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1 KOSTPRIJS UITGESPAARDE BRANDSTOF 8 7 kostprijs uitgespaarde brandstof (c /kwh) kost uitgespaarde brandstof kost kwh electricity kost kwh gas kost kwh mazout sww-verbruik (l/dag bij 60 C) Responsables énergie RW Info générale sur les grands systèmes «systèmes» Commander un audit «audit» Responsables énergie RW 122 1

2 2. La production d ECS 2.1. Types: Production instantanée % accumulation Semi-instantanée Semi-accumulation 2.2. Moyens de production économes: Récupération de chaleur des eaux usées La pompe à chaleur Le boiler solaire 2.3. Dimensionnement des producteurs d eau chaude 2.4. Améliorer la performance énergétique 2.5. Le cahier de charge-type «eau chaude» Responsables énergie RW Dimensionnement des producteurs d ECS Introduction Calcul sur base du profil de consommation Calcul sur d autres bases Facteur correcteur Responsables énergie RW 124 2

3 Introduction Un dimensionnement correct du producteur d ECS est essentiel pour sa performance énergétique: Un volume d accumulation trop important implique des déperditions supplémentaires Une puissance de chaudière trop grande résulte en un facteur de charge trop faible ce qui réduit fortement son rendement saisonnier Responsables énergie RW 125 Introduction Des méthodes de dimensionnement sont disponibles, cependant il faut constater qu elles ne sont pas suffisamment connues, ce qui mène à un surdimensionnement généralisé des installations de production d ECS. Dans ce chapitre nous allons esquisser le principe de ces méthodes, sans cependant les détailler Responsables énergie RW 126 3

4 2.3.2.Calcul sur base du profil de la consommation d ECS a Le profil de la consommation d ECS La consommation d ECS n est pas constante: Un jour donné elle varie de moment en moment, comme illustré dans le graphique cijoint, représentant le débit de consommation dans un hôpital de près de 860 lits. Cette variation de débit sur la journée sera en plus différente de jour en jour, comme on peut le voir dans graphique suivant qui concerne une maison de retraite Responsables énergie RW Variation du débit de puisage dans un hôpital Mardi 24/04/ consommation journalière : litres :00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 00:00 débit (l/min) heures Responsables énergie RW 128 4

5 Variation du débit de puisage dans une maison de retraite Maison de retraite: mesure débit du 18/06/04 au 22/06/ l/m in /06 12:00 18/06 14:00 18/06 16:00 18/06 18:00 18/06 20:00 18/06 22:00 19/06 00:00 19/06 02:00 19/06 04:00 19/06 06:00 19/06 08:00 19/06 10:00 19/06 12:00 19/06 14:00 19/06 16:00 19/06 18:00 19/06 20:00 19/06 22:00 20/06 00:00 20/06 02:00 20/06 04:00 20/06 06:00 20/06 08:00 20/06 10:00 20/06 12:00 20/06 14:00 20/06 16:00 20/06 18:00 20/06 20:00 20/06 22:00 21/06 00:00 21/06 02:00 21/06 04:00 21/06 06:00 21/06 08:00 21/06 10:00 21/06 12:00 21/06 14:00 21/06 16:00 21/06 18:00 21/06 20:00 21/06 22:00 22/06 00:00 22/06 02:00 22/06 04:00 22/06 06:00 22/06 08:00 22/06 10:00 22/06 12: Responsables énergie RW 129 Le profil de la consommation (2) Au lieu de reprendre la variation du débit instantané de puisage on peut aussi représenter l évolution de la consommation cumulée sur la journée: càd le graph qui représente l évolution de la somme des consommations dans le temps: V= ΣqΔt Où: q est le débit (l/min) puisé pendant le (court) temps Δt (minutes) et V (l) la somme de ces produits. Un tel graph V=f(t) représente, pour un jour donné, le profil de la consommation d ECS pour un établissement donné. Dans le graph suivant cette info est donnée pour l ensemble des jours d une semaine, pour l hôpital de presque 860 lits Responsables énergie RW 130 5

6 hôpital de 860 lits : consommation cumulée 21-27/04/ consomation cumulée (l) samedi dimanche lundi mardi mercredi jeudi vendredi (combiné) heures Responsables énergie RW b Information à retirer du profil de la consommation d ECS Ce graphique donne la même information que ceux qui représentent l évolution du débit: il n y a (quasiment) pas de consommation la nuit elle débute dans l ensemble vers 6h du matin La consommation diffère de jour en jour: Plus faible le weekend Plus importante le mercredi Assez comparable pour les autres jours Responsables énergie RW 132 6

7 Info du profil de consommation(2) Le profil de la consommation permet cependant aussi de retirer des informations utiles pour le dimensionnement, pour autant qu on dispose du profile du jour de la plus grosse consommation: On connait de suite la consommation totale et le temps pendant lequel il y a une consommation, informations qui permettent le dimensionnement d un producteur à 100% d accumulation. En adoptant une vitesse de chauffe pour le producteur ( pe: combler la consommation endéans la période de puisage) on peut calculer la puissance et le volume de stockage du producteur Responsables énergie RW 133 Hôpital (860 chambres): consommation cumulée Volume total à chauffer: l consomation cumulée (l) Durée de la période de consommation: 24-6= 18h heures Responsables énergie RW 134 7

8 Dimensionnement d un producteur à 100% d accumulation Volume total à réchauffer à 60 C: l volume accu > l l Energie minimum nécessaire pour ce chauffage: E= 23918*1,16 *(60-10)/1000~1388 kwh. Durée totale du puisage: 18 h Temps disponible pour réchauffer les l pendant la nuit: 24-18= 6h Puissance minimale nécessaire pour chauffer 24 m³: 1388 kwh/6h = 232 kw Responsables énergie RW 135 consomation cumulée (l) Calcul d un semi-accumulation dans le cas où le producteur comble la consommation pendant la période de puisage Différence maximale entre le volume d eau consommé et le volume réchauffé = volume minimal à stocker : 7340 l l l Hôpital (860 chambres): consommation cumulée l Evolution de la quantité totale d eau réchauffée par le producteur «droite de puissance du réchauffeur» heures Responsables énergie RW 136 8

9 Calcul d un semi-accumulation dans le cas où le producteur comble la consommation pendant la période de puisage (2) Puissance minimale de chauffe : P = 23918*1.16*(60-10)/(1000*(24-6)) = 77 kw Volume de stockage minimal: V= = 7340 l Responsables énergie RW 137 Calcul d un semi-accumulation dans le cas où le producteur comble la consommation pendant un temps plus court que la période de puisage Hôpital (860 chambres): consommation cumulée consomation cumulée (l) Différence maximale entre le volume d eau consommé et le volume réchauffé = volume minimal à stocker : = 2888 l l l 9644 l l Droite de puissance du réchauffeur heures Responsables énergie RW 138 9

10 Calcul d un semi-accumulation dans le cas où le producteur comble la consommation pendant un temps plus court que la période de puisage (2) Puissance minimale de chauffe nécessaire si la droite de puissance coupe le profil de consommation vers 18h : P= 21926*1.16*(60-10)/(1000*(18-6)) ~ 106 kw Volume de stockage minimal: V= = 2888 l Responsables énergie RW 139 consomation cumulée (l) Calcul d un producteur instantané Dans le cas d un instantané la droite de puissance doit avoir la même pente que la tangente la plus raide au profil de la consommation la droite «a» 7394 l 3806 l a Hôpital (860 chambres): consommation cumulée b Pente de la droite a = )/((9-8)*60)= 56 l/min Puissance min : P= 56*1.16*(60-10)*60/(1000)= 195 kw heures Responsables énergie RW

11 Résumé calculs producteurs pour hôpital à 860 lits Accu 100% Semi-accu Chauffe lente Semi-accu Chauffe plus rapide Puissance de chauffe (kw) Volume accumulate ur (l) Responsables énergie RW 141 Résumé calculs producteurs pour hôpital à 860 lits NB sur base d une mesure qui ne concerne pas le jour de la plus grosse consommation!! Accu 100% Semi-accu Chauffe lente Semi-accu Chauffe plus rapide instantané Puissance de chauffe (kw) Volume accumulateur (l) Responsables énergie RW

12 Profil de consommation: conclusions La connaissance du profil de la consommation de l eau chaude sanitaire, le jour du plus gros soutirage, permet de dimensionner les producteurs de l ECS quel que soit l établissement Responsables énergie RW c Le dimensionnement sur base du profile de la consommation Une méthode de dimensionnement a été mise au point en France, sur base du profil de consommation, après une campagne de mesure, dans un grand nombre de bâtiments de différents types ( cliniques, maisons de retraite, hôtels, resto) : voir réf. 7. Cette méthode est reprise sur le CD-rom énergie+ de la RW, elle est basée sur la connaissance ou l estimation de la consommation moyenne journalière d ECS de l établissement Responsables énergie RW

13 Dimensionnement producteur: exemple Maison de retraite ayant 75 chambres d une personne Avec une cuisine qui prépare 120 repas par jour Calcul de la consommation moyenne (voir données CD-rom): 40 l/lit.jour + 9l/repas Consommation= 75*40+120*9 = 4080 l/jour Responsables énergie RW Dimensionnement des producteurs d ECS Introduction Calcul sur base du profil de consommation Calcul sur d autres bases Facteur correcteur Responsables énergie RW

14 2.3.3 Calcul sur d autres bases que le profil de consommation Il n existe pas des profils de consommation pour tous les types d utilisation d ECS. Pour certains types d utilisation, comme dans le cas des centre sportifs, piscines, football, sanitaire en industrie,. il faudra se baser sur les débits aux points de puisage, le nombre de points de puisage, la fréquence d utilisation d un point de puisage, le volume puisé par puisage, le nombre d utilisateurs, Responsables énergie RW 147 Centres sportifs: données de base pour douches Durée min. Temps d utilisation min/pers. Nombre de joueurs par pleine Nombre moyen de personnes par entraînement/ pleine Football 50 à x13 13 Hand-ball 50 à x9 9 Hockey x16 16 Rugby 32 à x 9 ou Base-ball x20 20 Tennis x Badminton x Responsables énergie RW

15 Calcul sur d autres bases : exemple Club Foot ayant 1 plaine, donc seulement 2 équipes peuvent jouer en même temps Consommation: Nombre de douches: 2*13= 26 douches Débit d eau chaude: 3.6 l/min à 60 C Temps de douche: 5 min Consommation d ECS par douche: 5*3.6= 16.8 l Consommation totale: 16.8*26= 437 l Temps de reconstitution du stock: 105 minutes Calcul du préparateur semi-accu: le CD-rom RW: Puissance: 13 kw Volume de stockage: 425 l Responsables énergie RW Dimensionnement des producteurs d ECS Introduction Calcul sur base du profil de consommation Calcul sur d autres bases Facteur correcteur Responsables énergie RW

16 Ballon d ECS: facteurs correcteurs Dans un ballon efficace 80 à 95% du volume du boiler est utilisable. Dans un «mauvais» ballon parfois seulement 45%. En général, on prend une valeur de 80%. Pertes thermiques de la distribution: Le résultat des pertes thermiques de la boucle de distribution est une diminution de la température de l eau puisée. Normalement on dimensionne la boucle de façon à avoir une chute de maximum 5 C. Cette chute de température se traduit par une plus grande consommation d eau chaude: V55 = V60 x (60-10)/(55-10) = 1.11xV60 Il faut donc majorer la puissance nécessaire de 10% Responsables énergie RW La production d ECS 2.1. Types: Production instantanée % accumulation Semi-instantanée Semi-accumulation 2.2. Moyens de production économes: Récupération de chaleur des eaux usées La pompe à chaleur Le boiler solaire 2.3. Dimensionnement des producteurs d eau chaude 2.4. Améliorer la performance énergétique 2.5. Le cahier de charge-type «eau chaude» Responsables énergie RW

17 2.4.1 Pertes thermiques du ballon de stockage La déperdition thermique peut se faire par le calcul du coefficient de déperdition thermique Ds (réf.7): Ds = [ /V]xhxS W/K Avec: V = volume du ballon : πxd²xh/4 S = surface de déperdition= πxdxh+πxd²/2 H = coefficient d échange thermique (W/m².K): 1/h= (1/10)+(e/λ) d = diamètre du cylindre (m) H = hauteur du ballon e = épaisseur de l isolant (m) λ = conductivité thermique (W/m².K) La détermination se fait par abaque. Le CD-rom propose également ce calcul Responsables énergie RW 153 Déperditions du ballon de stockage (réf.7) Responsables énergie RW

18 Exemple: D= 2.35 m ; H = 4 m e = 0.1 m; λ = 0.05 W/m².K e/λ = 2 point 2 D,H point 1 Horizontale par 1 et verticale par 2 point 3 Ds = 20 W/K Pour Tc = 60 C et Tair= 20 C Pb= 20x40= 800W Responsables énergie RW 155 Ballon de stockage: amélioration Souvent les vieux ballons sont trop peu ou mal isolés. Une amélioration de cette isolation thermique est en général une opération rentable. Le calcul de la rentabilité se fait aussi par le CD-rom Responsables énergie RW

19 Manque d isolation Responsables énergie RW 157 Epaisseurs d isolation recommandées Contenance en litres Epaisseur minimale de laine minérale en cm < de 400 à > Responsables énergie RW

20 Exemple d amélioration de l isolation d un ballon Ballon: D= 1.25m H=2.5 m Situation existante: isolation : 5 cm de laine Déperdition: 410 W Énergie dissipée par an: 3592 kwk Amélioration: Isolation : +9 cm de laine, soit au total 14 cm Déperdition :154 W Énergie dissipée par an: 1347 kwk ==< réduction d un facteur Responsables énergie RW Récupération de la chaleur d un condenseur Installation de conditionnement d air pré-chauffage 30à40 C Attention: légionelles! Responsables énergie RW

21 Départ ECS Récupération sur les fumées cheminée T~35 C Attention: Economisers légionelles condensation Retour chaudière Eau froide Responsables énergie RW Autres Eliminer l ECS aux sanitaires des bureaux Décentralisation de la production Choisir des boilers verticaux. Lors du choix du générateur de chaleur double service: Opter pour une chaudière à condensation: elle a toujours un meilleure rendement qu une autre chaudière Présentant la possibilité de raccorder 2 retours: un à haute température et un à basse température Responsables énergie RW

22 Chaudière à condensation à 2 retours Responsables énergie RW La production d ECS 2.1. Types: Production instantanée % accumulation Semi-instantanée Semi-accumulation 2.2. Moyens de production économes: Récupération de chaleur des eaux usées La pompe à chaleur Le boiler solaire 2.3. Dimensionnement des producteurs d eau chaude 2.4. Améliorer la performance énergétique 2.5. Le cahier de charge-type «eau chaude» Responsables énergie RW

23 Responsables énergie RW 165 Contenu 0. Documents de référence 1. Les besoins en ECS 2. La production d ECS 3. La distribution d ECS 4. Legionella Responsables énergie RW

24 3. Distribution de l ECS 3.1. Types de distributions Boucle RAR Tube dans tube Ruban chauffant 3.2. Dimensionnement Des conduites d alimentation Des conduites de recirculation De la pompe de circulation 3.3. Optimaliser la distribution 3.4. Cahier de charge-type «eau chaude» Responsables énergie RW Types de distribution Notes: 1. Une des exigences de confort est d obtenir de l ECS dans un temps acceptable, par exemple: 20 sec. pour un évier; 30 sec. pour un lavabo; 40 sec. pour un bain, une douche tout système de distribution tentera de respecter ces valeurs. 2. Le type de distribution est fonction du mode de la production de l ECS: centralisée ou localisée Types: Distribution ramifiée: uniquement en cas de production locale Production centralisée: Distribution en boucle Distribution ramifiée avec ruban chauffant Responsables énergie RW

25 boucle classique Point de puisage Boucle de circulation boiler Eu froide Responsables énergie RW Responsables énergie RW

26 Isolation thermique des conduites DN (mm) Source Source Épaisseurs optimales d isolation (mm) 60 Sources 1:Recommandations allemandes Sources 2: CD-rom RW Responsables énergie RW 171 Avantage approche allemande: si on adopte le épaisseurs d isolation préconisées en D la déperdition des tubes est +/- indépendante du diamètre du tube; pour une température de l eau à 60 C: 7 W/m pour les conduites situées dans la partie chauffée du bâtiment 11W/m pour les autres conduites Responsables énergie RW

27 Déperditions de conduites: Pc = kl (Tc-Ta) (W/m) kl = 3.14 (1/2λc)ln(dce/dci)+(1/2 λi)ln(die/dce)+(1/he*die) W/mK Avec : Ta kl: coefficient de déperdition linéique (W/m.K) dci: diamètre intérieur conduite; m dce: diamètre extérieur ; m die: diamètre extérieur isolant; m λc: conductivité thermique conduite; W/mK λi: conductivité thermique isolant ; W/mK he: coefficient d échange extérieur: 10 W/m²K dci Tc dce Responsables énergie RW 173 die La rentabilité d une épaisseur plus forte: un exemple (CD-rom Energie+) Diamètre du tuyau DN50-2" - diam = 60 mm Longueur du conduit 1 m T moyenne de l'eau 60 C T moyenne de l'ambiance 20 C Nbre heures fonct./an 8760 heures Vecteur énergétique Fuel Prix du kwh 0.7 Euro/litre Responsables énergie RW

28 Solution 1 aucun isolant Lambda Isolant aucun W/m.K Epaisseur m Coût total de l'isolation 5 Euro/m Coefficient kl du tuyau 1.88 W/m.K Puissance par mètre 75.4 W/m Déperdition annuelle kwh Coût annuel des pertes Euro Responsables énergie RW 175 Solution 2 laine minérale Lambda Isolant W/m.K Epaisseur 0.04 m Coût total de l'isolation 5 Euro/m Coefficient kl du tuyau 0.28 W/m.K Puissance par mètre 11.1 W/m Déperdition annuelle 97.4 kwh Coût annuel des pertes 6.82 Euro Economie sol. 2 / sol Euro/30 ans Temps de retour 0.1 ans Responsables énergie RW

29 Solution 1 Solution 2 laine minérale laine minérale Lambda Isolant W/m.K Lambda Isolant W/m.K Epaisseur m Epaisseur 0.06 m Coût total de l'isolation 5 Euro/m Coût total de l'isolation 7 Euro/m Coefficient kl du tuyau 0.28 W/m.K Coefficient kl du tuyau 0.22 W/m.K Puissance par mètre 11.1 W/m Puissance par mètre 8.8 W/m Déperdition annuelle 97.4 kw h Déperdition annuelle 77.0 kwh Coût annuel des pertes 6.82 Euro Coût annuel des pertes 5.39 Euro Economie sol. 2 / sol Euro/30 ans Temps de retour 1.4 ans Responsables énergie RW Le système RAR Responsables énergie RW

30 Responsables énergie RW Responsables énergie RW