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KOSTPRIJS UITGESPAARDE BRANDSTOF 8 7 kostprijs uitgespaarde brandstof (c /kwh) 6 5 4 3 2 kost uitgespaarde brandstof kost kwh electricity kost kwh gas kost kwh mazout 1 0 0 5000 10000 15000 20000 25000 sww-verbruik (l/dag bij 60 C) 2008.02.24 Responsables énergie RW 121 http://energie.wallonie.be Info générale sur les grands systèmes «systèmes» Commander un audit «audit» 2008.02.24 Responsables énergie RW 122 1

2. La production d ECS 2.1. Types: 2.1.1. Production instantanée 2.1.2. 100% accumulation 2.1.3. Semi-instantanée 2.1.4. Semi-accumulation 2.2. Moyens de production économes: 2.2.1. Récupération de chaleur des eaux usées 2.2.2. La pompe à chaleur 2.2.3. 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» 2008.02.24 Responsables énergie RW 123 2.3. Dimensionnement des producteurs d ECS 2.3.1. Introduction 2.3.2. Calcul sur base du profil de consommation 2.3.3. Calcul sur d autres bases 2.3.4. Facteur correcteur 2008.02.24 Responsables énergie RW 124 2

2.3.1. 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 2008.02.24 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 2008.02.24 Responsables énergie RW 126 3

2.3.2.Calcul sur base du profil de la consommation d ECS 2.3.2.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 2008.02.24 Responsables énergie RW 127 140 130 Variation du débit de puisage dans un hôpital Mardi 24/04/07 120 consommation journalière : 21709 litres 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0-10 00:00 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 2008.02.24 Responsables énergie RW 128 4

Variation du débit de puisage dans une maison de retraite 45 40 Maison de retraite: mesure débit du 18/06/04 au 22/06/04 35 30 25 l/m in 20 15 10 5 0 18/06 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 12:00 2008.02.24 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. 2008.02.24 Responsables énergie RW 130 5

hôpital de 860 lits : consommation cumulée 21-27/04/07 30000 25000 consomation cumulée (l) 20000 15000 10000 samedi dimanche lundi mardi mercredi jeudi vendredi (combiné) 5000 0 0 5 10 15 20 25 30 heures 2008.02.24 Responsables énergie RW 131 2.3.2.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 2008.02.24 Responsables énergie RW 132 6

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. 2008.02.24 Responsables énergie RW 133 Hôpital (860 chambres): consommation cumulée 30000 25000 Volume total à chauffer: 23918 l consomation cumulée (l) 20000 15000 10000 Durée de la période de consommation: 24-6= 18h 5000 0 0 5 10 15 20 25 30 6 24 heures 2008.02.24 Responsables énergie RW 134 7

Dimensionnement d un producteur à 100% d accumulation Volume total à réchauffer à 60 C: 23918 l volume accu > 23918 l 30 000 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 23918 l pendant la nuit: 24-18= 6h Puissance minimale nécessaire pour chauffer 24 m³: 1388 kwh/6h = 232 kw 2008.02.24 Responsables énergie RW 135 consomation cumulée (l) 30000 25000 20000 15000 10000 5000 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 20570 l 13230 l Hôpital (860 chambres): consommation cumulée 23918 l Evolution de la quantité totale d eau réchauffée par le producteur «droite de puissance du réchauffeur» 0 0 5 6 10 15 20 25 30 24 heures 2008.02.24 Responsables énergie RW 136 8

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= 20570-13230 = 7340 l 2008.02.24 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) 30000 25000 20000 15000 10000 Différence maximale entre le volume d eau consommé et le volume réchauffé = volume minimal à stocker : 12532-9644= 2888 l 21926 l 12532 l 9644 l 23918 l Droite de puissance du réchauffeur 5000 0 0 5 6 10 15 18 20 24 25 30 heures 2008.02.24 Responsables énergie RW 138 9

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=12532-9644= 2888 l 2008.02.24 Responsables énergie RW 139 consomation cumulée (l) 30000 25000 20000 15000 10000 5000 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 = 7394-3332)/((9-8)*60)= 56 l/min Puissance min : P= 56*1.16*(60-10)*60/(1000)= 195 kw 0 0 5 10 15 20 25 30 6 8 9 24 heures 2008.02.24 Responsables énergie RW 140 10

Résumé calculs producteurs pour hôpital à 860 lits Accu 100% Semi-accu Chauffe lente Semi-accu Chauffe plus rapide Puissance de chauffe 232 77 106 (kw) Volume accumulate ur (l) 30000 7340 2888 2008.02.24 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 232 77 106 195 (kw) Volume accumulateur (l) 30000 7340 2888 0 2008.02.24 Responsables énergie RW 142 11

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. 2008.02.24 Responsables énergie RW 143 2.3.2.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 2008.02.24 Responsables énergie RW 144 12

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 2008.02.24 Responsables énergie RW 145 2.3. Dimensionnement des producteurs d ECS 2.3.1. Introduction 2.3.2. Calcul sur base du profil de consommation 2.3.3. Calcul sur d autres bases 2.3.4. Facteur correcteur 2008.02.24 Responsables énergie RW 146 13

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,. 2008.02.24 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 105 5 2x13 13 Hand-ball 50 à 70 3 2x9 9 Hockey 80 4 2x16 16 Rugby 32 à 82 6 2x 9 ou 15 15 Base-ball 120 3 2x20 20 Tennis 300 3 2x3 1-10 Badminton 30 3 2x2 4 2008.02.24 Responsables énergie RW 148 14

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. 2008.02.24 Responsables énergie RW 149 2.3. Dimensionnement des producteurs d ECS 2.3.1. Introduction 2.3.2. Calcul sur base du profil de consommation 2.3.3. Calcul sur d autres bases 2.3.4. Facteur correcteur 2008.02.24 Responsables énergie RW 150 15

Ballon d ECS: 2.3.4 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%. 2008.02.24 Responsables énergie RW 151 2. La production d ECS 2.1. Types: 2.1.1. Production instantanée 2.1.2. 100% accumulation 2.1.3. Semi-instantanée 2.1.4. Semi-accumulation 2.2. Moyens de production économes: 2.2.1. Récupération de chaleur des eaux usées 2.2.2. La pompe à chaleur 2.2.3. 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» 2008.02.24 Responsables énergie RW 152 16

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 = [1.1+0.05/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 2008.02.24 Responsables énergie RW 153 Déperditions du ballon de stockage (réf.7) 2008.02.24 Responsables énergie RW 154 17

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 2008.02.24 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 2008.02.24 Responsables énergie RW 156 18

Manque d isolation 2008.02.24 Responsables énergie RW 157 Epaisseurs d isolation recommandées Contenance en litres Epaisseur minimale de laine minérale en cm < 400 10 de 400 à 2 000 12 > 2 000 14 2008.02.24 Responsables énergie RW 158 19

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 2.7 2008.02.24 Responsables énergie RW 159 2.4.2. Récupération de la chaleur d un condenseur Installation de conditionnement d air pré-chauffage 30à40 C Attention: légionelles! 2008.02.24 Responsables énergie RW 160 20

Départ ECS 2.4.3. Récupération sur les fumées cheminée T~35 C Attention: Economisers légionelles condensation Retour chaudière Eau froide 2008.02.24 Responsables énergie RW 161 2.4.4. 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 2008.02.24 Responsables énergie RW 162 21

Chaudière à condensation à 2 retours 2008.02.24 Responsables énergie RW 163 2. La production d ECS 2.1. Types: 2.1.1. Production instantanée 2.1.2. 100% accumulation 2.1.3. Semi-instantanée 2.1.4. Semi-accumulation 2.2. Moyens de production économes: 2.2.1. Récupération de chaleur des eaux usées 2.2.2. La pompe à chaleur 2.2.3. 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» 2008.02.24 Responsables énergie RW 164 22

2008.02.24 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 2008.02.24 Responsables énergie RW 166 23

3. Distribution de l ECS 3.1. Types de distributions 3.1.1 Boucle 3.1.2 RAR 3.1.3 Tube dans tube 3.1.4 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» 2008.02.24 Responsables énergie RW 167 3.1. 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 2008.02.24 Responsables énergie RW 168 24

3.1.1. boucle classique Point de puisage Boucle de circulation boiler Eu froide 2008.02.24 Responsables énergie RW 169 2008.02.24 Responsables énergie RW 170 25

Isolation thermique des conduites DN (mm) 15 25 50 80 Source 1 20 30 50 80 Source 2 30 40 50 Épaisseurs optimales d isolation (mm) 60 Sources 1:Recommandations allemandes Sources 2: CD-rom RW 2008.02.24 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 2008.02.24 Responsables énergie RW 172 26

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 2008.02.24 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 2008.02.24 Responsables énergie RW 174 27

Solution 1 aucun isolant Lambda Isolant aucun W/m.K Epaisseur 0.010 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 660.5 kwh Coût annuel des pertes 46.23 Euro 2008.02.24 Responsables énergie RW 175 Solution 2 laine minérale Lambda Isolant 0.040 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. 1 1183 Euro/30 ans Temps de retour 0.1 ans 2008.02.24 Responsables énergie RW 176 28

Solution 1 Solution 2 laine minérale laine minérale Lambda Isolant 0.040 W/m.K Lambda Isolant 0.040 W/m.K Epaisseur 0.040 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. 1 43 Euro/30 ans Temps de retour 1.4 ans 2008.02.24 Responsables énergie RW 177 3.1.2 Le système RAR 2008.02.24 Responsables énergie RW 178 29

2008.02.24 Responsables énergie RW 179 2008.02.24 Responsables énergie RW 180 30