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1 ié=éçáåí=éå=êéåüéêåüé Décembre 2007 Série techique Essais de performace de récupérateurs de chaleur des eaux domestiques au CCTR fåíêççìåíáçå La récupératio de la chaleur des eaux domestiques est ue techologie relativemet simple qui permet aux méages de réduire leur cosommatio e eau chaude et de prologer le temps de dispoibilité de l eau chaude durat les périodes de grade demade ou d utilisatio cotiue. Les récupérateurs de chaleur des eaux domestiques tiret parti du pricipe de la tesio superficielle, selo lequel l eau ted à s écouler le log des parois des tuyaux de vidage verticaux. Cela se traduit par u rapport «surface de cotact/volume» très élevé qui permet d extraire la chaleur des eaux domestiques e eroulat la caalisatio d arrivée d eau froide autour du tuyau de vidage vertical. Il existe à l heure actuelle u certai ombre de récupérateur de chaleur des eaux domestiques brevetés. U programme de recherche visat à évaluer das quelle mesure ces appareils peuvet récupéré l éergie a été meé par le Cetre caadie des techologies résidetielles (CCTR) 1. Six échageurs thermiques de fabricatio de série ot été mis à l essai das le cadre de deux études meées respectivemet e 2005 et e Ces appareils étaiet costitués d u tuyau de vidage e cuivre de 3 po (76,2 mm) de diamètre omial et de logueur variable etouré d ue coduite de cuivre souple de 1/2 po (12,7 mm) ou de 3/8 po (9,5 mm) de diamètre omial. De l eau froide circule das la petite coduite souple pour capter la chaleur des eaux domestiques, comme le motre la figure 1. La dispositio de la coduite autour du tuyau de vidage, de même que la forme des différetes coduites, varie d u modèle à l autre. Vers les appareils Vers le chauffe-eau Eau froide d alimetatio Eaux domestiques chaudes proveat des douches, évier et lavabos Sortie des eaux domestiques de vidage Figure 1 Vue e coupe schématique d u récupérateur de chaleur des eaux domestiques type 1 Le Cetre caadie des techologies résidetielles (CCTR) est u établissemet de recherche voué à l évaluatio d iovatios techiques das le domaie de l habitatio. Le CCTR est exploité e parteariat par le Coseil atioal de recherches du Caada (CNRC), Ressources aturelles Caada (RNC) et la Société caadiee d hypothèques et de logemet (SCHL). Les istallatios de recherche et de démostratio du CCTR compreet deux maisos idetiques de deux étages, avec sous-sol complet, équipées d ue batterie d istrumets et de capteurs. Ces maisos, de 210 m 2 (2 260 pi 2 ), sot costruites selo la orme R-2000 et o y évalue e parallèle la performace des ouvelles techologies à l échelle de la maiso etière e simulat l occupatio. Le CCTR dispose égalemet d u Ifocetre où Bâti-Flex MC est e démostratio. Pour de plus amples reseigemets sur le CCTR, visitez le AU CŒUR DE L HABITATION

2 Le Poit e recherche Essais de performace de récupérateurs de chaleur des eaux domestiques au CCTR Das la plupart des habitatios, il se produit des «évéemets» de vidage des eaux domestiques où itervieet de l eau froide seulemet (toilette), de l eau froide et de l eau chaude (lavabos, lessive et douche) ou de l eau chaude seulemet (lave-vaisselle). Das certais cas, l eau chaude circule simultaémet das les tuyaux d approvisioemet et de vidage (évier et douche), alors que das d autres il y a u délai etre l apport d eau chaude et la vidage d eau tempérée (lessive, lave-vaisselle et bais). Il importate de faire la distictio etre ces types d évéemets, car le type de récupérateur de chaleur géérique dot il est questio ici possède ue très faible capacité de stockage et est plus efficace lors d évéemets où l eau coule logtemps et e même temps qu elle se vidage, comme c est le cas des douches. mêçöê~ããé=çé=êéåüéêåüé C est e 2005 que les chercheurs du CCTR ot commecé à étudier l efficacité des récupérateurs de chaleur des eaux domestiques. Aisi, ils ot mesuré les écoomies quotidiees de gaz aturel géérées par trois modèles de récupérateurs selo deux agecemets de plomberie et quatre horaires quotidies d utilisatio de l eau chaude et de l eau froide. L efficacité de ciq récupérateurs de chaleur a égalemet été mesurée. L u des objectifs de l étude était de détermier si les débits o simultaés avaiet ue icidece sur les écoomies d éergie et offertes par les récupérateurs mis à l essai, par coséquet, si o devait e teir compte das les prochaies modélisatios. L étude de 2005 a motré que la chaleur récupérée pedat les évéemets aux débits o simultaés était égligeable. E 2006, das la foulée de cette étude iitiale, six récupérateurs ot été évalués, y compris les ciq modèles mis à l essai e L étude de 2006 a permis d élaborer u modèle d efficacité plus précis. Les doées brutes d essais de circulatio d eau avec douche seulemet ot été jumelées à des modèles mathématiques afi de créer u calculateur d écoomie d éergie, de calculer des courbes du débit e foctio de la chute de pressio das la tuyauterie d alimetatio e eau pour chaque récupérateur de chaleur et d élaborer ue procédure pour les prochais essais d efficacité des récupérateurs de chaleur des eaux domestiques. Tous les essais et modélisatios ot été meés au Cetre caadie des techologies résidetielles (CCTR). 1 Les essais de 2005 ot été effectués das la maiso d essai du CCTR. Les essais de 2006 ot été effectués das la maiso Bâti-Flex MC de l Ifocetre du CCTR. Ces essais icluaiet pas les essais habituels du CCTR sur les deux maisos jumelles. j íüççé Deux agecemets d istallatio différets ot été employés das les deux études. Pour certais essais, ces agecemets ot été comparés à u agecemet de référece. Tous les récupérateurs de chaleur avaiet u tuyau de vidage itere de 3 po de diamètre. Référece : aucu récupérateur de chaleur, tuyau isolé. Agecemet A : l eau d alimetatio du réservoir à eau chaude est préchauffée par le récupérateur de chaleur des eaux domestiques. Agecemet B : l eau froide d alimetatio du réservoir à eau chaude et l eau froide de la douche sot préchauffées par le récupérateur de chaleur des eaux domestiques. Les caractéristiques géérales des récupérateurs de chaleur évalués et les modèles mis à l essai das le cadre de chaque étude figuret aux tableaux 1 et 2. Tableau 1 Récupérateurs de chaleur des eaux domestiques mis à l essai Modèle de récupérateur Logueur Essais 2005 Essais 2006 Logueur totale (po) Sectio avec échageur (po) Débits d eau quotidies Efficacité Agecemet A Agecemet B PowerPipe R ,5 PowerPipe R GFX, G ,25 GFX, G ReTherm S à 28 ReTherm C Société caadiee d hypothèques et de logemet

3 Le Poit e recherche Essais de performace de récupérateurs de chaleur des eaux domestiques au CCTR Tableau 2 Caractéristiques des récupérateurs de chaleur Modèle Logueur Tuyaux Tous : diamètre du tuyau de vidage de 3 po Logueur totale (po) Sectio avec échageur (po) Diamètre du tuyau de l échageur (po) Passages de tuyaux Eroulemet Sectio PowerPipe R ,5 0,375 Quadruple Sectios simples Le plus carré PowerPipe R ,375 Quadruple Sectios simples Le plus carré GFX, G ,25 0,5 Simple Sectios simples 2 e plus carré presque carré GFX, G ,5 Simple Sectios simples 2 e plus carré presque carré ReTherm S à 28 0,5 Simple Deux sectios égales 3 e plus carré presque carré ReTherm C ,5 Simple Sectios simples 3 e plus carré presque carré Figure 2 Trois récupérateurs de chaleur mis à l essai das la phase 1 de l étude. De haut e bas : ReTherm S3-60, GFX G3-40 et PowerPipe R3-36. Société caadiee d hypothèques et de logemet 3

4 Le Poit e recherche Essais de performace de récupérateurs de chaleur des eaux domestiques au CCTR fåëí~ää~íáçå Phase 1 de l étude (2005) Pour mesurer la cosommatio quotidiee d eau, ciq vaes ot été istallées sur chaque récupérateur de chaleur afi d autoriser les trois modes de foctioemet (référece, agecemet A et agecemet B). Ue vae de mélage maiteait la température de l eau de la douche à 46 C (114 F) eviro. U réservoir de 100 L (22 gal) simulait le stockage d eau das les bais, les lave-lige et le lavevaisselle, et u clapet motorisé a été employé pour vidager la toilette automatiquemet. U compteur de gaz aturel à impulsio braché directemet au réservoir à eau chaude mesurait la cosommatio de gaz. Trois compteurs d eau à impulsio mesuraiet le débit d eau froide, tiède et chaude. Huit thermocouples mesuraiet la performace du système et l efficacité du récupérateur de chaleur des eaux domestiques. Les doées étaiet eregistrées à itervalles de 10 miutes pour les volumes d eau quotidies et à itervalles d ue miute pour les essais d efficacité du système das le cas de la douche. Phase 2 de l étude (2006) Les récupérateurs de chaleur des eaux domestiques ot été istallés de la même maière que das l étude iitiale. E plus, des trasducteurs de pressio ot été istallés à l etrée et à la sortie pour mesurer la perte de pressio das la tuyauterie du récupérateur de chaleur à différets débits. Des thermocouples ot été istallés aux raccords du haut et du bas, et aux raccords d etrée et de sortie des coduites du récupérateur. Pour compeser les variatios de température de l eau froide d alimetatio, l eau de deux réservoirs était refroidie à l aide d u refroidisseur de 2 kw (2,68 HP) e boucle fermée activé par ue pompe de circulatio. Ue vae de mélage de l eau froide a été posée etre l alimetatio d eau froide et l alimetatio muicipale pour mieux maîtriser la température de l eau. Avec cette istallatio, l eau froide a été maiteue à ue température de 8 C (46 F). Figure 3 Schéma de l agecemet d essai du récupérateur de chaleur des eaux domestiques 4 Société caadiee d hypothèques et de logemet

5 Le Poit e recherche Essais de performace de récupérateurs de chaleur des eaux domestiques au CCTR bëë~áë Phase 1 de l étude (2005) Deux types d essais ot été meés au cours de cette étude iitiale. Le premier visait à quatifier les écoomies d éergie possibles das ue maiso représetative ayat deux, trois ou quatre occupats. Chaque échageur thermique a été mis à l essai e huit différets agecemets et horaires d utilisatio. Les volumes d eau utilisés das le cadre de cette étude étaiet semblables à ceux utilisés par le CCTR pour évaluer les chauffe-eau. Pour estimer l importace des écoomies o liées à la douche, o a comparé la référece et les doées expérimetales à partir de 8 h 30 (c est-à-dire après la récupératio du réservoir à eau chaude après la derière douche). Le deuxième essai visait à détermier l efficacité des récupérateurs de chaleur des eaux domestiques. Les essais d efficacité i situ 2 ot cosisté à faire couler la douche jusqu à ce que la température de l eau passe de 46 C (114 F) à la température iférieure à celle du corps (37,0 C [98,6 F]) pour chaque récupérateur de chaleur et pour chaque agecemet. Phase 2 de l étude (2006) Les essais ot porté sur le débit de la douche et la température à l etrée et à la sortie de six récupérateurs de chaleur des eaux domestiques pour l agecemet A (préchauffage de l eau d alimetatio du réservoir à eau chaude) et l agecemet B (préchauffage de l eau d alimetatio du réservoir à eau chaude et de la douche). Les écoomies d éergie et le redemet ot été mesurés pour des débits de douche de 6,5, 8,5 et 10 L (1,4, 1,8 et 2,2 gal) par miute à des températures de 37, 41 et 45 C (98,6, 105 et 113 F). L alimetatio d eau froide a été maiteue à 8 C (46 F). La chute de pressio d eau a été mesurée das chaque appareil et pour les trois débits susmetioés. Après les essais iitiaux de tous les paramètres sur deux systèmes (18 essais par appareil) et l aalyse des courbes du ombre d uités thermiques (NUT) 3, il a été détermié qu etre 8 et 10 essais par système étaiet suffisats. Le débit s est avéré le seul paramètre sigificatif pour l évaluatio du NUT de chaque récupérateur de chaleur. o ëìäí~íë Phase 1 (2005) Etre septembre 2005 et février 2006, des doées de référece ot été recueillies pedat 33 jours et des doées expérimetales ot été recueillies pedat 72 jours. Les résultats représetet les écoomies de gaz aturel e foctio d ue série de températures de l eau froide (miima jouraliers de 19,4 à 9,5 C [66,92 à 49,10 F]) et de débits d eau. Par coséquet, les écoomies auelles e peuvet être projetées par simple multiplicatio. E théorie, certaies écoomies pourraiet être réalisées avec des débits o simultaés grâce au stockage de la chaleur das l eau des coduites du récupérateur de chaleur et das la masse de cuivre. Les essais ot démotré toutefois que les écoomies réalisées par la récupératio de la chaleur d origie autre que la douche durat le jour sot aulées par u seul cycle du brûleur du réservoir à eau chaude, lorsque celui-ci doit démarrer à la suite des déperditios de chaleur, alors qu aucu volume d eau chaude est réellemet utilisé. Les essais d efficacité i situ ot mesuré combie de temps la douche devait couler pour que la température de l eau atteige 37 C (98,6 F). Tous les récupérateurs de chaleur des eaux domestiques ot doé des durées cosidérablemet plus logues e dispositio d eau chaude que la référece de 28 miutes. E agecemet A, cette durée a varié etre 39 et 62 miutes, alors qu e agecemet B, elle allait de 53 à plus de 75 miutes. L efficacité thermique globale au chapitre de la durée et de la masse pour chaque système a varié etre 46 % et 67 %. L agecemet A est plus efficace thermiquemet que l agecemet B pour la douche seule e raiso du plus faible débit d eau froide, qui permet à l eau sortat du récupérateur de chaleur d atteidre ue température plus proche de celle de l eau descedat das le tuyau de vidage et passat à travers le récupérateur de chaleur. Toutefois, lors des essais d ue jourée complète, l agecemet B a permis d écoomiser plus de gaz aturel, car le plus grad volume d eau passat das le récupérateur de chaleur compese le déficit e efficacité. Phase 2 (2006) Performace Certaies différeces de performace ot été relevées etre les six récupérateurs de chaleur des eaux domestiques. Elles sot attribuables 2 3 Ces résultats sot désigés «efficacité i situ», car les coditios de mise à l essai étaiet pas aussi rigoureuses qu e laboratoire. NUT = Nombre d uités de trasfert de chaleur. Le NUT est ue mesure du trasfert de chaleur d u échageur thermique : plus le NUT est élevé, plus le trasfert de chaleur s approche de sa limite thermodyamique. La méthode de mesure de l efficacité par le NUT doe u rapport du trasfert de chaleur expérimetal par rapport au trasfert maximum théorique de l échageur thermique. Cette méthode est particulièremet utile lorsque les températures de sortie sot icoues. Société caadiee d hypothèques et de logemet 5

6 Le Poit e recherche Essais de performace de récupérateurs de chaleur des eaux domestiques au CCTR à la logueur du dispositif, à la forme de la coduite de cuivre souple et à la maière dot celle-ci s eroule autour du tuyau de vidage. Il existe u équilibre optimal etre le redemet et la taille : plus le tuyau est log, l augmetatio du gai d efficacité a tedace à être margial. Les tuyaux les plus courts ot gééralemet la meilleure performace par uité de logueur. Réductio de la pressio du système d approvisioemet e eau Différets schémas d eroulemet de la coduite de cuivre souple autour du tuyau de vidage ot ue icidece sur la chute de pressio d eau das la caalisatio d eau. Les récupérateurs de chaleur les plus logs causet les plus importates chutes de pressio, alors que les récupérateurs das lesquels l eau circule par des tuyaux e parallèle ou e sectio affichet beaucoup mois de chutes de pressio. Il est possible que das les maisos ayat des systèmes à faible pressio, comme celles alimetées par ue pompe de puits artésie, u récupérateur de chaleur des eaux domestiques réduise la pressio de la douche lorsque d autres appareils tiret simultaémet de l eau du système. Das ce cas, les appareils dot la coceptio réduit au miimum les pertes de pressio d eau covieet le mieux. Calculateur d écoomie d éergie U calculateur d écoomie d éergie a été créé à partir des essais de performace et de modélisatios. Ce calculateur e lige (http://www.ceatech.ca/calculator) compred ue correctio des variatios saisoières de température de l approvisioemet e eau froide. Les utilisateurs etret les doées ci-dessous pour détermier quel récupérateur de chaleur des eaux domestiques, le cas échéat, sera le plus écoome e éergie pour leur méage. Température de la douche (3 choix) Durée de la douche Nombre de douches par jour Type de pomme de douche (4 choix) Type de chauffe-eau (liste déroulate) Type de récupérateur de chaleur des eaux domestiques (liste déroulate qui sera allogée au fur et à mesure que d autres systèmes serot évalués) Ville la plus proche (pour la température de l eau froide) Type d agecemet (A ou B) Le tableau 3 idique les résultats du calculateur pour les six récupérateurs de chaleur évalués. Voici les paramètres de référece : quatre douches de 7 miutes par jour avec ue pomme de douche à débit stadard (9,5 L/mi [2,1 gal/mi]) à température élevée (41 C [105 F]). La ville d Ottawa a été choisie comme emplacemet, et les prix de l éergie sot idiqués (écoomies auelles arrodies au dollar près). Procédure d essai Ue procédure d essai simplifiée pourrait être élaborée e maiteat costats les agecemets et la température de l eau de la douche, puis e modifiat les débits. Au départ, o faisait couler l eau de la douche pedat 30 miutes. Mais o a esuite costaté que 15 miutes suffisaiet pour que l essai passe de la phase trasitoire à la phase d équilibre. O evisage la créatio d ue istallatio d essai atioale. Tableau 3 Écoomies auelles calculées pour les six récupérateurs de chaleur des eaux domestiques évalués Modèle de récupérateur de chaleur Gaz à 48,5 /m 3 Agecemet A Élect. à 12 /kwh Mazout à 78 /L Gaz à 48,5 /m 3 Agecemet B Élect. À 12 /kwh Mazout à 78 /L m 3 $ kwh $ L $ m 3 $ kwh $ L $ PowerPipe R PowerPipe R GFX G GFX G ReTherm S ReTherm C Société caadiee d hypothèques et de logemet

7 Le Poit e recherche Essais de performace de récupérateurs de chaleur des eaux domestiques au CCTR Limites de l étude Phase 1 de l étude (2005) E raiso des variatios de température de l eau froide d alimetatio durat les essais, les écoomies quotidiees de gaz ot pu être comparées directemet ou employées pour extrapoler les écoomies auelles. Les résultats des essais d efficacité ot qu ue valeur relative ou comparative, puisque la durée de chaque douche déped de plusieurs facteurs idépedats de la marque ou du modèle de récupérateur de chaleur des eaux domestiques (comme la température de l eau chaude, le débit de la douche, les spécificatios du réservoir à eau chaude et la température de l eau souterraie). La chute de pressio a été mesurée pour chaque système durat les logues douches. Cepedat, e raiso des différeces relativemet faibles etre les appareils et le degré de précisio des jauges de pressio (±2 psi [± Pa]), des jauges plus perfectioées seraiet requises pour mesurer et comparer les chutes de pressio. Phase 2 de l étude (2006) Après qu il a été détermié que chaque récupérateur de chaleur des eaux domestiques pouvait être caractérisé par u NUT par rapport à la courbe de débit, o a pu écarter les variables o cotrôlées comme o sigificatives, car le débit et la température de l eau à l etrée et à la sortie se sot révélés les seules variables sigificatives. Coclusios et coséqueces pour l idustrie du logemet Bie que très semblables, les récupérateurs de chaleur évalués présetet des différeces de performace cosidérables découlat de la forme de la coduite du récupérateur de chaleur et à so mode d eroulemet autour du tuyau de vidage. L efficacité et l efficiece des récupérateurs de chaleur des eaux domestiques variet e foctio du mode de vie des occupats. Les méages qui utiliset fréquemmet la douche profiterot davatage d u tel système que les méages où le bai est privilégié. Les méages e régio rurale sas accès à u aqueduc muicipal doivet evisager des appareils dot la coceptio réduit au miimum les pertes de pressio das le système d approvisioemet e eau. L équipe resposable du projet a créé u calculateur e lige d écoomie d éergie (http://www.ceatech.ca/calculator, e aglais et e fraçais) et u essai ormalisé simplifié de performace qui sera à la base d ue orme CSA. Les calculs d écoomie d éergie sot limités aux douches à débits simultaés. Pour faire e sorte que les calculs du calculateur et des essais de performace soiet comparables, ue correctio de la température de l eau froide a été apportée pour teir compte des variatios saisoières. Le rapport complet sur ce projet est dispoible auprès de Ressources aturelles Caada et du CCTR. Variables o cotrôlées : le débit de la douche était sujet à des fluctuatios de pressio das le réseau d aqueduc muicipal résultat de l utilisatio d importates quatités d eau par d autres bâtimets du campus du CNRC, où se trouvet les maisos du CCTR; comme les compteurs d eau utilisés e géèret qu ue impulsio par litre, ue erreur de ±0,5 L/mi (±0,11 gal/mi) était prévue; La température de la douche était réglée au moye d ue vae de mélage thermostatique à réglage mauel, ce qui a causé de légères variatios. Société caadiee d hypothèques et de logemet 7

8 Le Poit e recherche Essais de performace de récupérateurs de chaleur des eaux domestiques au CCTR Représetat de la SCHL au Comité techique de recherche du CCTR : Ke Ruest Le Cetre caadie des techologies résidetielles (CCTR) Le Cetre caadie des techologies résidetielles (CCTR) est exploité e parteariat par le Coseil atioal de recherches du Caada (CNRC), Ressources aturelles Caada (RNC) et la Société caadiee d hypothèques et de logemet (SCHL). Les istallatios de recherche et de démostratio du CCTR compreet deux maisos idetiques de deux étages, avec soussol complet, équipées d ue batterie d istrumets et de capteurs. Ces maisos, de 210 m 2 (2 260 pi 2 ), sot costruites selo la orme R-2000 et o y évalue e parallèle la performace des ouvelles techologies à l échelle de la maiso etière e simulat l occupatio. Le CCTR dispose égalemet d u Ifocetre où Bâti-Flex MC est e démostratio. Pour de plus amples reseigemets sur le CCTR, visitez le Chercheurs pricipaux : Charles Zaloum, Joh Gusdorf et Ail Parekh, avec Maxime Lafrace e 2006 Directeur de projet : Charles Zaloum, Ressources aturelles Caada Recherche sur le logemet à la SCHL Aux termes de la partie IX de la Loi atioale sur l'habitatio, le gouveremet du Caada verse des fods à la SCHL afi de lui permettre de faire de la recherche sur les aspects socio-écoomiques et techiques du logemet et des domaies coexes, et d'e publier et d e diffuser les résultats. Le préset feuillet documetaire fait partie d ue série visat à vous iformer sur la ature et la portée du programme de recherche de la SCHL. Pour cosulter d autres feuillets Le Poit e recherche et pour predre coaissace d u large évetail de produits d iformatio, visitez otre site Web au ou commuiquez avec la Société caadiee d hypothèques et de logemet 700, chemi de Motréal Ottawa (Otario) K1A 0P7 Téléphoe : Télécopieur : , Société caadiee d hypothèques et de logemet Imprimé au Caada Réalisatio : SCHL Révisio : Bie que ce produit d iformatio se fode sur les coaissaces actuelles des experts e habitatio, il a pour but que d offrir des reseigemets d ordre gééral. Les lecteurs assumet la resposabilité des mesures ou décisios prises sur la foi des reseigemets coteus das le préset ouvrage. Il reviet aux lecteurs de cosulter les ressources documetaires pertietes et les spécialistes du domaie coceré afi de détermier si, das leur cas, les reseigemets, les matériaux et les techiques sot sécuritaires et covieet à leurs besois. La Société caadiee d hypothèques et de logemet se dégage de toute resposabilité relativemet aux coséqueces résultat de l utilisatio des reseigemets, des matériaux et des techiques coteus das le préset ouvrage.