Adduction d eau dans les grands bâtiments : réservoirs de toit vs. systèmes de surpression

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1 Adduction d eau dans les grands bâtiments : réservoirs de toit vs. systèmes de Introduction L utilisation des réservoirs de toit pour assurer une bonne pression d eau dans les bâtiments (spécialement dans les grands bâtiments) est très commune dans certains pays. L alternative à ces réservoirs est l utilisation de systèmes de. pour couvrir les besoins de l ensemble du bâtiment. À l époque, il n existait pas de pompes assez fiables et performantes pour les systèmes sous pression. La solution trouvée dans l immédiat fut l utilisation de pompes standards pour relever l eau vers un réservoir. Depuis ce réservoir, la gravité assurait un écoulement naturel et une pression suffisante. Cet article analyse cinq systèmes d adduction d eau différents au sein d un bâtiment de 25 m de hauteur avec une consommation d eau quotidienne de 295 m 3. L analyse inclus un système de réservoir de toit et quatre systèmes sous pression. Nous décrivons les avantages et inconvénients de chaque système et nous calculons le coût global du cycle de vie sur 2 ans. La lecture de cet article est conseillée à tous les ingénieurs responsables des systèmes d adduction d eau domestique dans les grands bâtiments. Réservoirs de toit Les réservoirs de toit ont été créés il y a plus d un siècle, alors que les bâtiments devenaient de plus en plus grands. L utilisation des systèmes de d eau pour la lutte contre les incendies et pour un usage domestique a augmenté avec le temps et le réseau d eau n était plus suffisant Bien que la technologie des systèmes de ait bien évoluée, de nombreux bâtiments sont encore équipés de réservoirs de toit. Un mot sur les auteurs : Jens Nørgaard Jens Nørgaard est Responsable Application chez Grundfos secteur Bâtiments Collectifs et Tertiaires. Il est diplômé en ingénierie mécanique. Grâce à ses compétences de Spécialiste Application et Responsables de projets, il a contribué à la mise en place de systèmes de protection de la santé et de dispositifs mécaniques dans de nombreux projets pour des sociétés de consultants. Anders Nielsen Anders Nielsen est Responsable Projets internationaux chez Grundfos. Ingénieur de formation, il a travaillé comme conseiller en énergie dans le secteur du chauffage urbain, et comme Ingénieur des ventes et Responsable Produit, secteur Bâtiments Collectifs et Tertiaires, chez Grundfos.

2 Une eau toujours disponible Les réservoirs de toit permettent aux utilisateurs de bénéficier d une pression et d une adduction d eau dans les situations où l électricité n est pas disponible. Les réservoirs de toit peuvent avoir différents volumes, mais ils permettent tous d avoir de l eau immédiatement, en la stockant pour usage domestique et applications de lutte contre les incendies. La conception du système reste : un réservoir, une tuyauterie d aspiration et une tuyauterie de refoulement, un interrupteur à flotteur et une pompe. Lorsque le niveau d eau dans le réservoir tombe en dessous d un certain niveau, l interrupteur à flotteur démarre la pompe pour remplir le réservoir. Question de traditions La mise en place et l utilisation des réservoirs de toit sont souvent bien ancrées dans les traditions. De nombreuses villes et zones géographiques dans le monde entier utilisent toujours ces réservoirs et ne sont pas prêtes de changer de technique. Environ 15. réservoirs de toit jalonnent les gratte-ciel de New York, formant ainsi une partie intégrante du système d adduction d eau de la ville. Les réservoirs de toit sont aussi très communs en Amérique centrale, en Amérique du Sud ainsi qu au Moyen-Orient. La tendance est inversée en Europe où les réservoirs de toit sont bien moins utilisés que les systèmes de. De nombreux types de systèmes sont disponibles, avec chacun leurs avantages et inconvénients. Les caractéristiques communes à tous ces système de sont un encombrement et un coût global du cycle de vie réduits. D un point de vue fonctionnel, les réservoirs de toit actuels sont performants sur de nombreux aspects. La technologie est mûre et le fonctionnement est stable. L utilisateur reçoit la pression d eau requise. Cependant, les réservoirs de toit présentent certains aspects négatifs. On compte entre autres les coûts initiaux élevés comprenant l installation du réservoir et les conditions de structure, les coûts de fonctionnement élevés, un manque de contrôle de la pression et des difficultés de maintenance. Aspects hygiéniques En plus de leur fonction de stockage et de création de pression, les réservoirs de toit sont malheureusement bien souvent des nids à microbes, constituant un risque majeur pour la santé des utilisateurs. Les légionnelles, bactéries extrêmement résistantes, s invitent souvent dans les systèmes d adduction d eau. Pour survivre, les légionnelles et autres micro-organismes se développent dans le biofilm créé dans le système d adduction d eau. - Le biofilm se forme à l intérieur des tuyauteries et du réservoir, constituant une barrière de protection et un sol fertile pour la reproduction des bactéries. Si le réservoir est lui-même en matériau organique comme le bois, il sert aussi de stockage de nourriture pour les bactéries pendant toute sa durée de vie. Un nettoyage régulier des réservoirs est requis par la loi dans de nombreux pays, imposant des coûts supplémentaires, dont les coûts de désinfection. Les légionnelles dans le biofilm Etude de cas De la même manière que les bâtiments, les systèmes de peuvent varier en taille et en conception, ce qui augmente la difficulté de choix du système le plus performant. En ce qui concerne notre étude de cas, nous allons analyser cinq systèmes différents. Nous allons déterminer les avantages et inconvénients pour vous permettre de vous rendre compte du choix le plus économique. Le calcul du coût global du cycle de vie sur 2 ans inclue l investissement initial dans les systèmes de, l acquisition des tuyauteries et des réservoirs ainsi que les coûts énergétiques, les coûts de revient et les coûts de maintenance. La base de notre calcul : Bâtiment : bâtiment administratif de 25 m de hauteur Eau domestique nécessaire : 295 m 3 /jour Le calcul se base uniquement sur une consommation de l eau à des fins domestiques. L eau nécessaire pour la climatisation n est pas incluse. 2

3 Configurations 1. Système de. un réservoir est placé devant le système de pompage et rempli d eau provenant du réseau. Cela permet une réduction de la capacité du réseau par rapport à la période de forte demande du bâtiment, assurant ainsi une pression constante à tout moment de la journée. Le réservoir de secours est rempli d eau pendant les périodes de faible consommation et assure ainsi une alimentation uniforme des surpresseurs. Système de avantages inconvénients Aucun espace nécessaire pour les surpres seurs situés aux niveaux supérieurs Juste une ou deux conduite(s) ascensionnelle(s) dans le bâtiment Système de statique élevée Vannes de décharge de pression nécessaires Coûts de fonctionnement élevés Nécessité de tuyauteries et de systèmes résistants à la haute pression Sensibilité aux coupures d électricité 2. Système. Le système d adduction d eau est en plusieurs zones fournissant un maximum de 12 étages chacune. Cela assure une pression d eau constante à chaque étage sans vanne de décharge de pression. La pression minimum à l étage supérieur de chaque zone est maintenue à 1,5-2 bar. La pression maximum à l étage inférieur de chaque zone ne dépasse pas 4-4,5 bar. Système de avantages inconvénients La juste pression d eau nécessaire est fournie Aucun espace nécessaire pour les surpresseurs situés aux niveaux supérieurs Moins vulnérable en cas de panne Aucune vanne de réduction de pression Plus de conduites ascensionnelles nécessaires dans le bâtiment Nécessité de tuyauteries et de systèmes résistants à la haute pression Sensibilité aux coupures d électricité 3. Les réservoirs de toit assure une pression et une adduction d eau même en cas de panne d électricité. Cette solution nécessite des vannes de réduction de pression à chaque étage afin d éviter les pressions statiques non désirées au niveau du robinet, créant un bruit désagréable lorsque vous tirez de l eau. Avec ce modèle, les six étages supérieurs nécessitent un système de séparé afin de produire une pression suffisante. La pression statique est ici trop faible à cause de la hauteur géométrique insuffisante jusqu au réservoir de toit. 3

4 Système de avantages inconvénients Technologie mûre Refoulement unique depuis le surpresseur sur arrêt Encombrement réduit Moins sensible aux coupures d électricité L eau est pompée là où cela est nécessaire Pression insuffisante aux étages supérieurs Pression excessive aux étages inférieurs Vannes de réduction de pression nécessaires Nécessité de tuyauterie résistante à la haute pression Encombrement du réservoir Risque de formation microbiologique dans le réservoir de toit 4. Les systèmes s avec réservoirs intermédiaires tirent sur plusieurs autres systèmes, utilisant des réservoirs centraux pour fournir l eau au robinet dans la zone de et dans toutes les zones situées au-dessus de celle-ci. Avec ce système, un bâtiment est de pression plus petites et plus facilement gérables de 12 étages chacune. Chaque zone bénéficie de son propre groupe de. Aucune vanne de réduction de pression n est nécessaire et en cas de coupures électriques, les réservoirs peuvent fournir une pression d eau suffisante pendant au moins 12 heures. Cependant, les réservoirs prennent beaucoup d espace dans le bâtiment, ce qui réduit l espace nécessaire pour la production. Système de avantages inconvénients Faible coût de fonctionnement Faible pression dans chaque zone Zones de pression gérables Résistance élevée du système Faible consommation électrique des pompes et charge réduite sur le réseau électrique Moins sensible aux coupures d électricité Tuyauterie moins résistante possible Investissement initial élevé Encombrement des groupes de s et réservoirs aux étages d installation Perte du potentiel d espace de production financière Risque de formation microbactérienne dans les réservoirs 5. Un système fonctionne sur les mêmes principes que le système précédent, mais sans réservoirs intermédiaires. Cela permet une utilisation performante de l électricité puisque l eau est uniquement pompée vers les zones où elle est utilisée et non en aval. Cependant, un contrôle complet est très important. Lorsqu un utilisateur tire de l eau depuis les étages supérieurs, les systèmes de fournissent de l eau depuis le bas du bâtiment. 4

5 Système de avantages inconvénients Faible coût de fonctionnement Aucun espace nécessaire pour les réservoirs Faible pression dans chaque zone Zones de pression gérables Faible consommation électrique des pompes et charge réduite sur le réseau électrique Tuyauterie moins résistante possible Vulnérable en cas de panne Sensibilité aux coupures d électricité Entrons dans la réalité L analyse du coût global du cycle de vie est un outil qui peut aider à minimiser le gaspillage énergétique et à optimiser la performance énergétique pour tous les types de système, dont les systèmes de. Ce calcul est un outil important puisqu il crée une vision globale capable de comparer différentes solutions de et différents fournisseurs de technologie de. Coût global du Cycle de Vie Le calcul du coût global du cycle de vie des systèmes de pompage se base généralement sur trois paramètres uniquement. Ces coûts sont : Le coût initial des groupes de Les coûts de maintenance Les coûts énergétiques Dans notre étude de cas, les coûts cachés sont inclus afin de fournir une évaluation plus réaliste du système. LCC = C ib + C ip + C m + C e + C r LCC = coût global du cycle de vie C ib = coût initial des groupes de C ip = coûts initiaux de la tuyauterie, des vannes de réduction de pression et des réservoirs C m = coûts de maintenance C e = coûts énergétiques C r = coûts de revient perdus C ib : Coût initial des groupes de Ce coûts inclus l acquisition d un groupe de et de tout l équipement et les accessoires nécessaires pour le fonctionnement du système : Pompes Convertisseurs de fréquence Panneaux de commande Capteurs de pression Réservoirs à membrane Coût initial des groupes de, C ib Comparaison des coûts initiaux des groupes de, C ib 5

6 Coûts initiaux des réservoirs et de la tuyauterie, C ip Dans les grands bâtiments, les coûts entraînés par l acquisition et le remplacement de la tuyauterie, des vannes et des réservoirs dépassent bien souvent les coûts des systèmes de. Notre étude de cas en est une fois de plus la preuve. Le calcul des coûts inclue : Les conduites ascensionnelles incluant l isolation, les roulements et le montage Toutes les tuyauteries calculées sont des tuyauteries en acier inoxydable conformes la norme DIN Les prix vont de 5 /m pour 35 mm (1¼ ) à 15 /m pour 18 mm (4 ) Les réservoirs. Coût des réservoirs 2 /m 3. En cas de panne électrique, les volumes des réservoirs sont dimensionnés de façon à ce qu ils puissent fournir de l eau pendant au moins 12 h. Les vannes de réduction de pression. 45 /pièce montage inclut. Les vannes de réduction de pression sont incluses dans le calcul là où la structure de la tuyauterie impose une pression statique au niveau du robinet supérieure à environ 5 bars. Les systèmes 1. Système de et 3. Réservoirs de toit sont fournis avec des vannes de réduction de pression. Remarque : Les coûts des tuyauteries horizontales de distribution d eau suspendues au plafond, des tuyauteries des étages administratifs et des équipements d eau ne sont pas inclus. Les coûts sont les mêmes peu importe la configuration de choisie Coûts initiaux, tuyauterie, C ip Comparaison des coûts initiaux pour la tuyauterie, etc, C ip Coûts de maintenance, C m Maintenance sur une période de 2 ans : La maintenance des groupes de constitue généralement 5 % du prix d achat initial du groupe. Tuyauterie et vannes de réduction de pression : 5 % de l investissement initial Réservoirs : 2 % du coût initial des réservoirs Les réservoirs de toit et les réservoirs intermédiaires doivent être vidangés et nettoyés chaque année conformément aux réglementations locales. Les systèmes de qui fonctionnent avec des réservoirs sont désavantagés par rapport au système sous pression Système de direct Coûts de maintenance sur 2 ans, C m Groupe de Comparaison des coûts de maintenance sur 2 ans, C m 6

7 Débit Profil de consommation Il nous faut un profil de charge pour effectuer un calcul énergétique. Le profil de consommation présente les variations de débit sur une période de 24 heures. Dans les bâtiments administratifs, comme dans la plupart des bâtiments collectifs et tertiaires, la consommation d eau varie fortement en fonction de l heure de la journée. Le matin, la demande est très forte avec le début des activités telles que le nettoyage, la préparation du café, la cuisine et la vaisselle. La demande est variable le reste de la journée, mais n atteint jamais le niveau du matin. Puisque le bâtiment abrite uniquement des espaces administratifs, la consommation est quasi nulle le soir et la nuit. Le profil de charge se base sur la courbe de durée. La consommation totale d eau potable par jour est estimée à 295 m 3 sur 25 jours par an. Les calculs énergétiques sont effectués à trois points de consigne différents considérés comme représentatifs du profil de consommation. Le point de consigne 1 est nécessaire uniquement une heure par jour au pic de la demande de 53,1m 3 /h. Le point de consigne 2 est nécessaire pendant 4 heures par jour à un débit de 21,2 m 3 /h Le point de consigne 3 est nécessaire 1 heures par jour à un débit de 15,6 m 3 /h Les 9 heures restantes ne présentent aucune consommation. Débit [m 3 /h] 6 Point de consigne 1 : 53,1 m 3 /h Profil de calcul Point de consigne 2 : 21,2 m 3 /h Point de consigne 3 : 15,6 m 3 /h Heures par jour Débit [m 3 /h] 6 Débit [m 3 /h] Heures par jour Profil de consommation d eau sur 24 heures Heures par jour Courbe de durée indiquant les heures par jour où la demande se situe au-dessus du débit indiqué. 7

8 Coûts énergétiques, C e Les calculs énergétiques sont effectués selon la formule suivante. E1 [kwh] = Q [m 3 /s] * H [kpa] * h [h] η [-] Le tableau à droite présente le principe de tout les calculs énergétiques. La consommation énergétique annuelle est calculée sur trois points de consigne. Les performances se basent sur des groupes de ou des pompes de la marque Grundfos. Tarif énergétique utilisé :,2 le kwh. Cons.. Débit Hmt Heures de fctnmt par an Puissance hydraulique Rendement Conso électrique annuelle Q H h P4 η E4 E1 KPa h kw kwh kwh 1, ,5,61 1,621 17,411 2, ,1,58 16,145 27,837 3, ,6,59 29,4 49,159 94,47 Système. Calcul sur un an de consommation énergétique Coût énergétique, C e Comparaison de la consommation énergétique sur 2 ans, C e Réservoirs de toit en bois à New York Coût de revient perdu, C r Puisque l immobilier prend de la valeur, les zones à vendre sont de plus en plus chères. Dans de nombreux exemples, il y a tout intérêt à agrandir un bâtiment. Un autre moyen plus efficace encore pour augmenter les zones à vendre est de réduire l espace inutilisé dans les bâtiments. Dans ce calcul, nous prenons en compte l encombrement des groupes de et des réservoirs. Le chiffre utilisé est 5 le m 2 par mois. Pour les sous-sols et toits, on compte 2,5 le m 2 par mois. Les coûts de revient peuvent varier en fonction des conditions du marché Coût de revient perdu sur 2 ans, C r Comparaison du coût de revient perdu sur 2 ans, C r 8

9 Supériorité des systèmes sous pression Cet article a raconté brièvement l histoire des réservoirs de toit et des systèmes sous pression. Cinq systèmes différents de dans les grands bâtiments ont été présentés, avec des calculs basés sur le même type de bâtiment. On peut facilement dresser le résultat des différents paramètres analysés. Comme l analyse le démontre, les systèmes sous pression et les systèmes s sont supérieurs aux réservoirs de toit, aussi bien concernant l investissement initial que les coûts de maintenance et de rendement énergétique. Bilan 1. La création d un débit ou d une pression consomment de l électricité même lorsque le débit est très faible ou inexistant. C est pourquoi, les configurations avec plusieurs groupes de et de faibles niveaux de pression sont préférables puisque la consommation électrique diminue significativement avec la réduction de la pression fournie. Les systèmes (2, 4 et 5) sont s en plusieurs zones de pression de 12 étages maxi chacune. La hauteur maxi est limitée à 5 m ou 5 bars dans chaque zone. Puisque la pression nécessaire est faible par rapport au système de (1) ou au système de réservoir de toit (3) la consommation électrique est réduite. Dans le système 1, la quantité d eau totale (295 m 3 /jour) est mise sous pression à 29 bars, ce qui nécessite l utilisation de vannes de réduction de pression. La pression des systèmes s (4 et 5) est de seulement 6 bars, ce qui retire toute nécessité de vannes de réduction de pression. Le système de réservoir de toit semble être le moins profitable et le plus consommateur d énergie de tous les systèmes confondus. C est tout à fait surprenant puisque le groupe de peut fonctionner à débit constant de 15 m 3 /h pendant 2 heures par jour. Cependant, dans ce système, toute l eau (295 m 3 /jour) est pompée à une pression élevée (29 bars) et peut donc ensuite revenir par la gravité aux endroits où elle est supposée être utilisée. Une fois de plus, des vannes de réduction de pression doivent être installées afin de retirer la pression excessive. 2. Le profil de consommation indique que la demande en eau varie selon les périodes de la journée. L adaptation constante au débit variable nécessite l utilisation de groupes de et d un système de tuyauterie conçu pour supporter les débits élevés à tout moment. L installation de réservoirs inter médiaires permet d utiliser l eau en stock afin de s adapter aux situations de forte demande. Dans ce cas, le dimensionnement des surpresseurs et de la tuyauterie peut être fortement revu à la baisse. Par exemple : le groupe de de la zone inférieure doit alimentée les quatre groupes de s situées au-dessus. Dans les systèmes s sans Coût total sur 2 ans Coûts énergétiques sur 2 ans Coûts initiaux, réservoirs et tuyauterie. Coûts initiaux, surpresseurs. Coûts de maintenance sur 2 ans. Coût de revient perdu sur 2 ans réservoirs intermédiaires (5), il faut dimensionner l installation pour le plein débit de 53.1m 3 /h, ce qui nécessite l utilisation d un groupe de équipé de trois pompes de 16 kw. L insertion de réservoirs intermédiaires (système 4) réduit le débit nécessaire à 23,2 m 3 /h, ce qui nécessite l utilisation de trois pompes de 3 kw seulement et ce qui réduit la consommation énergétique globale de 24%. Dans les grands bâtiments, les systèmes de s resteront toujours les meilleurs systèmes d adduction d eau. Grâce à ces systèmes, la consommation électrique est significativement réduite puisque les surpresseurs tournent à moindre pression. Un système rendra les vannes de réduction de pression inutiles puisque la pression statique est maintenue à un niveau faible est tout à fait acceptable. Cela augmente le confort de l utilisateur. Les économies d énergie sont essentielles Généralement, on se concentre d abord sur le coût initial lors de la sélection des groupes de et lors du réglage de la configuration. Notre calcul a démontré l inefficacité de cette méthode. Les systèmes s imposent nécessairement un investissement plus élevé dans les groupes de, mais cette étude a prouvé que l investissement reste mineur à long terme. Il faut principalement prendre en compte la consommation énergétique de l ensemble de la configuration de : la consommation énergétique compte bien plus que tous les coûts restants cumulés. 9