Eau chaude sanitaire dans les logements collectifs
comment dimensionner le générateur de chaleur?
Pour contrer les conséquences d'un mauvais dimensionnement d'une installation de production d'eau chaude sanitaire (ECS) dans un logement collectif, il s'avérait nécessaire de développer une méthode, voire un outil informatique, permettant de concevoir une installation efficace, économe en énergie et ne présentant aucun danger pour la santé des occupants de l'immeuble
Problématique
En tant que concepteur/installateur, il n'est pas toujours évident de savoir comment concevoir et dimensionner correctement la production d'eau chaude sanitaire. Pourtant, les conséquences d'une installation mal conçue et/ou mal dimensionnée sont importantes:
- Les installations sous-dimensionnées ne répondent pas au confort sanitaire souhaité, un aspect sur lequel les utilisateurs sont très sensibles
- Les installations sur-dimensionnées consomment généralement plus d'énergie, détériorent la qualité de l'eau, impliquent des coûts supplémentaires à l'investissement et entraînent un encombrement accru dans les locaux techniques
Avec l'université d'Anvers et la haute-école Thomas Moore Kempen, Buildwise a donc développé une nouvelle méthode de conception et de dimensionnement pour la production d'eau chaude sanitaire dans les immeubles résidentiels collectifs (immeubles à appartements). Ce développement a été soutenu par Vlaio dans le cadre du projet Coock SWW2.0 (¹).
triple objectif
Les règles de dimensionnement définies dans cette méthode ont été déterminées pour répondre à trois ambitions fondamentales:
- Le confort: Il faut que l'installation puisse répondre aux pics de puisage
- L'énergie: Il faut que l'installation consomme le moins d'énergie possible (par ex. en évitant des ballons trop volumineux, des retours d'eau primaire trop chauds vers le générateur, en réduisant les courts cycles de marche/arrêt, etc.)
- La santé: Il faut que l'eau stockée soit régulièrement renouvelée par de l'eau neuve; cela implique entre autre des volumes d'eau restreints (²)
Courbes PV
Pour préparer l'eau chaude sanitaire, il est courant d'utiliser des ballons de stockage afin de réduire la puissance du générateur de chaleur. C'est pour cette raison que le dimensionnement de la production d'eau chaude sanitaire s'exprime tant en termes de puissance que de volume de stockage.
Pour choisir un bon couple puissance/volume, la nouvelle méthode proposée recourt à des courbes puissance-volume. Cette approche graphique montre le volume de stockage nécessaire pour répondre à la demande d'eau chaude pour différentes valeurs de puissances.
Dans la Figure 1, deux zones peuvent être distinguées: lorsque la combinaison de la puissance et du volume de stockage est supérieure à la courbe PV, l'installation est sur-dimensionnée. À l'inverse, l'installation est sous-dimensionnée et la demande n'est pas satisfaite. L'objectif est de dimensionner l'installation avec des combinaisons de puissances / volumes les plus proches de la courbe PV.
Pour pouvoir utiliser ces courbes correctement, il est important de savoir à quelle puissance et à quel volume les courbent se réfèrent:
- Le volume indiqué est le volume réel du ou des ballons (c.à.d. le volume du réservoir)
- La puissance indiquée est celle requise tant au niveau de l'échangeur de chaleur que du générateur de chaleur
Il faut également prendre en compte les pertes de chaleur dues au stockage et à la distribution (boucle d'eau chaude sanitaire).
Dimensionnement selon la conception hydraulique
Les recherches ont montré que le dimensionnement d'une installation dépend de sa conception hydraulique. Les courbes PV de la nouvelle méthode sont donc adaptées pour pouvoir tenir compte de différentes approches de conceptions hydrauliques:
- Production instantanée
- Production semi-instantanée avec ballon équipé d'une chambre d'écho interne
- Production semi-instantanée avec ballon et échangeur de chaleur externe
- Production en accumulation pure
Exemple: dans la Figure 2, on voit que pour un bâtiment avec 13 logements standards, un préparateur d'eau chaude sanitaire avec un ballon de stockage d'eau sanitaire, associé à un échangeur de chaleur externe dont la température de l'eau primaire serait de 68 °C et qui est connecté à une boucle d'eau chaude correctement isolée et dont le retour arrive à mi-hauteur du ballon peut répondre au confort demandé de façon optimale avec:
– Une puissance de 51 kW et un volume d'eau de 400 l
– Ou une puissance de 35 kW et un volume d'eau de 750 l
– Ou une puissance de 30 kW et un volume d'eau de 1.000 l
Le stockage peut contenir soit de l'eau sanitaire soit de l'eau technique (c'est-à-dire de l'eau du circuit de chauffage).
Certains autres critères de conception ont également une grande importance sur le dimensionnement. Il peut s'agir par exemple du débit de la boucle de distribution, de la position du retour de la boucle de distribution dans un ballon, de la température de l'eau primaire, etc. Ces données ont donc également été prises en compte dans l'établissement des courbes PV.
Outil informatique
Pour que cette nouvelle méthode soit réellement et facilement utilisable, un outil informatique a été développé; il est librement accessible sur le site: www.buildwise.be/fr/expertise-soutien/buildwise-tools/waterdim/.
Dans cet outil, l'utilisateur:
- Encode le nombre et le type d'appartements présents dans le bâtiment. Il indique également s'il s'agit d'un immeuble de logements densément occupé ou non
- Décrit l'installation souhaitée en répondant à des questions simples comme:
– Prévoyez-vous un stockage d'eau?
– Prévoyez-vous un stockage d'eau sanitaire ou d'eau technique?
– Souhaitez-vous travailler en accumulation pure?
– Y aura-t-il plusieurs ballons?
De petits textes accompagnent l'utilisateur pour qu'il puisse répondre judicieusement à ces questions. Une fois que le concepteur a encodé toutes ces données, le programme présente:
- Un résumé de toutes les données encodées
- La courbe PV correspondante à la description du bâtiment et de l'installation souhaitée
- Un schéma hydraulique détaillé (Figure 3) correspondant à l'installation envisagée. Ce schéma est 'dynamique': quand le concepteur clique sur le numéro d'un élément de l'installation hydraulique, une fenêtre apparaît avec des informations complémentaires. Il peut ses agir d'une proposition de conception alternative à l'approche de base, de conseils sur le dimensionnement de certains équipements, etc.
(¹) Les résultats de ce projet sont disponibles à l'adresse coock-sww.be.
(²) Pour plus d'informations à ce sujet, voir l'Innovation Paper 31 publié par Buildwise ou les Meilleures Techniques Disponibles sur la légionelle sur le site web du Vlaamse Departement Zorg.
En collaboration avec Buildwise et Vaillant