Transcript la production d`eau chaude sanitaire

LA PRODUCTION
D’EAU CHAUDE
SANITAIRE
J-M R. D-BTP
2006
1
Types de production
Calcul des systèmes de production
Tableaux et diagrammes de détermination
2
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
3
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).
4
Production d’eau chaude sanitaire instantanée
Applications:
GAZ
ELECTRIQUE
Raccordement
électrique
Electricité
Gaz
ECS
EF
ECS
EF
ECHANGEUR
(fluide primaire)
Sortie ECS
Entrée
PRIMAIRE
Sortie
SECONDAIRE
Entrée EF
5
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).
6
Production d’eau chaude sanitaire à accumulation
Applications :
GAZ
BALLON
ELECTRIQUE
Raccordement
électrique
Fluide
primaire
GAZ
ECS
Eau froide
Eau froide
ECS
ECS
Eau froide
7
Production d’eau chaude sanitaire à semi accumulation
Principe:
EAU
CHAUDE
BALLON
ECHANGEUR
TAMPON
ENTREE
FLUIDE PRIMAIRE
SORTIE
EAU FROIDE
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).
8
Production d’eau chaude sanitaire à semi accumulation
Principe:
EAU
CHAUDE
BALLON
ECHANGEUR
TAMPON
ENTREE
FLUIDE PRIMAIRE
SORTIE
EAU FROIDE
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 )
9
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
10
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
11
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
• 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
CARACTERISTIQUES ECS
Contenance
(litres)
180
150
135
Débit
(litres/min)
18
15
13,5
9
6
FACTEUR
«p»
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
12
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
8
8
12
10
6
1
Total
45
Équipement principal
Coefficient
«p»
Nombre
corrigé de
logement N
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
39,3 soit 40
13
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
14
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
15
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
16
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
s =
15 + N 0,92
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.
17
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 (débit horaire maximaux en litres par heure)
Exemple :
Qh = 120 . N .s
N = 40
s = 0,33
Qh = 120 . 40 . 0,33
Qh = 1 584 L/h
N (nombre de logements standards)
18
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
19
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
20
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.
(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.
24 heures
V est la quantité d’eau maximale
susceptible d’être consommée
pendant la journée.
120 Ns
160
21
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 )
avec PRi en kW
to
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
22
Système instantané
P
(kW)
SYSTEME INSTANTANE
15,66 . N . s
0
Cu (L)
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
PRi s’écrit alors : 52,2 . 10 –3
( 50.N.s – 0 )
1/6
et t = 10 min ou 1/6 d’heure
Donc:
PRi = 15,66 . N . S
et Cu = 0
23
Système semi - instantané
P
(kW)
15,66 . N . s
SYSTEME SEMI-INSTANTANE
0
50 . N . s
Cu (L)
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
PRsi s’écrit alors: 52,2 . 10 –3
Cu = Csi
et t = 10 min ou 1/6 d’heure
( 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
24
Système semi - accumulation
P
(kW)
SYSTEME SEMI-ACCUMULATION
6,264 . N . S
0
120 . N
Cu (L)
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
PRsa s’écrit alors: 52,2 . 10 –3
et t = l/s
( 120.N.s – Csa )
l/s
Donc:
Cu = Csa
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
25
Système accumulation
P
(kW)
ACCUMULATION
0
160 . N
Cu (L)
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
26
Abaque des systèmes sans les pertes
P (kW)
SYSTEME INSTANTANE
15,66 . N . s
SYSTEME SEMI-INSTANTANE
SYSTEME SEMI-ACCUMULATION
6,264 . N . S
ACCUMULATION
0
50 . N . s
120 . N
160 . N
Cu (L)
27
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
ou
PRs = 6,525 .10-3 . Cu
28
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
29
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)
0,4437 . N
0
160 . N
Cu (L)
30
Graphique final 1
P (kW)
15,66 . N . s
6,264 . N . S
0
50 . N . s
120 . N
160 . N
Cu (L)
31
Graphique final 2
P (kW)
15,66 . N . s
PRi
6,264 . N . S
0
50 . N . s
120 . N
160 . N
Cu (L)
32
Graphique final 3
P (kW)
15,66 . N . s
pertes
6,264 . N . S
0,4437 . N
0
50 . N . s
120 . N
160 . N
Cu (L)
33
Graphique final 4
P (kW)
15,66 . N . s
PI
6,264 . N . S
0,4437 . N
0
50 . N . s
120 . N
160 . N
Cu (L)
34
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
Facteur de mélange M
2
1
0,5
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 !!
35
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.
36
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
37
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
14,9
1600
29,8
3200
44,7
4800
74,4
8000
111,6 148,8 297,6
12000 16000 32000
31,7
150
50,8
240
68,5
324
98,4
465
138,2
652
171,4
810
304,7
1400
31,7
150
50,8
240
68,5
324
98,4
465
138,2
652
171,4
810
304,7
1440
78,3
125,3 169,1 242,7
340,6
422,8
751,7
ACCUMULATION
Stockage
SEMI-ACCUMULATION
Puissance maxi
Stockage mini
SEMI-INSTANTANE
Puissance mini
Stockage maxi
INSTANTANE
Puissance
Stockage Cu = 0
P en kW
Cu en litres
38
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)
39
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
40
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
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
680
740
650
Exemple:
60 Appartements standards
Puissance en instantané: 330 kW
41
*Source: ALPHA-LAVAL
800
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
217
236
207
Exemple:
60 Appartements standards
Débit: 105 L/min
42
*Source: ALPHA-LAVAL
255
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
13.0
14.2
12.4
Exemple:
60 Appartements standards
Débit: 6,3 m3/h
43
*Source: ALPHA-LAVAL
15.3
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
44
*Source: ALPHA-LAVAL