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LA PRODUCTION D’EAU CHAUDE SANITAIRE. J-M R. D-BTP. 2006. Types de production. Calcul des systèmes de production. Tableaux et diagrammes de détermination. Types de production. Production d’eau chaude sanitaire instantanée. Production d’eau chaude sanitaire à accumulation.

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide2

Types de production

Calcul des systèmes de production

Tableaux et diagrammes de détermination

slide3

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

slide4

Q

Échangeur

Échangeur

Q

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).

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).

slide5

ELECTRIQUE

ELECTRIQUE

GAZ

Raccordement électrique

ECS

EF

Gaz

Electricité

ECS

EF

ECS

EF

ECHANGEUR(fluide primaire)

Sortie ECS

Entrée

PRIMAIRE

SECONDAIRE

Entrée EF

Sortie

Production d’eau chaude sanitaire instantanée

Applications:

slide6

Q

Q

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).

slide7

GAZ

BALLON

ELECTRIQUE

Raccordement électrique

Fluide primaire

GAZ

ECS

ECS

ECS

Eau froide

Eau froide

Eau froide

Production d’eau chaude sanitaire à accumulation

Applications :

slide8

EAU CHAUDE

BALLON

ECHANGEUR

TAMPON

ENTREE

FLUIDE PRIMAIRE

EAU FROIDE

SORTIE

Production d’eau chaude sanitaire à semi accumulation

Principe:

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).

slide9

EAU CHAUDE

BALLON

ECHANGEUR

TAMPON

ENTREE

FLUIDE PRIMAIRE

EAU FROIDE

SORTIE

Production d’eau chaude sanitaire à semi accumulation

Principe:

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 )

slide10

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

slide11

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

slide12

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.

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

slide13

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.

slide14

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.

slide15

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

slide16

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

slide17

1

s

N 0,905

=

+ 0, 17

T = 5

.

15 + N 0,92

N - 1

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

ou utiliser le tableau suivant.

Nota: on peut remarquer que s est sensiblement égal à 1/T.

slide18

Qh (débit horaire maximaux en litres par heure)

Qh = 120 . N .s

N (nombre de logements standards)

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 :

Exemple :

N = 40

s = 0,33

Qh = 120 . 40 . 0,33

Qh = 1 584 L/h

slide19

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

slide20

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

slide22

( V – Cu )

PRi = 1,16 . ( θecs – θef ) . 10 -3

avec PRi en kW

to

( V – Cu )

PRi = 52,2 . 10 -3

to

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 : 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:

slide23

P (kW)

SYSTEME INSTANTANE

15,66 . N . s

( 50.N.s – 0 )

PRi s’écrit alors : 52,2 . 10 –3

1/6

0

Cu (L)

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

slide24

15,66 . N . s

P (kW)

SYSTEME SEMI-INSTANTANE

0

50 . N . s

( 50.N.s – Csi )

PRsi s’écrit alors: 52,2 . 10 –3

1/6

Les composantes du système peuvent varier de :

PRsi de 15,66.N.s à 0

Csi de 0 à 50.N.s

Cu (L)

Donc: PRsi = 0,3132 ( 50.N.s – Csi )

et Cu = Csi

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

slide25

P (kW)

6,264 . N . S

0

120 . N

SYSTEME SEMI-ACCUMULATION

( 120.N.s – Csa )

PRsa s’écrit alors: 52,2 . 10 –3

l/s

Les composantes du système peuvent varier de :

PRsa de 6,264.N.s à 0

Csa de 0 à 120.N.s

Cu (L)

Donc: PRsa = 0,0522 ( 120.N.s – Csa )

et Cu = Csa

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.

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

slide26

P (kW)

0

ACCUMULATION

Donc: PRi = 0

et Cu = 160 N

Cu (L)

160 . N

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.

slide27

P (kW)

15,66 . N . s

6,264 . N . S

0

Cu (L)

Abaque des systèmes sans les pertes

SYSTEME INSTANTANE

SYSTEME SEMI-INSTANTANE

SYSTEME SEMI-ACCUMULATION

ACCUMULATION

120 . N

160 . N

50 . N . s

slide28

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

slide29

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

slide30

P (kW)

0,4437 . N

Cu (L)

160 . N

0

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

slide31

P (kW)

15,66 . N . s

6,264 . N . S

120 . N

160 . N

50 . N . s

0

Cu (L)

Graphique final 1

slide32

P (kW)

15,66 . N . s

6,264 . N . S

PRi

120 . N

160 . N

50 . N . s

0

Cu (L)

Graphique final 2

slide33

P (kW)

15,66 . N . s

6,264 . N . S

0,4437 . N

pertes

120 . N

160 . N

50 . N . s

0

Cu (L)

Graphique final 3

slide34

P (kW)

15,66 . N . s

6,264 . N . S

0,4437 . N

PI

120 . N

160 . N

50 . N . s

0

Cu (L)

Graphique final 4

slide35

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

Ceci n’étant valable que si l’arrivée d’eau froide se fait par le bas et le départ eau chaude par le haut !!

slide36

Cu

C =

M

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.

On remarque qu’il est souhaitable d’installer des ballons verticaux qui possèdent un facteur de mélange plus fort.

slide37

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

slide39

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)

slide41

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

Exemple:

60 Appartements standards

Puissance en instantané: 330 kW

*Source: ALPHA-LAVAL

slide42

Tableau de détermination rapide du débit ECS (L/min)*

Exemple:

60 Appartements standards

Débit: 105 L/min

*Source: ALPHA-LAVAL

slide43

Tableau de détermination rapide de débit ECS (m3/h)*

Exemple:

60 Appartements standards

Débit: 6,3 m3/h

*Source: ALPHA-LAVAL

slide44

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

*Source: ALPHA-LAVAL