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1J-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
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).
Échangeur
ÉchangeurQ 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
Production d’eau chaude sanitaire instantanée
6
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).
Q
Q
7
Applications :
GAZ
ECS
GAZ
Eau froide
ELECTRIQUERaccordement
électrique
Eau froideECS
BALLON
ECSEau froide
Fluide primaire
Production d’eau chaude sanitaire à accumulation
8
Production d’eau chaude sanitaire à semi accumulation
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
Production d’eau chaude sanitaire à semi accumulation
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 ECSFACTEUR
« 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
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
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
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
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
VOLUME D’EAU SOUTIRE
V en litres
TEMPS DE SOUTIRAGE
to en heuresOBSERVATIONS
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 heuresV est la quantité d’eau maximale susceptible d’être consommée pendant la journée.
22
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 )
toavec 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
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
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
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
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
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.
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-ACCUMULATION6,264 . N . S
26
P (kW)
Cu (L)0
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.
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
0120 . 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
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
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
0
31
Graphique final 1
P (kW)
Cu (L)50 . N . s
6,264 . N . S
160 . N
15,66 . N . s
0120 . N
32
Graphique final 2
P (kW)
Cu (L)50 . N . s
6,264 . N . S
160 . N
15,66 . N . s
0120 . N
PRi
33
Graphique final 3
P (kW)
Cu (L)50 . N . s
6,264 . N . S
160 . N
15,66 . N . s
0120 . 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
0120 . 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 65.114,9 29,8 44,7 74,4 111,6 148,8 297,6
ACCUMULATIONStockage
14,9
1600
29,8
3200
44,7
4800
74,4
8000
111,6
12000
148,8
16000
297,6
32000
SEMI-ACCUMULATIONPuissance 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-INSTANTANEPuissance mini
Stockage maxi
31,7
150
50,8
240
68,5
324
98,4
465
138,2
652
171,4
810
304,7
1440
INSTANTANEPuissance
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
standardsm3/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 30/4535/52,
540/60
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 15/3017,5/3
520/40
Restaurantm3/
jour.couvert0, 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
collectiveL/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
standardsAppart. 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)*
*Source: ALPHA-LAVAL
Unités 10 20 30 40 50 60 80 100 120 140 160 200 250 300 350 400
Appartements
standardsAppart. 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:
60 Appartements standards
Débit: 105 L/min
43
Tableau de détermination rapide de débit ECS (m3/h)*
*Source: ALPHA-LAVAL
Unités 10 20 30 40 50 60 80 100 120 140 160 200 250 300 350 400
Appartements
standardsAppart. 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:
60 Appartements standards
Débit: 6,3 m3/h
44
Diagramme de sélection rapide constructeur
*Source: ALPHA-LAVAL
Exemple 1:
60 appartements standards
Instantané 330 kW
Exemple 2:
60 appartements standards
Semi - Instantané 220 kW
Exemple 1
Exemple 2
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