer en connaissant la capacité utile nécessaire et le facteur de mélange, il est nécessaire d’appliquer la formule suivante. On remarque qu’il est souhaitable d’installer des ballons verticaux qui possèdent un facteur de mélange plus fort.

37. Tableaux et diagrammes de détermination Limites minimum de puissance pour l’ECS selon DTU 65.1 Cas particuliers Tableau de détermination rapide des besoins en ECS Tableau de détermination rapide de la puissance ECS Tableau de détermination rapide du débit ECS (L/h) Tableau de détermination rapide de débit ECS (m3/h) Diagramme de sélection rapide constructeur

38. Limites minimum de puissance pour l’ECS selon DTU 65.1 P en kW Cu en litres

39. Cas particuliers Dans les bâtiments autres que les logements dits standards, nous utiliserons les consommations moyennes suivantes :  Hôtel (chambre avec baignoire) 100 à 150 L/j (à 45 °C)  Bureaux (lavabos) 8 à 10 L/j.pers (à 45 °C)  Bâtiments hospitaliers 50 à 100 L/j.lit (à 45 °C)  Restaurants 10 à 12 L/j.couv (à 60 °C)  Cuisine collective 3 à 5 L/j.repas (à 60 °C)

40. Tableau de détermination rapide des besoins en ECS

41. Tableau de détermination rapide de la puissance ECS (kW)* Exemple: 60 Appartements standards Puissance en instantané: 330 kW *Source: ALPHA-LAVAL

42. Tableau de détermination rapide du débit ECS (L/min)* Exemple: 60 Appartements standards Débit: 105 L/min *Source: ALPHA-LAVAL

43. Tableau de détermination rapide de débit ECS (m3/h)* Exemple: 60 Appartements standards Débit: 6,3 m3/h *Source: ALPHA-LAVAL

44. Diagramme de sélection rapide constructeur Exemple 1: 60 appartements standards Instantané 330 kW Exemple 2: 60 appartements standards Semi - Instantané 220 kW Exemple 1 Exemple 2 *Source: ALPHA-LAVAL