1 - Production ECS instantanée

Le système est instantané lorsqu'il ne dispose d'aucune réserve d'eau chaude sanitaire. Toute l'ECS est produite à partir de l’échangeur qui délivre instantanément les besoins appelés. Sa puissance doit être suffisante pour absorber les débits de pointes, toute l'eau froide est réchauffée au moment où elle est soutirée.

L'échangeur et la chaudière doivent donc être calculés pour satisfaire toutes les pointes de consommation. Cela conduit à prévoir une puissance d'échange et de production de chaleur importante, avec de fortes variations à prévoir dans le temps en fonction de la répartition des périodes de soutirage.

L’installation est pourvue généralement d’un échangeur à plaques relié à deux circuits indépendants :

• Le circuit primaire alimente l’échangeur avec un débit constant et une température variable par l'intermédiaire d'une vanne 3 voies de mélange. Une sonde sur la sortie ECS contrôle la température de l'eau en sortie et agit sur la vanne 3 voies au niveau du circuit primaire.
• Le circuit secondaire est relié à la sortie sur réseau de distribution ECS desservant les différents points de puisage alors que l’entrée de l’échangeur est raccordée sur le réseau d’eau froide ainsi qu’également les retours de boucles.  

Concernant le dimensionnement de la pompe du circuit secondaire on peut envisager de prendre une perte de charge équivalente à 30% du débit de puisage au niveau de l’échangeur en plus de la perte de charge du réseau.

Le système de production instantanée présente un certain nombre de limites du fait des variations importantes de températures de soutirage qu'il implique. En conséquence, quelle que soit la régulation adoptée, les variations du potentiel calorifique du primaire s'effectueront toujours avec un certain retard et une inertie plus ou moins grande et qui sont les causes essentielles de l'instabilité de la température pendant le soutirage.

2 - Production ECS semi-instantanée ou semi-accumulation

Installation hydraulique

Le système est de type semi-instantané lorsque la capacité tampon est suffisante pour absorber les variations de température de soutirage. Il peut répondre aux consommations de pointes sur 10 minutes par exemple sans sur-dimensionner l'échangeur.

En semi-accumulation la capacité de stockage permet de couvrir en partie les besoins sur la consommation de pointe de quelques heures. Le stockage se reconstitue entre deux pointes

Ces installations comprennent généralement :

• un échangeur à un ballon tampon
• un circuit primaire qui sert à alimenter l’échangeur de chaleur avec un débit constant et une température variable par l'intermédiaire d'une vanne 3 voies de mélange contrôlée par un régulateur de température associé à une sonde de température placée sur le circuit de distribution à la sortie de la production ECS.
• un circuit secondaire de l’échangeur de chaleur couplé au ballon tampon en by-pass et associé à une pompe de charge. La sortie de l’échangeur est reliée au réseau de distribution ECS desservant les différents points de puisage. L’entrée de l’échangeur sur le circuit secondaire est raccordée au réseau d’eau froide ainsi qu’également les retours de boucles.
• un thermostat de sécurité placé sur le ballon sert en cas de défaillance du système de contrôle de température notamment en cas de dépassement d’une température excessive de stockage (notamment au-delà de 62…65°C) d’agir sur le circuit primaire soit en fermant la vanne de régulation ou d’arrêter la pompe de circulation.

En période hors puisage, le seul débit en circulation sur le réseau de distribution ECS est celui correspondant au débit de la pompe de bouclage. La pompe de charge fait transiter l’eau du bouclage et l’eau du ballon au travers de l’échangeur à plaques. Celle-ci retourne pour une partie dans le ballon et pour une autre dans les boucles du réseau d’ECS (débit majoritaire)

Lors des périodes des consommations de pointe, l’eau chaude soutirée provient à la fois du ballon et de l’échangeur à plaques. L’alimentation d’eau froide qui vient en compensation de l’eau chaude consommée, transite en partie dans l’échangeur à plaques et pour le reste au travers du ballon tampon.

Durant cette période, l’eau recyclée au travers du bouclage va intégralement dans le ballon. En conséquence, le ballon se décharge de son eau chaude, l’eau se réchauffera de nouveau dans celui-ci quand le soutirage sera terminé.

Dans certains cas des dysfonctionnements peuvent exister dans des installations à semi-accumulation. En effet, la prise en compte à la fois des pertes de chaleur sur les circuits de distribution ECS et des contraintes d’équilibrage implique des débits de recyclage plus importants qu’auparavant. Il en résulte que le débit de recyclage peut devenir très supérieur au débit de la pompe de charge sur des installations en semi-accumulation à fort volume de stockage car la puissance thermique de l’échangeur peut être relativement faible au regard de la consommation de pointe contrairement aux systèmes de type semi-instantané.

Le débit d’eau traversant l’échangeur à plaques est alors minoritaire par rapport au débit traversant le ballon. Le ballon ne profite plus de la période hors puisage pour se recharger en eau chaude. Il en résulte que la température de départ ECS (échangeur + ballon) en période de pointe ne respecte plus la température de consigne et certaines boucles sont à une température inférieure à 50 °C

Pour éviter ce type de problème on peut envisager d’augmenter le débit de la pompe de charge pour qu’il soit supérieur (> à 30%) au débit de la pompe de retour de boucle. Par contre si on augmente fortement le débit de la pompe de charge un autre problème va apparaitre lors des pointes de consommation d’eau. Par exemple si on a une puissance échangeur de 50 kW, le débit de la pompe de charge serait normalement de 860 l/h avec une entrée d’eau froide à 10°C et une sortie à 60°C. Si on doit doubler le débit de la pompe de charge on aura donc un débit de 1720 l/h mais comme la puissance de l’échangeur disponible restant globalement toujours la même, la température de l’eau à la sortie de l’échangeur sera par conséquence de 35°C et même après mélange avec le l’eau à 60°C dans le ballon l’eau chaude atteindra difficilement les 50°C, cela dit seulement sur les périodes durant les pointes de consommations.

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Une autre solution envisageable dans ce cas là serait de modifier le point de régulation de la température et de la baser sur une prise de mesure dans le ballon. Un thermostat de sécurité doit aussi être mis en place en sortie du ballon afin de fixer une valeur limite de distribution pour éviter toute température excessive.

Lors des puisages, l’eau qui alimente les robinets provient de l’échangeur et du ballon. Hors puisage, le ballon se rechargera en eau chaude.

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Consommation de pointe sur 10 mn

Le volume disponible de stockage d’eau chaude permet de faire face à une pointe de soutirage sur 10 mn par exemple. La partie du débit continu passe normalement par l’échangeur, le débit excédentaire passe par le réservoir sans être réchauffé.

Cette utilisation permet d’obtenir le cumul du débit de l’échangeur et du volume disponible dans le réservoir.

Période consommation de pointe horaire

Besoin maximum en eau sanitaire en dehors des pointes de soutirage sur 10 mn.

Le puisage est inférieur ou égal au débit de la pompe de charge, les besoins en ECS sont assurés par l’échangeur seul, Tout le débit d’eau froide transite dans l’échangeur afin d’être réchauffé à la température désirée pour être utilisé directement par l’intermédiaire du réservoir. Dans le cas contraire ou le débit de puisage est supérieur au débit de la pompe de charge le différentiel du débit d’eau froide transite dans le réservoir

Période hors consommation de pointe

Après un soutirage de pointe, la pompe de charge permet la remontée en température du volume de stockage, en effectuant un brassage d’eau et donc l’homogénéisation entre l’échangeur et le réservoir.

L’aquastat agit directement en TOR sur la pompe du circuit primaire, le fonctionnement est discontinu. La pompe de charge du circuit sanitaire fonctionne en continu.

Les retours de boucle de l’installation sanitaire sont recyclés dans le réservoir pour y être réchauffés.

Remarques  

Ce type de montage réduit fortement la stratification de la température de l’eau chaude stokée dans le réservoir.

Avantages & inconvénients

3 - Générateur / Préparateur ECS avec échangeur intégré

3.1 - Préparateur ou générateur d’eau chaude sanitaire monobloc

Il existe sur le marché une très grande variété de préparateurs d’ECS de type monobloc.

La majorité des préparateurs d'eau chaude sanitaire sont pourvus chacun d’un réservoir de stockage avec un échangeur thermique en épingle, en serpentin, à faisceaux tubulaires ou autres. L’échangeur thermique du préparateur ECS est relié à un circuit de chauffage desservi à une chaudière, une pompe à chaleur, à des panneaux solaires thermiques. Le préparateur ECS peut être aussi associé à un générateur de chaleur (gaz, électricité, thermodynamique)

Le stockage peut être important et couvre à la fois les besoins de pointes sur 10 minutes voire  les consommations horaire sur 1 à 2 heures. La puissance thermique doit être suffisante pour permettre la remise en température du stock entre deux pointes

Chaque fabricant donne :

• la durée de réchauffage en minutes, le débit horaire continu en litres à une température donnée
• le volume disponible en 1 heure à une température donnée.
• la quantité d'eau consommée à chaque période de soutirage,
• la principale période de soutirage,
• le temps maximal entre 2 soutirages pour permettre le réchauffage du ballon

3.2 - Exemple de schémas hydrauliques

L’élévation de la température de l’eau dans le réservoir de stockage permet d’accroître la quantité disponible de la consommation d’eau chaude mais un peu au détriment de l'augmentation des pertes par les parois. Dans ce cas-là il faut prévoir la en place d'un mitigeur thermostatique en sortie du préparateur d’ECS permettant d’abaisser la température d’ECS distribuée (par exemple de 80 à 60°C

3.3 - Installation en batterie de plusieurs préparateurs ECS

Dans le cas où il serait nécessaire d’installer plusieurs préparateurs ECS pour répondre aux besoins de la demande en eau chaude sanitaire de l’installation, le soutirage sur les préparateurs peuvent se faire sur le circuit de distribution ECS par montage hydrauliques en série ou en parallèle.

Montage hydraulique en série

Le montage série est celui qui offre la quantité d’eau chaude disponible maximale. A chaque soutirage, l’eau froide entre uniquement dans le premier préparateur. Le débit de pointe 10 mn est privilégié.

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Montage hydraulique en parallèle

Le montage parallèle avec plusieurs préparateurs permet d’isoler les appareils les uns par rapport aux autres. Le débit horaire est privilégié.

Avec des ballons en parallèle, il est nécessaire d'équilibrer les circuits pour éviter qu'un ballon soit vidé plus rapidement que les autres. Dans le cas contraire, on obtient de l'eau mitigée dès qu'un ballon est vide.

On préférera ainsi le branchement en série d'autant plus qu'il n'existe dans ce cas qu'une seule zone de transfert entre l'eau chaude et l'eau froide.

3.4 - Régulation & schémas de montage

Le circuit primaire est couramment monté en parallèle La régulation primaire des préparateurs avec échangeur afin d’alimenter tous les préparateurs avec une température peut s’effectuer selon trois principes différents : Température identique et d’obtenir la puissance maximale pour chacun d’entre eux.

• A / -  Régulation thermostatique TOR à commande directe sur la pompe de charge du préparateur. Système très réactif. Bien adapté aux systèmes de production disposant d’une capacité de stockage qui permet d’éviter des cycles de marche à courte durée sur la pompe.

• B / - Pompe de charge avec vanne 3 voies et régulation de température variable et à débit constant. Il est bien adapté aux systèmes instantanés ou semi-instantanés,
• C / - Régulation par vanne trois voies montée en décharge. La pompe du circuit chauffagepeut être commune à d’autres types de services comme le chauffage par exemple. Les deux échangeurs peuvent être alimentés en parallèle côté primaire avec une pompe de charge commune et une vanne de régulation de température sur chaque réservoir.

4 - Production ECS à accumulation

4.1 – Dimensionnement de la production ECS par accumulation

Avec le système à accumulation le stockage ECS représente la totalité de la consommation journalière
Ce système est plus adapté aux ballons électriques et ne présente pas d'intérêt dans les installations fonctionnant avec un générateur de chaleur fonctionnant au gaz ou autre.

Le manque de place et les risques de développement bactériens font que cette solution est de moins en moins utilisée en collectif.

En production ECS par accumulation, on a besoin :

• de satisfaire à la consommation maximum journalière,
• du stockage qui est utilisé au cours de la journée,
• d’un échangeur de chaleur pour reconstitue le stock au cours de la journée. La puissance thermique utile correspondant à la puissance de réchauffage entre 6 à 8 heures (période limitée du fait des heures creuses EDF ou des problèmes de simultanéité si chaudière)

Consommation journalière

L'évaluation des besoins en logement collectif est fondée sur la consommation moyenne journalière d'un logement, dit standard, de 160 litres d'eau à 55° C.

Un immeuble collectif est défini par nombre N de logements standards défini par la formule suivante : N = Somme (n x C) où n représente un nombre de logements ayant un même équipement et Ce le coefficient de correction correspondant. Le coefficient C est nécessaire pour tenir compte des disparités d'équipement avec le logement standard.

Pour les autres applications il faut se référer au tableau du chapitre 6.1.

Volume de stockage ECS

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

• V ecs = Volume de stockage ECS
• Qj = Débit d’eau chaude consommé (équivalent à 60°) durant la journée avec une température d’entrée d’eau froide à 10°C.
• DT = Ecart de température entre la température d’eau chaude consommée (équivalent à 60°) et la  température d’entrée d’eau froide à 10°C.
• Tstock = température de stockage de l’ECS dans le du ballon
• Cef = coefficient d’efficacité du stockage (valeur de 0,8 à 0,95 (de mauvaise à bonne Stratification)  

4.2 - Puissance de l’échangeur

L’ensemble des besoins journaliers est stockée. Le stockage d’énergie est reconstitué durant la nuit.

Dans certains cas particuliers, par exemple pour des problèmes d'encombrement, la température de stockage pourra être supérieure à 60° C tout en restant inférieure à 80° C.

Dans ce cas, la capacité totale des appareils sera au moins égale aux besoins maximaux à 60°C de la journée le plus chargé, minorés dans le rapport des différences de température, entre 60° C (eau chaude) et 10° C (eau froide).

La puissance électrique des résistances sera déterminée par l'expression suivante :

• P : puissance en kW (En moyenne, la puissance est 10 à 12 W/litre de stockage ECS).
• Vecs : Volume de stockage de l’eau chaude sanitaire (en litres)
• Tstock = température de stockage de l’ECS dans le du ballon,
• T : Temps de chauffe (en heures). Le réchauffage de l'eau s'effectue normalement en tarif de nuit,
• R : coefficient de rendement pour tenir compte des pertes d’énergie sur les ballons ECS

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. Dans le cas où l’installation est équipée d’un réchauffeur de boucle le volume de stockage ECS sera à minoré d’environ de 10%.

La plupart des fabricants de chauffe-eau électrique prévoient une puissance standard de l’ordre :

• 10 W/L pour une durée de réchauffage de 10 à 60°C sur 6 h ou de 10 à 80°C sur 8 h.
• 12 W/L pour une durée de réchauffage de de 10 à 70°C sur 6 h.  

De plus, il faudra prévoir la mise en place d'un mitigeur monté entre vannes d'isolement 1/4 de tour et d'un clapet anti-retour sur l'arrivée d'eau froide. Ce mitigeur sera constitué par une une vanne thermostatique réalisant le mélange de l'eau sortie du ou des chauffe-eau avec l'eau froide. Il sera situé en sortie du ou des chauffe-eau, immédiatement en amont de la boucle de circulation.

Exemple de dimensionnement de la production ECS en accumulation

4.3 - Avantages et inconvénients

4.4 - Circuit de liaisons de la production d’eau chaude sanitaire

Il faut choisir des ballons de stockage qui favorise au mieux le phénomène de stratification (eau la plus chaude située en haut du ballon et disponible immédiatement en cas de besoin) et qui conserve au maximum la chaleur accumulée.

Cette stratification permet de disposer d’un volume d’eau chaude disponible plus important car le mélange d’eau est faible.

La vitesse d’injection d’eau froide doit rester inférieure à 0,6 m/s d'où la nécessité d'utiliser des diffuseurs et de bien dimensionner les piquages.

Afin d'obtenir le meilleur compromis entre les pertes thermiques et le phénomène de stratification, il est nécessaire de choisir un ballon ayant un rapport Hauteur / Diamètre proche de 2.

Plusieurs réservoirs de stockage peuvent être nécessaires pour répondre aux besoins des consommations en eau chaude sanitaire journalière.

Il existe plusieurs montages hydrauliques possibles comme en série, parallèle, etc.

Si le volume stockage correspond à la consommation journalière, que l'on soit en montage série ou parallèle cela ne changera en rien à la consommation ni la puissance électrique.

Dans le cas où il existe plusieurs ballons de stockage d'ECS, le soutirage (ou l'alimentation) en série ou en parallèle ne posera dilemme que si le volume total de stockage n'est pas utilisé dans la journée.

La consommation électrique est identique, que l'on réchauffe deux demi-ballons ou un ballon entier, par contre la puissance électrique nécessaire est deux fois plus importante dans le cas du réchauffage de deux demi-ballons.

En effet, si la demande d'ECS est variable, cas des hôtels par exemple, avec un soutirage en série, un seul ballon peut parfois suffire aux besoins. La puissance nécessaire au réchauffage est alors de la moitié de la puissance ECS : un seul ballon est mis en route. Cela peut être intéressant dans le cas de délestage.

Un raccordement en parallèle multiplie les volumes interfaces eau chaude/eau froide à des températures intermédiaires, il est donc nécessaire d'équilibrer hydrauliquement les circuits pour éviter qu'un ballon soit vidé plus rapidement que les autres. Dans le cas contraire, on obtient de l'eau mitigée dès qu'un ballon est vide. On préférera ainsi le branchement en série d'autant plus qu'il n'existe dans ce cas qu'une seule zone de transfert entre l'eau chaude et l'eau froide.    

Dans le cas présent, les deux ballons sont raccordés en série. Pour la maintenance ou la sécurité de fonctionnement de l’installation, des by-pass sont prévus permettant d'isoler chaque chauffe-eau pour fonctionner avec n’importe quel ballon de stockage en cas de défaut sur l’un d’entre eux.

Sur l’arrivée d’eau froide de chaque réservoir il faut prévoir une soupape de sécurité.

4.5 - Pompe d'homogénéisation

Afin d'assurer une température homogène en fin de chauffe dans un ballon ou dans plusieurs ballons montés en série, il est recommandé d'installer une pompe de circulation. Cette pompe, indépendante du circuit de bouclage, fait circuler l'eau chaude sanitaire depuis le haut du ballon, sur la tuyauterie de départ ECS, jusqu'en en bas du ballon, sur la tuyauterie d'arrivée d'eau froide.

La pompe est dimensionnées de manière telle que le débit permette de brasser le volume des ballons de stockage de l’ordere1 à 2 fois par heure sur environ 2 heures avant la fin de la période réchauffage de nuit en "heures creuses" par l’intermédiaire d’un programmateur horaire.

Installer une pompe d'homogénéisation permet de récupérer les volumes morts situés sous la résistance et donc de stocker 10 à 20% en plus d'eau chaude sanitaire durant la nuit.

4.6 - Relance en journée

Si une relance est nécessaire en journée, une bonne gestion de cette relance doit être réalisée :

• Seul le dernier ballon devra être réchauffé.
• L'enclenchement sera asservi à un seuil de température.
• Un délesteur pourra interrompre la charge durant les heures de pointe (limiter la pointe de puissance du bâtiment).

4.7 - Réchauffeur de boucle

Quand l’eau de retour de boucle est réintroduite  en amont  du système de production d’ECS ceci tend à détruire la stratification de la température de l’eau chaude dans la partie supérieure du ballon.

Pour conserver la stratification de l’eau de stockage durant la journée on peut prévoir la mise en place d'un réchauffeur de boucle. Ce dispositif  entraîne des consommations en électricité non négligeables, et en bonne partie au tarif de jour.

La résistance électrique du réchauffeur de boucle est  contrôlée par un thermostat placé sur le départ de la boucle au moins à 0,5 mètre du réchauffeur et en aval sur la sortie du mitigeur s’il existe. Le différentiel du thermostat doit être suffisamment élevé (2 à 4 C) pour éviter des mises en marche intempestives de la résistance chauffante.

Si le thermostat serait placé en amont du mitigeur, lors des faibles soutirages ceci engendrerait une relance de fonctionnement inutile du réchauffeur de boucle et donc à une instabilité de la température de soutirage,  ce d'autant plus que la capacité en eau des canalisations de distribution ECS est importante au regard de la quantité soutirée.

En outre pour éviter que le réchauffeur de boucle fonctionne inutilement lors des soutirages il faut que le point de réglage du thermostat  du réchauffeur de boucle soit un peu en dessous de la consigne du mitigeur d’eau s'il existe, ou de la consigne du stockage dans le cas contraire.

Le débit de bouclage d’eau est déterminé souvent sur une chute de température de 5 K, cette chute de température rapportée à une puissance de chauffe de 1 kW donne un débit à 172 l/h.

Pour s'assurer que le débit d’eau transite suffisamment dans le réchauffeur de boucle, un contrôleur de débit placé en sécurité coupant l'alimentation des résistances de boucle est loin d’être superflu car un arrêt de la circulation d’eau peut produire des vaporisations nuisibles aux résistances comme notamment lors des pointes de consommation d’ECS.

4.8 - Bouclage avec le retour en amont de la production ECS

Lorsqu'il a soutirage dans un chauffe-eau électrique, l'eau chaude consommée est remplacée par de l'eau froide admise en partie basse. Quand le bouclage est raccordé en bas du ballon, on réinjecte de l'eau encore chaude (la chute température sur une boucle est de l’ordre de 5 à 7°C ) dans de l'eau froide, et on crée un courant qui va avoir tendance à mélanger toute l'eau du ballon et donc à le refroidir.

Si le retour de boucle est raccordé en partie haute du réservoir, on injecte de l'eau plus froide que celle du stockage dans la partie haute, et on détruit aussi le principe de la stratification. L'énergie nécessaire au réchauffage de la boucle est prélevée sur l’eau chaude accumulée dans le dernier ballon ce qui entraine un abaissement de la température dans celui-ci.

Si l'on veut éviter des relances de jour qui ne sont pas forcément utiles suivant la température de l'avant-dernier ballon il faut vérifier que l’énergie du dernier ballon situé en aval est suffisante par  rapport à l’énergie prélevée sur le bouclage hors soutirage. A noter qu’une température de stockage à 80°C par exemple permet d’atténuer les relances de jour.

Pour pallier partiellement à ce problème on peut prévoir un appareil équipé de 2 résistances chauffantes sur le dernier chauffe-eau en série. La résistance chauffante en bas du réservoir permet d’assurer le réchauffage du stockage d’eau durant la nuit en heures creuses à tarif réduit, alors que la résistance chauffante située en partie haute du réservoir peut à la fois assurer le réchauffage du retour de boucle en cas d’abaissement de température en deçà de 60°C en haut du réservoir notamment en période hors puisage ou d’assurer le cas échéant une relance de jour en cas de besoin . Une mise en marche simultanée des deux résistances ne sera pas autorisée pour ne pas accroître la puissance électrique à souscrire.  

4.9 - Le traçage électrique (Rubans chauffants)

Afin de compenser cette chute de température, il peut être placé des rubans chauffants pour le maintien de la température sur les réseaux de distribution d’eau chaude sanitaire. Dans cette technique on intercale un ruban ou câble chauffant autorégulant ou à puissance variable entre la canalisation et son calorifuge.

La résistance de ce câble autorégulant va augmenter de façon proportionnelle à sa température de surface du fluide tracé et donc le courant traversant le câble va diminuer ainsi que la puissance de chauffage à mesure que la température augmente pour s'autoréguler à une valeur d'équilibre.

L'intérêt principal de cette technique est la suppression :

• de la boucle de retour d’eau, d'où réduction de la puissance des pertes d’énergie thermique,
• de la pompe de circulation d’eau du bouclage, d'où réduction de la consommation électrique ainsi que du coût d'entretien de cette pompe.  

Ce système a aussi pour autre avantage de ne pas participer à la destruction de la stratification de température du système de stockage d’eau chaude. Par contre considérer que l’autorégulation du ruban chauffant permet d’assurer un fonctionnement économique n’est pas forcément juste notamment quand les réseaux de distribution ECS sont sollicités sur de faibles débits durant de longues périodes, ou lorsque la température de l’eau de stockage est particulièrement basse en fin de journée.    

5 - EXEMPLES DE SCHEMAS HYDRAULIQUES

Producttion ECS par l’intermédiaire d’un préparateur d’eau chaude avec 2 circuits de distribution ECS

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