Applications et solutions - Eau chaude

14.1 Chauffe-eau à accumulation

Le calcul suivant du volume de l’accumulateur d’un chauffe-eau à accumulation est basé sur la norme SIA 385/2.

Principe de calcul: en partant du besoin quotidien en eau chaude, on détermine les valeurs initiales du volume de l’accumulateur. Les valeurs initiales permettent de calculer les pertes de chaleur de l’approvisionnement en eau chaude. Le volume effectif de l’accumulateur s’obtient au final à partir du volume de couverture du besoin en eau chaude et du volume de compensation des pertes de chaleur.

14.1.1 Besoin en eau chaude

Le besoin en eau chaude que le chauffe-eau à accumulation doit satisfaire se calcule comme suit:

Densité d’occupation de logements (selon calculs sanitaires – brefs et précis)

14.1.2 Besoins thermiques pour l’eau chaude

Les besoins thermiques pour l’eau chaude se calculent comme suit:

14.1.3 Valeur initiale du volume d’eau chaude

La valeur initiale du volume d’eau chaude se calcule comme suit:

Le facteur 1.5 tient compte des pertes de chaleur de l’approvisionnement en eau chaude.

14.1.4 Valeur initiale du volume de couverture de pointe

La valeur initiale du volume de couverture de pointe se calcule comme suit:

14.1.5 Valeur initiale du volume de commande

La valeur initiale du volume de commande dépend du nombre de cycles de charge.

Le nombre de cycles de charge se calcule comme suit:

La valeur initiale du volume de commande se calcule comme suit:

Le calcul se fait sur la base des hypothèses suivantes:

• Interruption chauffe durant 1 heure (3600 s)

• La puissance du générateur de chaleur sert à la production d’eau chaude

• Pas d’heures d’arrêt, p. ex. de l’alimentation électrique pour les pompes à chaleur

14.1.6 Valeur initiale du volume de l’accumulateur

La valeur initiale du volume de l’accumulateur se définit à partir de la somme du volume de commande et de couverture de pointe, et sert de base pour les autres calculs. Les suppléments de taille pour les zones froides et de mélange sont pris en compte selon le gabarit de d’accumulateur.

La valeur initiale du volume de l’accumulateur se calcule comme suit:

14.1.7 Pertes de chaleur de l’accumulateur

Les pertes de chaleur d’un accumulateur jusqu’à 2000 l sont chiffrées dans le tableau suivant.

Les pertes de chaleur du chauffe-eau à accumulation sont en général chiffrées dans la fiche technique du fabricant.

14.1.8 Pertes de chaleur des conduites maintenues chaudes

Les pertes de chaleur des conduites maintenues chaudes sont calculées comme suit:

14.1.9 Pertes de chaleur des conduites de soutirage

Les pertes de chaleur des conduites de soutirage se calculent comme suit:

14.1.10 Besoins thermiques de l’approvisionnement en eau chaude

Les besoins thermiques de l’approvisionnement en eau chaude s’obtiennent en prenant les besoins thermiques pour l’eau chaude plus la somme pertes de chaleur:

14.1.11 Valeur finale du volume d’eau chaude

La valeur finale du volume d’eau chaude couvre le besoin en eau chaude et compense les pertes de chaleur dans l’approvisionnement en eau chaude. Les calculs se font comme suit:

14.1.12 Valeur finale du volume de couverture de pointe

La valeur initiale du volume de couverture de pointe se calcule comme suit:

14.1.13 Valeur finale du volume de commande

La valeur finale du volume de commande dépend, comme pour la valeur initiale, du nombre de cycles de charge.

Le nombre de cycles de charge est calculé en partant de la valeur finale du volume d’eau chaude:

La valeur finale du volume de commande se calcule comme suit:

14.1.14 Valeur finale du volume de l’accumulateur

En prenant la valeur finale du volume de l’accumulateur, on détermine la taille adéquate de l’accumulateur usuel.

La valeur finale du volume de l’accumulateur se calcule comme suit:

14.1.15 Contrôle hygiénique du volume de l’accumulateur

Selon la directive SVGW W3/C3 d (2020), le volume d’attente d’un chauffe-eau à accumulation doit être renouvelé au moins une fois par jour. Le volume d’attente se compose du volume de couverture de pointe et du volume de commande. Le besoin en eau chaude (V_W,u) doit par conséquent être inférieur à la somme du volume de couverture de pointe et du volume de commande.

14.2 Systèmes de circulation

Les systèmes de circulation sont dimensionnés sur la base de la norme DIN 1988 partie 300. Cette norme décrit le procédé dit différencié. De celui-ci dérive le procédé simplifié pour le calcul de systèmes de circulation.

Quel que soit le procédé choisi, le dimensionnement d’un système de circulation englobe le calcul des pertes de chaleur et pertes de charge des conduites d’eau chaude. Cela permet d’en déduire le débit et la pression de refoulement de la pompe de circulation. Il faut calculer les grandeurs suivantes:

• Pertes de chaleur des conduites d’eau chaude

• Débit de refoulement de la pompe de circulation

• Débits volumiques

• Diamètres nominaux des conduites de circulation

• Pertes de charge par des frottements dans les conduites et des résistances individuelles

• Pression de refoulement de la pompe de circulation

Pour terminer, on choisit la pompe de circulation.

Le procédé simplifié décrit ici utilise la perte de chaleur spécifique pour le calcul des pertes de chaleur. Les pertes de charge des résistances individuelles et dans les conduites sont prises en compte par un facteur basé sur des valeurs empiriques.

14.2.1 Pertes de chaleur des conduites d’eau chaude

Les pertes de chaleur des conduites d’eau chaude s’obtiennent à partir de la somme des pertes de chaleur de tous les tronçons partiels de la distribution d’eau chaude. Le calcul des pertes de chaleur s’obtient avec la formule suivante:

Circulation conventionnelle:

Pour la circulation conventionnelle, la longueur d’un tronçon partiel est équivalente à la longueur du départ d’eau chaude à laquelle on additionne la longueur du retour d’eau chaude, étant donné qu’il s’agit de conduites isolées séparément.

Circulation tuyau-contre-tuyau:

Pour la circulation tuyau-contre-tuyau, on tient compte uniquement de la longueur du départ d’eau chaude étant donné que la longueur du départ d’eau chaude et la longueur du retour d’eau chaude se trouvent toutes les deux dans la même isolation thermique.

14.2.2 Débit de refoulement de la pompe de circulation

Le débit de refoulement de la pompe de circulation s’obtient à partir de la perte de chaleur à compenser dans les conduites d’eau chaude et de la chute de température maximale admissible de l’eau chaude. Le calcul du débit de refoulement s’obtient avec la formule suivante:

Pour des raisons d’hygiène, seule une chute de température d’un maximum de 5 K est admissible (température de l’accumulateur 60 °C, température de la conduite de distribution 55 °C). En raison de la capacité de réglage, il est nécessaire de faire un réglage pour une plus petite chute de température. Il en résulte un débit volumique plus élevé (plus la différence de température est petite, plus le débit volumique est grand). Sur les régulateurs de circulation thermiques, il faut vérifier la température définie.

14.2.3 Débits volumiques

Si le débit de refoulement de la pompe de circulation est connu, on peut calculer les débits volumiques sur les tronçons partiels de la distribution d’eau chaude. S’il y a une dérivation, le débit volumique est divisé en un débit de dérivation et un débit de passage.

Le débit de dérivation se calcule avec la formule suivante:

Cela donne pour le débit de passage:

A la prochaine dérivation, le débit de passage calculé est divisé en d’autres débits partiels dont le calcul se fait de manière analogue. On répète cette opération jusqu’à ce que les débits volumiques dans tous les tronçons partiels soient connus.

14.2.4 Diamètres nominaux des conduites de circulation

Les diamètres nominaux des conduites de circulation sont déterminés selon les méthodes de calcul de la directive SVGW pour les installations d’eau potable W3. La vitesse d’écoulement à choisir dépend du matériau des conduites, mais elle ne devrait pas dépasser les 0.5 m/s. Lorsqu’un système de circulation est limité dans son étendue, les débits volumiques sont faibles, auquel cas des diamètres nominaux très petits sont souvent suffisants. Par contre, en présence de conduites de circulation longues, il faut tenir compte de la perte de charge dans les conduites et choisir un diamètre nominal plus important.

14.2.5 Pertes de charge par des frottements dans les conduites et des résistances individuelles

Pour le calcul de la pression de refoulement de la pompe de circulation, il faut déterminer le tronçon qui a la plus grande perte de charge par des frottements dans les conduites et des résistances individuelles. Dans la majorité des cas, il s’agit du plus long tronçon dans la circulation. La perte de charge d’une partie de tronçon partiel se calcule par la formule suivante, la part des pertes de charge par les résistances individuelles étant prise en compte par un facteur:

Symbole	Unité	Description
ΔpL	[hPa]	Perte de charge par des frottements dans les conduites et des résistances individuelles
R	[hPa]	Valeur R Perte de charge spécifique par des frottements dans les conduites
l	[m]	Longueur du plus long tronçon partiel dans la circulation
a	[—]	Part des pertes de charge par les résistances individuelles

La valeur R est déterminée à l’aide du tableau de pertes de charge du type de conduite utilisé, en prenant en compte le débit volumique calculé et la vitesse d’écoulement. Tableaux avec exemples, 👉 Tableau des pertes de charge tuyaux Optipress, 👉 Tableau des pertes de charge tuyaux Optiflex.

14.2.6 Choix de la pompe de circulation

On choisit la pompe de circulation en fonction du volume et de la pression de refoulement connus. Le choix tient compte des courbes caractéristiques que l’on trouve dans la documentation technique des fabricants de pompes de circulation.

On ne peut pas vraiment s’attendre à trouver une pompe de circulation qui corresponde exactement au point de fonctionnement calculé. Pour le choix de la pompe de circulation, on en recherchera une avec une plage de pression adéquate qui sera réglée sur son point de fonctionnement. Lors de la compensation hydraulique, les régulateurs de circulation accroissent les pertes de charge dans les tronçons de circulation correspondants. C’est ainsi que se met en place la courbe réelle de l’approvisionnement en eau chaude.

14.2.7 Exemple d’un dimensionnement

L’exemple d’un dimensionnement montre un calcul simplifié d’un système de circulation dans un approvisionnement en eau chaude centralisé pour un immeuble résidentiel comptant 8 logements et 4 colonnes montantes.

Pour les calculs, on part des conditions suivantes:

• Système de circulation tuyau-contre-tuyau

• Température de départ d’eau chaude à la sortie de l’accumulateur: 60 °C

• Température de retour d’eau chaude à l’entrée de l’accumulateur: 56 °C

• Matériau conduite du départ d’eau chaude: Acier inoxydable (acier au chrome)

• Matériau conduites de circulation: matière synthétique PE-X

14.2.7.1 Calcul de la perte de chaleur des conduites d’eau chaude

Les pertes de chaleur dans les tronçons partiels du système de distribution d’eau chaude se calculent avec la formule suivante:

Les valeurs peuvent être présentées dans un tableau:

En faisant les totaux, on calcule les pertes de chaleur dans les tronçons partiels après les tés ainsi que la perte totale de chaleur. Les valeurs peuvent être présentées dans un tableau:

14.2.7.2 Calcul du débit de refoulement de la pompe de circulation

En partant de la perte totale de chaleur et de la différence de température entre départ d’eau chaude et retour d’eau chaude, on calcule le débit de refoulement de la pompe de circulation:

14.2.7.3 Calcul des débits volumiques dans les tronçons partiels

En partant du débit de refoulement de la pompe de circulation et des pertes de chaleur, on calcule les répartitions du débit volumique dans les tronçons partiels après les tés.

Dérivation TS1:

Dérivation TS2:

Dérivation TS3:

Les valeurs peuvent être présentées dans un tableau:

14.2.7.4 Calcul des pertes de charge

Pour le calcul des pertes de charge dans le système de distribution d’eau chaude, on part des matériaux et des diamètres nominaux suivants pour les conduites de circulation:

• Tronçon partiel TS1: acier au chrome 15 mm

• Tronçons partiels TS2 à TS7: matière synthétique PE-X 16 mm

• Part des pertes de charge par les résistances individuelles: 1.2 (20 %)

Les tableaux de perte de charge permettent de définir les valeurs R. Lorsque l’on prend la valeur R dans le tableau de perte de charge, on choisit le débit volumique le plus proche en prenant en compte les vitesses d’écoulement maximales de 0.5 m/s.

Les valeurs R permettent de calculer les pertes de charge dans les tronçons partiels à l’aide de la formule suivante:

Les valeurs peuvent être présentées dans un tableau:

Les totalisations permettent de calculer les pertes de charge dans les tronçons. Les valeurs sont utilisées pour le réglage des points de fonctionnement des régulateurs de circulation et le choix de la pompe de circulation.

Les valeurs peuvent être présentées dans un tableau:

14.2.7.5 Calcul de la pression de refoulement de la pompe de circulation

La pression de refoulement de la pompe de circulation se calcule en totalisant les pertes de pression dans le plus long tronçon du système de circulation. Dans l’exemple suivant, il s’agit du tronçon 1. Ce tronçon présente la perte de charge la plus élevée par des frottements dans les conduites et des résistances individuelles. Pour les pertes de charge du clapet anti-retour et du régulateur de circulation, on part de valeurs typiques:

• Perte de charge Δp_L tronçon 1: 33.5 hPa

• Perte de charge Δp_RV clapet anti-retour: 80 hPa

• Perte de charge Δp_ZRV régulateur de circulation ouvert à fond: 3 hPa

Dans l’exemple, il n’y a pas de pertes de charge dues à des appareils: Δp_Ap = 0; pour la pression de refoulement de la pompe de circulation

Informations complémentaires:

• 👉 Exemple de lecture du diagramme de performance du clapet anti-retour

• 👉 Exemple de lecture du diagramme du régulateur de circulation

14.2.7.6 Choix de la pompe de circulation

A partir des valeurs calculées pour le débit et la pression de refoulement, on choisit une pompe de circulation possédant les données suivantes:

• Débit volumique de la pompe: 306 l/h

• Pression différentielle de la pompe: 19.96 kPa

Informations complémentaires: 👉 Exemple d’interprétation de la pompe de circulation

14.3 Temps de soutirage

14.3.1 Calcul du temps de soutirage

Le temps de soutirage correspond au laps de temps qui s’écoule jusqu’à ce qu’une température de 40 °C soit atteinte pour l’eau chaude au point de soutirage. Les temps de soutirage courts correspondent aux exigences de confort de l’utilisateur ainsi qu’à ses préoccupations pour une faible consommation d’énergie. Les paramètres suivants ont une incidence sur le temps de soutirage:

• Technique de pose de la distribution d’eau chaude

• Disposition des appareils sanitaires

• Dimension des tuyaux et longueur des conduites

• Température de l’eau chaude

• Débit volumique

Les temps de soutirage maximaux admissibles pour l’approvisionnement en eau chaude sont définis par des normes comme suit:

Le temps de soutirage t_em est calculé avec la formule suivante (SIA 385/2):

La formule présuppose les prérequis suivants pour l’approvisionnement en eau chaude:

a) Débits volumiques du robinet de puisage selon SIA 385/2

b) L’eau chaude qui entre dans la conduite de soutirage est à une température de 55 °C. Si la température d’entrée s’écarte de cette valeur, le facteur appliqué à la formule ne doit pas être de 2.00 mais un facteur correspondant aux indications du tableau suivant:

Le facteur tient compte de la phase froide et de réchauffement du temps de soutirage.

Des tableaux pratiques pour la détermination des temps de soutirage figurent dans le document de Nussbaum intitulé «Dimensionnement des systèmes de conduites», 👉 Thématique 299.1.069.

14.3.2 Evolution de la température sur un point de soutirage d’eau chaude

Le diagramme suivant montre l’évolution de la température de l’eau chaude à la sortie d’un point de soutirage d’eau chaude.

tc	=	Phase froide: la température de l’eau au point de soutirage est proche de la température ambiante.
thu	=	Phase de réchauffement: la température de l’eau au point de soutirage monte jusqu’à 40 °C.
	=	Evolution de la température: température mesurée au point de soutirage pour les tuyaux Optiflex
	=	C’est ici que s’effectue la prise d’eau: après le temps de soutirage, à savoir une fois qu’est atteinte la température de 40 °C au point de soutirage

14.3.3 Mesure du temps de soutirage

La mesure des temps de soutirage sur les points de soutirage sert à contrôler le fonctionnement de l’approvisionnement en eau chaude. En plus du temps de soutirage, il convient de mesurer le débit volumique du robinet de puisage et la valeur indicative pour la température à l’entrée.

Conditions à remplir avant les mesures:

• L’approvisionnement en eau chaude est en exploitation depuis au moins 2 jours.

• Pas de soutirages d’eau chaude pendant au moins 6 heures avant les mesures.

A prévoir avant les mesures:

• Utiliser l’indicateur de température avec capteur aux caractéristiques suivantes:

  • Plage de mesure: 0 à 80 °C

  • Temps de réponse: < 0.3 s

• Récipient doseur (env. 10 l)

• Chronomètre

14.3.3.1 Mesurer le temps de soutirage

Le temps de soutirage correspond à l’intervalle de temps entre l’ouverture du robinet de puisage et le moment où la température de 40 °C est atteinte. La mesure de la température se poursuit jusqu'à sept fois le temps de soutirage mesuré.

1. Fixer le capteur de température sous le brise-jet du robinet de puisage.
2. Ouvrir entièrement le robinet de puisage du côté de l’eau chaude et commencer la mesure du temps.

La valeur mesurée est un indicateur de la température de l’eau chaude à l’entrée de la conduite de soutirage.

14.3.3.2 Mesurer le débit volumique

1. Placer le récipient doseur sous le robinet de puisage.
2. Ouvrir entièrement le robinet de puisage du côté de l’eau chaude et chronométrer une fois qu’un volume librement choisi est atteint.
3. A partir de la durée de mesure et du volume, calculer le débit volumique.

Si le débit volumique mesuré ne correspond pas aux valeurs des robinets de puisage qu’exige la norme SIA 385/2, il faut vérifier le dimensionnement de la conduite de soutirage.

Pour le contrôle, on convertit le temps de soutirage mesuré avec la formule suivante:

Lorsque le temps à la sortie t_em,2 n’est pas supérieur à la valeur exigée par la norme, à savoir 10 secondes pour les conduites d’eau chaude maintenues chaudes et 15 secondes pour celles non maintenues chaudes, l’approvisionnement en eau chaude correspond au dimensionnement. On peut alors prendre les mesures suivantes pour réduire le temps de soutirage:

• Monter un robinet de puisage plus puissant

• Augmenter la température de l’eau chaude

• Accroître la pression

La conversion prend en compte d’éventuelles pertes de charge entre le point de raccordement et le point de sortie du robinet de puisage, ce qui peut être dû par exemple à un régulateur de débit. Pour des raisons pratiques, ces pertes de charge ne sont souvent pas calculées lors de la conception de l'approvisionnement en eau chaude.