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

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

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

Production d’eau chaude sanitaire instantanée Principe: Échangeur Échangeur Q Q 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).

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

Production d’eau chaude sanitaire à accumulation Q Q 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).

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

Production d’eau chaude sanitaire à semi accumulation Principe: FLUIDE PRIMAIRE EAU CHAUDE ECHANGEUR EAU FROIDE BALLON TAMPON ENTREE SORTIE 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).

Production d’eau chaude sanitaire à semi accumulation Principe: FLUIDE PRIMAIRE EAU CHAUDE ECHANGEUR EAU FROIDE BALLON TAMPON ENTREE SORTIE 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 )

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

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

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. EQUIPEMENT PRINCIPAL DU LOGEMENT CARACTERISTIQUES ECS FACTEUR « p » Contenance (litres) Débit (litres/min) deux baignoires standards baignoires et douche baignoire luxe baignoire standard de référence baignoire sabot douche (9 L/min) lavabo (6 L/min) ou évier cuisine 180 150 135 18 15 13,5 9 6 1,5 1,3 1,2 1 0,9 0,6 0,4 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

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. Nombre de logements réels Équipement principal Coefficient « p » Nombre corrigé de logement N 8 12 10 6 1 Studio avec lavabo 2 pièces avec douche 3 pièces avec baignoire 4 pièces avec baignoire 5 pièces avec baignoire + douche 6 pièces avec 2 baignoires 0,4 0,6 1,3 1,5 3,2 4,8 7,8 Total 45 39,3 soit 40

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. Température de l’ECS Qj du logement standard 60 °C 55 °C 50 °C 45 °C 150 L 160 L 180 l 205 l

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

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

Période de pointe (T) et coefficient de simultanéité (S ) Pour calculer (T) et (s) on peut utiliser les formules suivantes, T = 5 N 0,905 15 + N 0,92 . s 1 + 0, 17 N - 1 = T = période de pointe en heures N = nombre de logements standards s = coefficient de simultanéité ou utiliser le tableau suivant. N 10 20 30 40 50 75 100 200 T 1,72 2,45 2,87 3,15 3,34 3,65 3,83 4,14 s 0,50 0,40 0,36 0.33 0, 31 0,29 0,27 0,24 Nota: on peut remarquer que s est sensiblement égal à 1/T.

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 : Qh = 120 . N .s Qh (débit horaire maximaux en litres par heure) N (nombre de logements standards) Exemple : N = 40 s = 0,33 Qh = 120 . 40 . 0,33 Qh = 1 584 L/h

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

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

La formule de calcul générale VOLUME D’EAU SOUTIRE V en litres TEMPS DE SOUTIRAGE to en heures OBSERVATIONS 50 Ns 10 minutes ou 1/6 d’heure V est la quantité d’eau maximale susceptible d’être consommée en 10 minutes, temps définissant la durée de pointe. 120 Ns (t) Une simplification consiste à admettre que l’inverse de (s) est égale à la période (t) V est la quantité d’eau maximale susceptible d’être consommée pendant une période (t) qui représente la période dite de bains. V est égale à 75 % de la quantité d’eau consommée par jour. 160 24 heures V est la quantité d’eau maximale susceptible d’être consommée pendant la journée.

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 = 1,16 . ( θecs – θef ) . 10 -3 ( V – Cu ) to avec PRi en kW 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: PRi = 52,2 . 10 -3 ( V – Cu ) to

On a donc : V = 50.N.s , Cu = 0 et t = 10 min ou 1/6 d’heure Système instantané P (kW) Cu (L) SYSTEME INSTANTANE 15,66 . N . s 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 PRi s’écrit alors : 52,2 . 10 –3 ( 50.N.s – 0 ) 1/6 Donc: PRi = 15,66 . N . S et Cu = 0

Système semi - instantané P (kW) Cu (L) 15,66 . N . s SYSTEME SEMI-INSTANTANE 50 . N . s 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 PRsi s’écrit alors: 52,2 . 10 –3 ( 50.N.s – Csi ) 1/6 Les composantes du système peuvent varier de : PRsi de 15,66.N.s à 0 Csi de 0 à 50.N.s Donc: PRsi = 0,3132 ( 50.N.s – Csi ) et Cu = Csi

Système semi - accumulation P (kW) Cu (L) 6,264 . N . S SYSTEME SEMI-ACCUMULATION 120 . N 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 PRsa s’écrit alors: 52,2 . 10 –3 ( 120.N.s – Csa ) l/s Les composantes du système peuvent varier de : PRsa de 6,264.N.s à 0 Csa de 0 à 120.N.s Donc: PRsa = 0,0522 ( 120.N.s – Csa ) et Cu = Csa

Système accumulation P (kW) Cu (L) ACCUMULATION 160 . N 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. Donc: PRi = 0 et Cu = 160 N

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

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

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

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 P (kW) Cu (L) 160 . N 0,4437 . N

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

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

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

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

Ce facteur est fonction du rapport hauteur / diamètre du ballon 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 Rapport hauteur/diamètre 2 1 0,5 Facteur de mélange M 0,9 0,75 0,6 Ceci n’étant valable que si l’arrivée d’eau froide se fait par le bas et le départ eau chaude par le haut !!

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. C = Cu M On remarque qu’il est souhaitable d’installer des ballons verticaux qui possèdent un facteur de mélange plus fort.

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

Nombre de logements standards (N) Limites minimum de puissance pour l’ECS selon DTU 65.1 Nombre de logements standards (N) 10 20 30 50 75 100 200 Coefficient de simultanéité (s) 0,50 0,40 0,36 0,31 0,29 0,27 0,24 Puissance mini DTU 65.1 14,9 29,8 44,7 74,4 111,6 148,8 297,6 ACCUMULATION Stockage 1600 3200 4800 8000 12000 16000 32000 SEMI-ACCUMULATION Puissance maxi Stockage mini 31,7 150 50,8 240 68,5 324 98,4 465 138,2 652 171,4 810 304,7 1400 SEMI-INSTANTANE Stockage maxi 1440 INSTANTANE Puissance Stockage Cu = 0 78,3 125,3 169,1 242,7 340,6 422,8 751,7 P en kW Cu en litres

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)

Tableau de détermination rapide des besoins en ECS Unités 10 20 30 40 50 60 80 100 120 150 200 250 300 350 400 Appartements standards m3/jour 1,6 3,2 4,8 6,4 8 9,6 12,8 16 19,2 24 32 48 56 64 Hotel 1/1,5 2/3 3 /4,5 4/6 5/7,5 6/9 8/12 10/15 12/18 15/22,5 20/30 25/37,5 30/45 35/52,5 40/60 Bureau m3/personne 0, 1 0, 2 0, 3 0, 4 0, 5 0, 6 0, 8 1 1,2 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Hopital m3/jour.lit 0,5/1 1/2 1,5/3 2/4 2,5/5 3/6 4/8 5/10 6/12 7,5/15 10/20 12,5/25 15/30 17,5/35 20/40 Restaurant m3/jour.couvert Cuisine collective L/jour.repas 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,4 0,5 0,6 0,75 1,25 1,75

Tableau de détermination rapide de la puissance ECS (kW)* Unités 10 20 30 40 50 60 80 100 120 140 160 200 250 300 350 400 Appartements standards Appart. 130 185 230 270 330 380 420 480 510 550 630 705 780 860 930 Grand standing 155 220 260 340 430 500 540 580 620 710 800 890 980 1040 Hôtel ** Chambre 180 360 520 640 690 740 840 940 1050 1120 Hôtel *** et **** 370 610 680 720 810 870 1100 Centre sportif Douches 320 460 560 650 Hôpitaux Lits 110 280 440 470 Exemple: 60 Appartements standards Puissance en instantané: 330 kW *Source: ALPHA-LAVAL

Tableau de détermination rapide du débit ECS (L/min)* Unités 10 20 30 40 50 60 80 100 120 140 160 200 250 300 350 400 Appartements standards Appart. 41 59 73 86 96 105 121 134 153 163 176 201 225 249 275 297 Grand standing 49 70 83 109 137 172 185 198 227 255 284 313 332 Hôtel ** Chambre 57 115 128 166 204 220 236 268 335 358 Hôtel *** et **** 118 195 217 230 259 278 351 Centre sportif Douches 102 147 179 207 Hôpitaux Lits 35 51 64 89 150 Exemple: 60 Appartements standards Débit: 105 L/min *Source: ALPHA-LAVAL

Tableau de détermination rapide de débit ECS (m3/h)* Unités 10 20 30 40 50 60 80 100 120 140 160 200 250 300 350 400 Appartements standards Appart. 2.5 3.5 4.4 5.2 5.7 6.3 7.3 8.0 9.2 9.8 10.5 12.1 13.5 14.9 16.5 17.8 Grand standing 3.0 4.2 5.0 6.5 8.2 9.6 10.3 11.1 11.9 13.6 15.3 17.0 18.8 19.9 Hôtel ** Chambre 3.4 6.9 7.7 10.0 12.3 13.2 14.2 16.1 18.0 20.1 21.5 Hôtel *** et **** 7.1 11.7 13.0 13.8 15.5 16.7 21.1 Centre sportif Douches 6.1 8.8 10.7 12.4 Hôpitaux Lits 2.1 3.1 3.8 5.4 8.4 9.0 Exemple: 60 Appartements standards Débit: 6,3 m3/h *Source: ALPHA-LAVAL

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