D’EAU CHAUDE4 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

1 J-M R. D-BTP

LA PRODUCTION

D’EAU CHAUDE

SANITAIRE

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


Principe:

Le système de production d’ECS est dit « instantané » lorsqu’il ne dispose

d’aucune réserve d’eau (ou volant thermique).

Échangeur

Échangeur

Q Q

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

Applications:

Gaz

EF ECS

GAZ

ECHANGEUR(fluide primaire)

Entrée

Sortie

PRIMAIRE

Entrée EF

Sortie ECS

SECONDAIRE

ELECTRIQUE

Electricité

EF ECS

ELECTRIQUE

EF ECS

Raccordement

électrique


6


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).

Q

Q

7

Applications :

GAZ

ECS

GAZ

Eau froide

ELECTRIQUE

Raccordement

électrique

Eau froide ECS

BALLON

ECS Eau froide

Fluide

primaire


8


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).

Principe:

FLUIDE PRIMAIRE

EAU

CHAUDE

ECHANGEUR

EAU FROIDE

BALLON

TAMPON

ENTREE

SORTIE

9

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 )

Principe:

FLUIDE PRIMAIRE

EAU

CHAUDE

ECHANGEUR

EAU FROIDE

BALLON

TAMPON

ENTREE

SORTIE


10

Calcul des systèmes de production

Notion de logement standard

Logements standards d’un ensemble

Consommation journalière Qj

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

Consommation horaire de pointe Qh

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.

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

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.

Nombre de

logements

réels

Équipement principal Coefficient

« p »

Nombre

corrigé de

logement N

8

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

1

1,3

1,5

3,2

4,8

12

10

7,8

1,5

Total

45

Total

39,3 soit 40

14


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

15


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

Qh = 160 . 0,75 . N . s

Ou, pour Qj = 160 N

Qh = 120 . N . s

17

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

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.

ou utiliser le tableau suivant.

s 1

+ 0, 17

N - 1

= T = 5

N 0,905

15 + N 0,92 .

18

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

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


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 :





21


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)


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


susceptible d’être consommée

pendant la journée.

22


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

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

PRi : Puissance réchauffage instantanée, V : volume d’eau utilisé, Cu : capacité utile de stockage, to temps d’utilisation

23

Donc: PRi = 15,66 . N . S

et Cu = 0


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

P

(kW)

Cu (L)

SYSTEME INSTANTANE

15,66 . N . s

0

24


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

Donc: PRsi = 0,3132 ( 50.N.s – Csi )

et Cu = Csi

Les composantes du système peuvent varier de :

PRsi de 15,66.N.s à 0

Csi de 0 à 50.N.s

P

(kW)

Cu (L) 0

15,66 . N . s

50 . N . s

SYSTEME SEMI-INSTANTANE

25

P

(kW)

Cu (L) 0


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.

PRsa s’écrit alors: 52,2 . 10 –3 ( 120.N.s – Csa )

l/s

Donc: PRsa = 0,0522 ( 120.N.s – Csa )

et Cu = Csa

Les composantes du système peuvent varier de :

PRsa de 6,264.N.s à 0

Csa de 0 à 120.N.s

On a donc : V = 120.N.s Cu = Csa et t = l/s

120 . N

SYSTEME SEMI-ACCUMULATION 6,264 . N . S

26

P

(kW)

Cu (L) 0


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

160 . N

ACCUMULATION

27

Abaque des systèmes sans les pertes

P (kW)

Cu (L)

SYSTEME INSTANTANE

50 . N . s

SYSTEME SEMI-INSTANTANE

6,264 . N . S

160 . N

SYSTEME SEMI-ACCUMULATION

ACCUMULATION

15,66 . N . s

0 120 . N

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


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


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

0

31

Graphique final 1

P (kW)

Cu (L) 50 . N . s

6,264 . N . S

160 . N

15,66 . N . s

0 120 . N

32

Graphique final 2

P (kW)

Cu (L) 50 . N . s

6,264 . N . S

160 . N

15,66 . N . s

0 120 . N

PRi

33

Graphique final 3

P (kW)

Cu (L) 50 . N . s

6,264 . N . S

160 . N

15,66 . N . s

0 120 . N

pertes

0,4437 . N

34

Graphique final 4

P (kW)

Cu (L) 50 . N . s

6,264 . N . S

160 . N

15,66 . N . s

0 120 . N

0,4437 . N

PI

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

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 !!

36

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

C = Cu

M

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

Diagramme de sélection rapide constructeur

Cas particuliers

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)

Tableau de détermination rapide des besoins en ECS

38

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

14,9

1600

29,8

3200

44,7

4800

74,4

8000

111,6

12000

148,8

16000

297,6

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

Puissance mini

Stockage maxi

31,7

150

50,8

240

68,5

324

98,4

465

138,2

652

171,4

810

304,7

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

39

Cas particuliers

Dans les bâtiments autres que les logements dits standards, nous

utiliserons les consommations moyennes suivantes :

Hôtel (chambre avec baignoire)

Bureaux (lavabos)

Bâtiments hospitaliers

Restaurants

Cuisine collective

100 à 150 L/j (à 45 °C)

8 à 10 L/j.pers (à 45 °C)

50 à 100 L/j.lit (à 45 °C)

10 à 12 L/j.couv (à 60 °C)

3 à 5 L/j.repas (à 60 °C)

40

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 40 48 56 64

Hotel m3/jour 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.cou

vert 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

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 1,25 1,5 1,75 2

41

Tableau de détermination rapide de la puissance ECS (kW)*

*Source: ALPHA-LAVAL

Unités 10 20 30 40 50 60 80 100 120 140 160 200 250 300 350 400

Appartements

standards Appart. 130 185 230 270 300 330 380 420 480 510 550 630 705 780 860 930

Appartements

Grand standing Appart. 155 220 260 300 340 380 430 500 540 580 620 710 800 890 980 1040

Hôtel ** Chambre 180 260 300 360 400 420 520 580 640 690 740 840 940 1050 1120

Hôtel ***

et **** Chambre 220 300 370 430 480 520 610 680 720 810 870 980 1100

Centre sportif Douches 230 320 400 460 500 560 650 740 800 870 930 1050

Hôpitaux Lits 110 160 200 220 260 280 320 380 400 440 470 540 650 680 740 800

Exemple:

60 Appartements standards

Puissance en instantané: 330 kW

42

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

Appartements

Grand standing Appart. 49 70 83 96 109 121 137 160 172 185 198 227 255 284 313 332

Hôtel ** Chambre 57 83 96 115 128 134 166 185 204 220 236 268 300 335 358

Hôtel ***

et **** Chambre 70 96 118 137 153 166 195 217 230 259 278 313 351

Centre sportif Douches 73 102 128 147 160 179 207 236 255 278 297 335

Hôpitaux Lits 35 51 64 70 83 89 102 121 128 140 150 172 207 217 236 255

Exemple:


Débit: 105 L/min

43

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

Appartements

Grand standing Appart. 3.0 4.2 5.0 5.7 6.5 7.3 8.2 9.6 10.3 11.1 11.9 13.6 15.3 17.0 18.8 19.9

Hôtel ** Chambre 3.4 5.0 5.7 6.9 7.7 8.0 10.0 11.1 12.3 13.2 14.2 16.1 18.0 20.1 21.5

Hôtel ***

et **** Chambre 4.2 5.7 7.1 8.2 9.2 10.0 11.7 13.0 13.8 15.5 16.7 18.8 21.1

Centre sportif Douches 4.4 6.1 7.7 8.8 9.6 10.7 12.4 14.2 15.3 16.7 18.8 21.1

Hôpitaux Lits 2.1 3.1 3.8 4.2 5.0 5.4 6.1 7.3 7.7 8.4 9.0 10.3 12.4 13.0 14.2 15.3

Exemple:


Débit: 6,3 m3/h

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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

Documents

D’EAU CHAUDE4 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