RESEAUX D EAU CHAUDE SANITAIRE. «Sans équilibrage hydraulique, point de salut!»

Introduction RESEAUX D EAU CHAUDE SANITAIRE. «Sans équilibrage hydraulique, point de salut!» Les réseaux de distribution d eau chaude sanitaire sont conçus et réalisés pour donner à l ensemble des utilisateurs une eau chaude en quantité, à température et sans risque sanitaire. A quoi sert-il de calculer les débits de chaque point de puisage (douche, lavabo, évier, etc.) avec soin, si on ne se soucie pas ensuite de garantir à l utilisateur d obtenir de l eau chaude sans devoir attendre d interminables secondes, sources d inconfort et de gaspillage d eau et d énergie? Comble de malheur, le manque de rigueur dans la conception ou la réalisation des réseaux de distribution est sanctionné, presque immédiatement, par l apparition de cette bactérie qui nous préoccupe tant, la Légionnela. Tous les experts s accordent à dire que l équilibrage hydraulique des bouclages d eau chaude sanitaire est incontournable. Aucun traitement ou système sophistiqué ne pourra corriger des défauts de circulation dans les réseaux. Les textes officiels mentionnent clairement la nécessité de l équilibrage hydraulique, prenons en exemples : La circulaire N 220/243 du 22/04/220 «Les systèmes de distribution sont à l origine du plus grand nombre de cas de légionellose. La maîtrise des températures de l eau en tout point de l installation, limite, voire supprime la nécessité des interventions curatives sur les réseaux.» Préface Recommandation Eau chaude sanitaire 02-2004 AICVF «La protection contre le risque de légionellose dépend pour beaucoup du bon équilibrage hydraulique.» 1- Le bouclage ECS Dans un réseau non bouclé (Fig. 1), en cas de non-puisage, l eau chaude stagne et se refroidit dans la tuyauterie du fait des déperditions thermiques. Pour obtenir de l eau chaude, il faut préalablement vider la tuyauterie de l eau froide accumulée, ce qui conduit à une surconsommation d eau. En outre, l'attente d'eau chaude génère une situation d inconfort dès qu elle avoisine les 10 secondes! Cette eau stagnante a été préalablement chauffée, conduisant à un gaspillage énergétique (dans le prix d 1 m 3 d eau chaude, la part de l énergie représente environ les 2/3). Il est couramment constaté que les consommations d eau et d énergie augmente de 10 à 15 % dans les installations où les températures ne sont pas correctement maîtrisées. Fig 1. Réseau non-bouclé. En cas de non-soutirage, l eau stagne dans la tuyauterie. Fait encore plus grave, cette eau stagnante atteint rapidement une température située entre 30 et 40 C qui est idéale pour le développement des bactéries (Légionella). année 2007 page : 1

Fig 2. Tuyauterie de retour équipée d organe d équilibrage à mesure de débit. Le bouclage consiste à rajouter une tuyauterie de retour (Fig. 2) équipée d organes d équilibrage. Une pompe assure la circulation permanente de l eau. Les organes d équilibrage garantissent que chaque boucle sera irriguée en permanence par le débit calculé. La vitesse de circulation sera maintenue supérieure à 0,2 m/s en tout point du circuit de bouclage. La vanne d équilibrage placée sur le retour commun permet le contrôle périodique du débit de bouclage (Recommandation DGS circulaire du 22/04/2002,[RN-6-4]). Fig 3. Réseau bouclé. L eau est en circulation permanente même en cas de non-soutirage. Il est à noter dans la Fig. 3 que seules les colonnes sont bouclées. Le bouclage de chaque point de puisage est envisagé par certains comme étant une sécurité supplémentaire. En réalité, le bouclage de chaque point de puisage n est pas nécessaire si une distance maximale de 5 m (3 l de volume d eau) du piquage au puisage est respectée. Boucler chaque point de puisage conduit à avoir un débit global très élevé, une consommation électrique de pompe très importante et un investissement en tuyauterie plus lourd. La multiplication du nombre de bouclages augmente le risque d avoir une eau non-maintenue en température si les réglages ne sont pas parfaits. Au final, à vouloir mieux faire, on risque de créer bien plus de problèmes, avec un investissement beaucoup plus important. Il faut également veiller à éliminer les bouclages «amont» (Fig. 4) qui agiraient comme des «courtscircuits» ne permettant plus d irriguer correctement les colonnes. Cette remarque est à transposer pour les colonnes, si le bouclage est réalisé par étage. année 2007 page : 2

Fig 4. Bouclage sur le collecteur principal en amont des colonnes (à éviter 2- Calcul des débits de re-circulation Le calcul des débits du bouclage ECS devra satisfaire les 3 conditions suivantes: Compenser les déperditions de la tuyauterie de manière à maintenir une température au moins égale à 50 C en tout point. Maintenir des vitesses de circulation dans la tuyauterie de bouclage supérieures à 0,2m/s. Cette vitesse garantit un écoulement turbulent et permet de lutter efficacement contre le développement du bio-film. On veillera à ne pas dépasser les vitesses maximales recommandées permettant d éviter les bruits de circulation et la corrosion par érosion. S assurer que les organes d équilibrage ne seront pas trop fermés, perdant de leur précision et risquant de se colmater très rapidement. On prendra également en compte, la limitation de la hauteur manométrique de la pompe pour diminuer sa consommation électrique. A cet égard, la méthode d équilibrage utilisée devra limiter au minimum (3 kpa) la perte de charge des vannes les plus défavorisées. Remarque: Les débits de re-circulation n ont pas de relation avec les débits de puisage! 2-1 Les déperditions de la tuyauterie La tuyauterie contient de l eau chaude entre 50 C et 60 C, placée dans une ambiance à une température inférieure de 20 C ou moins, elle agira comme un radiateur en émettant des calories à l extérieur. La température de l eau qu elle contient va progressivement chuter. Les déperditions de la tuyauterie dépendent De la température de l eau De la température ambiante des zones traversées par la tuyauterie Du diamètre, de l épaisseur et du type de matériaux De l épaisseur et du type d isolant La formule (Formule. 1) ci-dessous permet un calcul rapide des déperditions des tuyauteries en faisant abstraction notamment du type de matériaux. P: déperdition (W/m) T: différence de température entre l eau et l extérieur ( C) de: diamètre extérieur de la tuyauterie (mm) I: épaisseur de l isolant (mm) : conductivité thermique de l isolant (W/m.K) (Formule. 1) En considérant un coefficient moyen et une température d eau à 60 C pour une ambiance à 20 C, on peut simplifier davantage la formule et utiliser les expressions (Formule. 2) ci-dessous. Tuyauterie non isolée: Tuyauterie isolée: P (W/m) = 2 x de P (W/m) = 0,65 x de (de = diamètre extérieur de la tuyauterie en mm ) (Formule. 2) 2-2 Vitesse de circulation supérieure à 0,2 m/s année 2007 page : 3

Les débits doivent permettre un écoulement turbulent dans la tuyauterie. Si la vitesse de circulation est trop faible, l écoulement devient laminaire, il n y a alors plus d action mécanique sur le bio-film. Suivant son épaisseur, le bio-film aura tendance à jouer un rôle d isolant à l intérieur de la tuyauterie entraînant des températures plus faibles sur les parois, ce qui n est pas favorable à la lutte contre la prolifération des bactéries. Il faut cependant noter qu un tel phénomène n est possible qu avec une épaisseur conséquente de bio-film. Enfin, un écoulement laminaire ne garantit pas qu un désinfectant, tel que le chlore, rentre bien en contact avec toutes les zones à l intérieur de la tuyauterie qui sont polluées par les bactéries. Les tableaux (Fig. 5) indiquent les débits à respecter pour obtenir la vitesse recommandée de 0,2 m/s dans la tuyauterie de bouclage. Fig. 5. Débits minimaux pour une vitesse de 0,2 m/s. En réalité, en y regardant de plus près, la vitesse de 0,2 m/s, recommandée dans les textes officiels, ne garantit pas un écoulement turbulent dans la tuyauterie. Dans un tuyau en cuivre 16x1 (14/16), il faut un débit de 140 l/h et une vitesse de 0,25 m/s pour atteindre le régime turbulent. A ce jour, une vitesse de 0,2 m/s semble être satisfaisante, l expérience et les recherches nous le confirmeront. Pour les installations utilisées de façon très intermittente, il est préférable de vérifier que les débits calculés pour le bouclage (déterminés en fonction des vitesses dans la tuyauterie de retour) sont suffisants pour assurer une vitesse limite dans la tuyauterie aller. Comme vu précédemment, les débits de re-circulation sont obtenues soit par le calcul des déperditions de tuyauterie, soit par la vitesse minimale de circulation. La figure (Fig. 6) permet de déterminer si le calcul doit être mené en fonction des déperditions de la tuyauterie ou en fonction de la vitesse minimale. Ce graphe est basé sur les valeurs des coefficients (garde-fou) de perte thermique des tuyaux imposés par la RT 2005. Pour chaque tronçon bouclé, il conviendra de déterminer, en fonction de la longueur de tuyauterie, si la déperdition est prédominante par rapport à la vitesse minimale. Par exemple, pour un tuyau en 14/16 d une longueur supérieure à 54 m, il convient de réaliser le calcul du débit en prenant en compte les déperditions thermiques. Fig. 6. Calcul des débits en fonction de la vitesse ou des déperditions de la tuyauterie. année 2007 page : 4

2-3 Assurer la «réglabilité» de l installation L installation doit être «réglable». Les débits calculés en fonction des déperditions de la tuyauterie ou des vitesses minimales imposées, ne doivent pas conduire à des réglages de vannes trop fermées. Endessous d une ouverture de 25 % de la course totale de la vanne (pour les vannes DN 10 et 15), les risques d obstruction (Fig. 7) sont trop importants et la précision de mesure est dégradée. De plus, pour des ouvertures trop faibles, les vitesses locales ont tendance à être plus importantes augmentant le risque de corrosion par érosion. Fig. 7. Des vannes trop fermées augmentent fortement le risque d obstruction. Il faut choisir correctement le diamètre des vannes (souvent DN10). Jusqu à 230 l/h (tableau fig. 8) une vanne en DN 10, ayant un kv maximal de 1,47, sera suffisante. Choisir une vanne plus grosse, en DN 15 ou en DN 20, comme on le rencontre quelques fois, conduirait à positionner les vannes sur de faibles ouvertures (Fig. 9) créant les problèmes évoqués précédemment. Fig. 8. Diamètre indicatif des vannes d équilibrage en fonction des débits. Fig. 9. La zone en bleu représente l ouverture des vannes pour un même réglage de débit Si les pertes de charge à créer sur les vannes d équilibrage s avèrent trop importantes (vanne fermée en dessous de 25%), il est préférable de diviser le réseau (Fig. 10). L excédent de perte de charge est alors repris sur les vannes principales situées sur le retour commun. La vanne d équilibrage, placée sur le retour général de l installation, en plus de permettre la mesure du débit et de vérifier le bon année 2007 page : 5

fonctionnement de la pompe, absorbera l excédent de Hm (hauteur manométrique). La méthodologie d équilibrage aura également une influence directe sur les ouvertures de réglage des vannes. Un équilibrage sans méthode, conduit invariablement, en plus des imprécisions de réglage, à un transfert de l excédent de hauteur manométrique sur toutes les vannes de l installation, et donc à un surcoût de pompage. Fig. 10. Division du réseau pour limiter les pertes de charge à créer. 3- Les outils et méthode d équilibrage Fig. 11. Le déséquilibre hydraulique se traduit par une prolifération des bactéries. Un mauvais équilibrage (Fig. 11) de la boucle d eau chaude sanitaire est source d inconfort, de gaspillage d eau et augmente les risques de développement des bactéries. Le déséquilibre hydraulique des bouclages d eau chaude sanitaire est encore plus «marqué» que pour des distributions classiques de chauffage ou de climatisation. Sur un bouclage ECS, aucun accessoire de type vanne ou batterie, ne vient créer de pertes de charge locales minimisant les effets de longueur de la tuyauterie. La répartition des débits basée sur les déperditions de tuyauterie conduit à régler des débits plus importants sur les derniers circuits par rapport aux premiers. Sans équilibrage, c est exactement l inverse qui se produira! année 2007 page : 6

Les vannes d équilibrage Véritables outils de réglages et de diagnostic, les vannes d équilibrage hydraulique (Fig.12) sont placées sur le retour de chaque boucle. Elles permettent la mesure du débit, de la pression et de la température. Une mémoire mécanique de la poignée évite les déréglages. Un accessoire de vidange peut être monté à la demande, même si la vanne est déjà installée et sous pression. Garantissant une répartition homogène des débits, elles permettent également de réaliser des chocs thermiques ou chlorés dans de bonnes conditions. Fig. 12. Fonctions des vannes d équilibrage. Les vannes d équilibrage thermique Sur les vannes d équilibrage thermique, une poignée graduée en température permet de déterminer le point de consigne à 55 C, par exemple (Fig. 13). Si nécessaire, pour des raisons de choc thermique, il est possible de régler un point de consigne pouvant atteindre 80 C. La mémorisation du point de consigne est réalisée par l intermédiaire d une clé alène. Fig. 13. Ajustement du point de consigne de la vanne thermique. Une augmentation de la température de l eau provoque une fermeture progressive de la vanne de façon à réduire le débit (Fig. 14). Une diminution de la température de l eau provoque l ouverture de la vanne augmentant ainsi le débit dans la boucle. année 2007 page : 7

Fig. 14. Comportement de la vanne thermique en fonction de la température. Finalement la vanne d équilibrage thermique ajustera automatiquement le débit nécessaire pour compenser les déperditions de la tuyauterie et par la même d obtenir la température consignée (55 C). Si ces vannes ont l avantage de supprimer la phase de calcul des débits et de réglage (le calcul total du débit est quand même nécessaire pour déterminer, notamment, la pompe), elles n assurent pas pour autant les vitesses minimales recommandées (0,2 m/s). Suivant les types de bâtiments et les exigences que l on s impose, on choisira, soit les vannes d équilibrage, soit l utilisation des vannes thermiques. Les vannes de mélange Sur certaines installations, on trouve une vanne 3 voies (Fig. 13) assurant la régulation de la température de départ générale, par mélange de l eau froide et l eau chaude. Le contrôle de cette vanne 3 voies s avère généralement délicat pour le régulateur, même s il est de type «proportionnelintégral». Cette instabilité de la boucle de régulation s explique par le changement brutal de la température de retour qui s opère entre une situation de soutirage ou de non-soutirage. En période de soutirage, de l eau froide est admise dans l installation. Cette eau à une température t 0 avoisinant 15 C (Fig. 14) va être mélangée à de l eau à par exemple 70 C pour obtenir de l eau à 60 C. La vanne 3 voies, pour ce faire, va adopter une certaine ouverture. L application de la formule (Formule.3) permet de déterminer que pour ces températures la vanne sera positionnée à 82% d ouverture. Si le soutirage est interrompu, l eau de retour n est plus à une température de 15 C mais à 55 C. La vanne 3 voies doit alors très rapidement retrouver une nouvelle position d équilibre (33% d ouverture) permettant d obtenir la température consignée à 60 C. Ce changement brutal de position est difficile a gérer pour le régulateur. 70 C 60 C Fig. 13. Une vanne 3 voies régule la température de départ. 15 C ou 55 C Fig. 14. La température de retour varie brutalement en fonction du soutirage ou non. t g t ( 1 ) r Avec : t g : température primaire t r ou t o : température de retour t s :température de départ :coefficient positionnement de la vanne 3 voies (Formule.3) t s année 2007 page : 8

Une solution simple consiste à bipasser (Fig. 15) une partie du débit de retour, garantissant un positionnement de la vanne de régulation identique en période de soutirage ou non. Pour une approche rapide, on réglera un débit égal à 50% du débit du bouclage ECS à travers ce bipasse. Ce réglage peut être aisément calculé ou sera affiné lors de l équilibrage de l installation. Fig. 15. Bipasse situé avant la vanne 3 voies. L équilibrage hydraulique La préparation La réussite d une opération d équilibrage dépend en grande partie de la qualité de la préparation. En outre, il faudra respecter les étapes suivantes : Préparer un schéma hydraulique de l installation Identifier clairement les modules S assurer que le schéma hydraulique correspond à la réalité de l installation Vérifier l accessibilité des vannes et que les diamètres correspondent aux indications du plan Prérégler les vannes en fonction des calculs, sinon à 50% de leur ouverture maximale. Indiquer la référence des circuits sur l étiquette livrée avec la vanne Les modules Pour permettre d appliquer une méthode d équilibrage optimisée (débit correct et perte de charge minimale) le réseau sera organisé en modules hydrauliques (Fig. 16). Dans un module hydraulique, chaque circuit est équipé sur son retour d une vanne d équilibrage. Une vanne générale est mise en place sur le retour commun afin de compenser toutes perturbations hydrauliques pouvant affecter le bon réglage des circuits. Il ne faut pas oublier la vanne principale placée sur le retour général de l installation. Elle permet d ajuster la pompe au débit total de l installation. Elle a également un rôle primordial pour le diagnostic du bon fonctionnement de la pompe. année 2007 page : 9

Fig. 16. Installation divisée en 4 modules hydrauliques. La méthode «RéGIS» A partir d une campagne de mesure, la méthode «RéGIS» réalise un modèle mathématique de l installation. Conformément aux débits souhaités, ce modèle permettra de calculer la position de réglage des vannes d équilibrage du module considéré. Il est à noter que ces réglages sont réalisés en minimisant la hauteur manométrique nécessaire à la pompe. Ceci est conforme à la RT 2005 visant à réduire la consommation des auxiliaires. Fig. 17. Les 3 étapes de la méthode «RéGIS». Conclusion Le bouclage d eau chaude sanitaire joue un rôle primordial permettant de garantir un confort à l utilisateur tout en limitant les consommations d eau et d énergie. Le maintien en température de la distribution d eau chaude sanitaire est le moyen le plus efficace pour lutter contre la prolifération des bactéries. L utilisation des outils d équilibrage et la mise en œuvre rigoureuse des méthodes de réglage permettront d obtenir dans la réalité de l installation les débits calculés par les bureaux d études. La délivrance du rapport d équilibrage sera pour le maître d ouvrage une garantie du bon fonctionnement hydraulique de son installation de distribution d eau chaude sanitaire. année 2007 page : 10