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Production eau chaude sanitaire, accumulation, semi instanée, générateur, échangeur, bouclage |
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1 - Production eau chaude sanitaire (Installations collectives) Il est généralement admis d'utiliser la même source d'énergie à la fois pour le chauffage et la production d'eau chaude sanitaire comme par exemples :
Dans certains cas ce choix peut être modulé, comme par exemple où la puissance électrique implique l'installation d'un transformateur privé. Dans tous les cas le choix de l'énergie devra tenir compte des caractéristiques du site comme par exemple :
L'installation d’une production ECS à usage collectif présente un certain nombre d'avantages :
Mais il y a aussi des inconvénients tels que :
Les installations individuelles de production ECS dans un immeuble collectif peuvent être intéressantes puisque la production d'ECS fonctionne seulement lorsque l'appartement est occupé. Cela évite aussi les facturations des consommations d’ECS (réduction des charges collectives) et diminue les problèmes de maintenance difficiles à maitriser dans une collectivité. Par contre les choix d’énergies sont plus limités et l’utilisation de l’électricité avec double tarif est moins intéressante par rapport à une installation ECS à usage collectif. En outre après épuisement de l'ECS contenue dans un ballon électrique, il faut un certain temps pour réchauffer l'eau en cas de relance de jour. 2 - Différents modes de production ECS La production d'ECS est dimensionnée en tenant compte de la capacité et de la puissance à installer afin de permettre la satisfaction de l'ensemble des besoins sur l’ensemble de la journée. Les différents modes de production d’ECS sont classifiés soit en :
La différence entre ces types de production ECS provient du rapport entre la puissance thermique utile réservée à produire de l’ECS et le volume de stockage choisi pour assurer le confort d’utilisation. En instantané :
En semi-instantané :
En semi-accumulation
En accumulation
3 - Calculs hydrauliques installations sanitaires ECS 3.1 - Calculs des débits ECS des équipements sanitaires La température de l’eau utilisée (au point de puisage) doit être comprise entre 35 et 40 °C si celle-ci est en contact avec le corps humain, mais d’au moins 55 °C en cuisine par exemple s’il s’agit de décoller spontanément des graisses sans détergent. La température de consigne n’est donc pas la même pour certains usages. Tableau des débits de base selon le DTU 2013 et la température au point de puisage généralement admise avec conversion des débits à la température des points de puisage. Les débits indiqués ci-dessus sont valables à la sortie d’un robinet d’eau froide, d’eau chaude ou d’un mitigeur. La température de production de l’ECS est généralement différente de la température de distribution. Sa valeur est parfois limitée par construction au niveau du réchauffeur, mais il est généralement inutile de dépasser 60 °C car on augmenterait alors le coût de la préparation à l’exception d’une production à énergie électrique par accumulation. La température de l’ECS est distribuée à 60°C au départ de la production ECS et de l’ordre de ± 55°C en fin de réseaux c’est-à-dire une chute température sur réseau de ± 5°C due aux pertes de chaleur en ligne. 3.2 - Conversion des débits d’eau chaude en eau mitigée La température au niveau de la production ECS est plus élevée en général que l’eau chaude utilisée au point de puisage, il faudra donc dans ce cas-là mélanger l’eau chaude à de l’eau froide afin d’obtenir une eau à température appropriée à la sortie du robinet puisage. Le calcul du débit équivalent sur un équipement sanitaire par mélange d’eau (mitigeur par exemple) est défini par la formule suivante :
3.3 - Coefficient de simultanéité en fonction du nombre d'appareils installés Il dépend du type de construction (collectivité, résidentiel,…) et du nombre de robinetteries à alimenter. Les hypothèses de simultanéité pour le calcul des débits des réseaux d'alimentation en eau des parties collectives seront définies selon le coefficient de simultanéité ci-après :
Coefficient de majoration à appliquer pour les équipements si nécessaire :
Nota1 : Dans le cas des écoles, internats, stades, gymnases, casernes, il faut considérer que tous les lavabos ou douches peuvent fonctionner simultanément, sauf si l'installation est équipée de robinets à fermeture temporisée. Nota2 : Dans le cas des hôpitaux, maisons de retraite et foyers de personnes âgées et bureaux, le coefficient de simultanéité n'est pas affecté d'un facteur particulier. Pour x £ 5 appareils, le calcul du diamètre des réseaux sera établi en fonction des coefficients attribués à chaque appareil sanitaire. 3.4 - Calcul du débit probable (Débit instantané) Le débit probable permet de dimensionner les réseaux de distribution ECS. Il sera déterminé par la somme des débits des différents équipements sanitaires multipliés par le coefficient de simultanéité selon le chapitre précédent. 4 - Dimensionnement production ECS en habitats collectifs Evaluation des besoins ECS dans
les immeubles d’habitation
Les principaux critères généralement admis sont :
L'évaluation de ces critères doit tenir compte de nombreux paramètres qui rendent aléatoire toute méthode de calcul empirique, et doit faire appel à l'expérience propre de chaque constructeur, prescripteur ou installateur, etc. Ces critères sont de plusieurs types :
4.1 - Déterminer le nombre de logements standards « N » L’évaluation des besoins en logement collectif est effectuée sur la consommation moyenne journalière d’un logement, dit standard, de 160 litres d’eau à 55…60° C. Le logement standard par hypothèse est un appartement de 3 à 4 pièces occupé par 3 à 4 personnes et comportant les équipements tels que : 1 lavabo, 1 baignoire et 1 évier. Lorsque les équipements des appartements sont différents : on applique des coefficients correctifs pour calculer un nombre fictif de logements standards équivalents (N) en fonction des seuls équipements les plus consommateurs en prenant pour référence la consommation d'une baignoire standard. Pour déterminer le nombre de logements unitaires « N ».
Exemple : Immeuble d’habitation avec de 85 logements (n) constitués de différents logements équipés d’équipements sanitaires spécifiques. Le tableau suivant synthétise la conversion en nombre de logements standards (N) de cet ensemble 4.2 - Coefficient de simultanéité ECS pour les logements Pour obtenir la consommation maximale d'un ensemble de logements standards pendant l'heure de pointe, il faut considérer un coefficient de simultanéité (S) qui tient compte du foisonnement des divers soutirages dans les logements.
4.3 - Consommation ECS journalière en logement standard La consommation journalière d’un logement type est de 160 litres à 55°C. En conséquence la consommation journalière d’un l'immeuble sera déterminée de la façon suivante :
4.3 - Consommation horaire de pointe (base de dimensionnement en semi accumulation) Les pointes hebdomadaires correspondent aux jours de la semaine privilégiés pour la prise des bains, soit les vendredis, samedis et dimanches. Ces périodes de consommation maximale servent à la détermination du sytème de production d'eau chaude. Donc, la consommation moyenne horaire durant la période de pointe (Tpht) est évaluée à :
On constate que 75 % du soutirage journalier se fait en moyenne pendant cette période de pointe de durée (Thpt) et que 99 % environ du soutirage s'effectue sur lcette période. La période de pointe (Thpt) est calculée de la manière suivante : Par simplification on peut admettre que la période Thpt est l'inverse du coefficient de simultanéité (S) 4.4 - Consommation de pointe sur 10 mn Dans le cadre d’un dimensionnement d’un système production ECS en instantané ou en semi instantané, la période de pointe de référence est de 10 mn. L'équipement sanitaire dans une unité d’habitation n’est utilisé que par une seule personne quel que soit le nombre d'occupants. La consommation durant la période de pointe sur 10 mn est évaluée à :
Calcul puissance thermique ECS en immeuble
d’habitation
4.5 - Calcul puissance thermique (Formule générale) La puissance thermique utile d’iun système de production d’ECS peut s’inscrire de façon générale de la manière suivante:
Sans volume tampon, l’échangeur ECS doit assurer le réchauffage du débit de pointe le plus contraignant. 4.6 - Puissance thermique en système instantané Dans un système sans stockage toute l'E.C.S. produite l'est à partir d'un réchauffeur qui délivre instantanément les besoins appelés. Aucun stockage n'est prévu. Le réchauffeur doit donc être calculé pour permettre de passer n'importe quelle pointe de demande et en particulier celle sur 10 minutes qui est la plus contraignante. Ceci est défini de la façon suivante :
Avec un système de production ECS de type instantané, la puissance thermique utile n’intègre pas les pertes de chaleur des réseaux de distribution ECS et des retours de boucles car lors des consommations de pointe il n'y a plus bouclage et donc dans ce cas-là ces pertes de chaleur sont nulles et donc par conséquence il n’y a pas de surpuissance à prévoir en plus. Le choix d’une température d'eau à 60°C au départ de l’échangeur avec une production instantanée permet de compenser les variations de chute de température de l'eau lors des soutirages notamment à cause d’un manque de réactivité du système de régulation de température. 4.7 - Puissance thermique en système semi-instantané (Base de calcul sur la consommation de pointe sur 10 mn) Avec la mise en place d’une capacité de stockage tampon, le système permet d’absorber en partie les pointes sur 10 minutes tout en réduisant la puissance de réchauffage. Pour résumer : Énergie échangeur pendant 10 mn = Énergie à puiser pendant 10 mn - Énergie contenue dans le stock Et la formule de calcul concernant la puissance thermique (donc sur une heure) sera donc :
Nota :Les besoins ECS sont donnés sur une base de 55°C, La puissance P sera calculée sur un départ à 60°C permettant de couvrir les pertes thermiques (Pdist) sur la distribution ECS. Limite du stockage La frontière entre le système semi-instantané et le système
semi-accumulation est la quantité du volume du stockage en eau (Cstock). En
semi-instantané le volume sera limité tout au plus selon la formule
suivante : 4.8 - Puissance thermique avec système en semi-accumulation (Base de calcul sur la consommation horaire de pointe) Au cours de cette pointe horaire un appartement consomme 75 % de la consommation moyenne journalière 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.
Nota : Comme en semi-instantané, les besoins ECS sont donnés sur une base de 55°C, La puissance P sera calculée sur un départ à 60°C permettant de couvrir les pertes thermiques (Pdist) sur la distribution ECS. Limite du stockage en système semi-accumulation A tout moment le stock d'eau chaude doit pouvoir se reconstituer dans un délais acceptable permettant de mieux gérer des puisages importants et exceptionnels La puissance de réchauffage d’un stockage doit permettre d’élever la capacité de stockage à la température d’utilsation et dans un temps souhaité mais limité à 8 heures. De ce fait, la capacité de stockage en eau maximale sera limitée afin que le réchauffeur puisse, en dehors des soutirages, remonter en température le ballon tampon à la bonne température. Donc la capacité de stockage (Cstock) peut se résume de cette manière là :
Graphique de synthèse sur la production ECS en
habitat
Les systèmes de type semi-instantané et semi-accumulation ont la caractéristique essentielle d'être stables. Ils offrent un service très confortable et ceci même pour un réglage de la température de soutirage à 50 ou à 55° C. Ils permettent enfin d'abaisser sérieusement les puissances à mettre en jeu et donc de bénéficier d'un rendement global intéressant. 5 - Dimensionnement production ECS (collectivités & tertiaire) 5.1 - Evaluation des besoins ECS selon le type d'activité Le tableau suivant donne à titre indicatif des estimations de consommations moyennes d’eau chaude sanitaire (ECS) journalières sur une base de 55°C selon le type d’établissement ou d’activité et par unité (Utilisateur, repas, etc.) Nota :Les besoins ECS sont donnés sur une base de 55°C, La puissance P sera calculée sur un départ à 60°C permettant de couvrir les pertes thermiques (Pdist) sur la distribution ECS. 5.2 - Profil de puisage Dans le secteur tertiaire et dans les collectivités, il est fréquent que le profil de puisage rencontré soit en fonctionnement discontinu. Pour certains types d’utilisation, comme dans le cas des centres sportifs, piscines, football, etc., l’évaluation des besoins ECS peut se faire en fonction du nombre de points de puisage, du type d’activité et du nombre de sportifs susceptibles d’utiliser simultanément les équipements sanitaires. On évalue le nombre de personnes qui prendront une douche après un événement sportif. On compte 10 min par douche, on peut évaluer la durée de passage de toutes les personnes sous la douche. Une douche représente 50 litres d'eau à 40 °C Cela permet de connaître la durée de la pointe et la quantité d'eau qui y est consommée 5.3 - Coefficients horaires de soutirage et de répartition des quantités consommées Il est important de connaitre la quantité d'eau chaude puisée et du profil journalier de consommation d’eau chaude du ou des bâtiments pour dimensionner correctement l'appareil de production, quel que soit le système choisi. Le dimensionnement d’une installation d’ECS en semi-instantané ou en semi-accumulation sera basé sur le profil journalier du puisage ou de la consommation d’eau chaude du ou des bâtiments et sur la reconstitution du stockage d’énergie dans les conditions réelle de fonctionnement. Etablir le profil de puisage consiste à déterminer pour les différentes journées sur une semaine standard, les besoins en eau chaude heure par heure. La méthode de calcul Th-CE 2008 dans le cadre du calcul réglementaire des consommations d’énergie donne des indications utiles dans le chapitre 8 sur les besoins d‘ECS notamment dans le Tableau 19 Le Tableau 19 présente les coefficients ah les clés de répartition, pour chaque usage ou type d’activité considéré et rappellent les jours de la semaine pendant lesquels ils s’appliquent. Dans le tableau suivant, on peut donc aisément à partir des coefficients ah des clés de répartition hebdomadaire avec les coefficients horaires de soutirage les quantités consommées sur une semaine de 5 ou 7 jours selon le cas le profil de la répartition établir en pourcentage des consommations horaires ECS dans la journée.
Cas particuliers Dans certains cas éventuellement, les débits de pointe dépendent du type d'hôtel, de son niveau de luxe et de son implantation
5.5 - Volume de consommation horaire de pointe Le volume de consommation de pointe (Vhpt) est déterminé sur la période horaire la plus contraignante.
Par exemple en hôtellerie on a 50% de la consommation journalière (Qj) qui est effectuée le matin entre 7 et 9 heures et 40% entre 18 et 20 heures. 5.6 - Calcul puissance thermique - Méthode de calcul pour des puisages discontinus Théoriquement cette méthode n’est applicable que si l’on considère qu’aucun puisage n’est effectué entre deux périodes de consommation de pointes et que le stock d’eau chaude est reconstitué durant cette période. Le système de production ECS sera dimensionné pour satisfaire sur la période de pointe la plus contraignante. L’énergie thermique utile lors d’un cycle de puisage sera : Compatibilité volume et puissance thermique L’énergie utile durant un cycle de puisage ECS est égale à l’énergie contenue dans le stock plus l’énergie fournie par l'échangeur. Et l’énergie thermique fournie par l’échangeur sera : L’énergie consommée étant supérieure à l’énergie fournie par l’échangeur lors du puisage, la différence doit être contenue dans l’eau chaude stockée durant le puisage qui sera reconstituée après le puisage : Ce qui donne : L’énergie 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 Soit :
Phase reconstruction du stock d’énergie dans le réservoir et compatibilité avec le générateur de chaleur La reconstitution du stock d'eau chaude doit pouvoir se faire dans un délais acceptable permettant de mieux gérer des puisages importants et exceptionnels ou imprévus. Quelques que soit le cas, la puissance thermique de l’échangeur doit être au minimum supérieure de 12% voire 15% de la consommation journalière durant cette période. En outre, lorsque la production de chaleur est associée avec celle du chauffage, il serait préférable de s’assurer que la puissance thermique utile de la production d’ECS ne soit pas trop éloignée à celle du générateur de chaleur : Puissance de l’échangeur ECS > 30 % de la puissance chaudière. En effet, plus l’écart de puissance sera grand et plus les cycles de fonctionnement du générateur de chaleur seront courts pour assurer la production d’ECS, ce qui va engendrer une baisse du rendement de la production de chaleur. 5.7 - Observations Avec le même volume de consommation ECS sur une période de pointe, plus le temps de puisage est court et plus la capacité de stockage sera importante. Le coefficient d’efficacité du stockage d’énergie (la stratification de l’eau dans le réservoir) interagit seulement sur le volume de stockage La quantité d’énergie utilisée sur un cycle de puisage (tp + tr) de même durée reste toujours la même. Exemple N°1 : Si on inverse les temps de puisage / réchauffage – La puissance thermique reste la même mais la capacité de stockage augmente. Exemple N°2 : Si on augmente le temps de cycle (tp + tr), la puissance thermique diminue mais la capacité de stockage augmente par rapport au cas précédent. Par contre si la puissance thermique de l’échangeur doit être > à 15% des besoins thermiques de la journée la
6 - Programme de calcul EcsTherm
Les charges d'eau chaude sanitaire (ECS) sont calculées à partir de la quantité d'eau chaude ou de chaleur consommée mesurée par des compteurs individuels qui normalement équipent les appartements. A ces consommations individuelles sont ajoutés les frais d'entretien et de réparation des équipements communs de production et de distribution. Pour le calcul de l'eau chaude sanitaire nous avons besoin des données suivantes :
Calcul énergétique pour produire de l'eau chaude sanitaire (ECS) Concernant des installations collectives le système de production d'eau chaude sanitaire est de type par accumulation (C'est-à-dire que l'eau chaude est stockée dans des gros réservoirs et la capacité correspond en principe à la consommation journalière). La température de stockage est généralement plus élevée dans les réservoirs (80°C) mais la distribution d'eau dans les canalisations est ramenée à une température qui ne doit pas être supérieure à 60°C, c'est la réglementation qui l'exige. Le fonctionnement d'une installation de production d'eau chaude sanitaire n'est jamais parfait, des pertes d'énergie ont lieu comme par exemple directement sur les chauffe-eau et sur le réseau de distribution. Les pertes énergétiques sont estimées globalement en moyenne à 10 à 15% en sachant que le départ général au niveau de la production ECS se fait à 60°C Pour chauffer 1 m3 d'eau de 12°C à 60°C (C'est le m3 d'eau qui transite au compteur plutôt à 55°C suite à la chute de température dans le réseau) il faut donc dépenser en production d'énergie en sachant que les pertes par distribution sont intégrées dans le différentiel de (60 - 12°C), 0,90 sont les pertes thermiques des réservoirs ECS : (1,163 x (60 – 12) x 1000) / 0,90 = 62,03 kWh pour 1 m3 d'eau chaude Calcul du coût de facturation pour produire 1 m3 d'eau chaude sanitaire (ECS) relevé au compteur. Le réchauffage de l'eau chaude se fait pendant la nuit durant les heures creuses, seule éventuellement une relance de jour peut se produire de temps à autre en cas de surconsommation dans la journée ce qui est rarement le cas. Dans notre cas avec un fonctionnement en heures creuses, le coût de la consommation de l'énergie à produire de l'eau chaude reviendrait à 62,03 x 0,0964 = 5,98 € TTC / m3 (Ceci n'est que le coût énergétique en consommation d'électricité) En plus du coût énergétique, il faut donc rajouter le prix de l'eau froide qui s'ajoute au coût énergétique à produire de l'ECS estimé à 3 € dans le cas présent (Ceci dépend du lieu) : Soit un coût global de 5,98 + 3 = 8,98 € TTC / m3 relevé au compteur. On peut ensuite rajouter le coût de la maintenance et de l'entretien de l'installation, mais ceci ne devrait pas représenter plus de 10%. Pour info : Avec un fonctionnement en heures pleines, le prix de l'eau chaude reviendrait à 62,03 x 0.1391 = 8,63€ + 3 = 11,63 € TTC / m3 Dernière mise à jour :
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