Applications et solutions - Eau chaude

14.1 Démarche à adopter

Pour le dimensionnement d’une distribution d’eau chaude, on appliquera une démarche en deux temps: d’abord un dimensionnement général, puis une planification fine.

14.1.1 Dimensionnement général

Le dimensionnement général consiste à définir le concept énergétique du bâtiment ainsi que les éléments suivants de la distribution d’eau chaude:

• Emplacement des accumulateurs

• Emplacement des conduites montantes et transitions pour les composants non maintenus chauds

• Emplacement des points de soutirage

• Concept de maintien au chaud

• Définition des temps de soutirage

• Valeur limite ou valeur ciblée pour la puissance de la pompe de circulation

Dans son dimensionnement général, la distribution d’eau chaude est suffisamment efficace en termes de consommation d’énergie. Pour le contrôle de l’efficacité énergétique, on calcule l’indice de perte de l’eau chaude.

14.1.2 Planification fine

La planification fine répond aux exigences des directives SIA 384/1, SIA 385/1 et SIA 385/2. Elle comprend les points suivants:

• Définition des exigences de confort dans une convention d’utilisation

• Planification des conduites de soutirage selon SIA 385/1:2020

• Planification des conduites tenues chaudes (si présentes) selon SIA 385/1:2020

• Dimensionnement des accumulateurs

• Calcul des pertes de chaleur dans les accumulateurs et les conduites maintenues chaudes

• Calcul des besoins thermiques de la distribution d’eau chaude

• Calcul de la puissance thermique de l’installation de chauffage d’eau et des cycles de charge

• Contrôle de l’efficacité énergétique (en s’appuyant sur l’indice de perte de l’eau chaude)

14.2 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.

14.2.1 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)

14.2.2 Besoins thermiques pour l’eau chaude

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

14.2.3 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 dans la distribution d’eau chaude.

14.2.4 Valeur initiale du volume de couverture de pointe

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

14.2.5 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

14.2.6 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:

14.2.7 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.

14.2.8 Pertes de chaleur des conduites maintenues chaudes

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

14.2.9 Pertes de chaleur des conduites de soutirage

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

14.2.10 Besoins thermiques de l’approvisionnement en eau chaude

Les besoins thermiques de la distribution d’eau chaude s’obtiennent en prenant les besoins thermiques pour l’eau chaude et la somme des pertes de chaleur:

14.2.11 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 la distribution d’eau chaude. Les calculs se font comme suit:

14.2.12 Valeur finale du volume de couverture de pointe

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

14.2.13 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:

14.2.14 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:

14.2.15 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.

14.3 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:

• Perte de chaleur des conduites d’eau chaude

• Débit de refoulement de la pompe de circulation

• Débits volumiques dans les conduites de circulation

• Diamètres nominaux des conduites de circulation

• Pertes de charge dues à des frottements dans les conduites et à 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 dues à des résistances individuelles et dans les conduites sont prises en compte par un facteur basé sur des valeurs empiriques.

14.3.1 Calcul des pertes de chaleur dans les conduites de circulation

Les pertes de chaleur dans les conduites de circulation se calculent comme suit:

Circulation conventionnelle:

Circulation tuyau-contre-tuyau ou tuyau-dans-tuyau:

Rubans chauffants:

14.3.2 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.

14.3.3 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.

14.3.4 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.

Les diamètres nominaux doivent être dimensionnés au plus petit, en tenant compte des vitesses d’écoulement et des pertes de charge maximales admissibles. Il s’agit en l’occurrence de réduire au minimum les pertes de chaleur et d’économiser l’espace occupé et les matériaux utilisés. 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. En revanche, lorsque les conduites de circulation sont longues, le diamètre nominal doit être d’autant plus grand.

14.3.5 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 dues à des frottements dans les conduites et à 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 dues à des résistances individuelles étant prise en compte par un facteur:

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.

14.3.6 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 de la courbe caractéristique de la pompe, que l’on trouve dans la documentation technique des fabricants de pompes de circulation.

La courbe caractéristique de la pompe décrit le rapport entre débit volumique et pression différentielle (dit aussi hauteur de refoulement), et elle obéit à la loi Bernoulli de la conservation de l’énergie d’un fluide. Plus grand est le débit volumique, plus faible est la pression différentielle.

La courbe caractéristique du réseau de conduites est déterminée par les résistances à l’écoulement (frottements dans les conduites et résistances individuelles) dans le réseau de conduites de la distribution d’eau chaude. Pour augmenter le débit volumique dans le réseau de conduites, il faut agir en conséquence sur la pression.

Le point d’intersection entre la courbe caractéristique de la pompe et la courbe caractéristique du réseau de conduites correspond au point d’exploitation de la pompe de circulation.

La pompe de circulation ne doit pas, comme ce serait le cas dans un système ouvert, surmonter une différence de hauteur. La pression différentielle due à la hauteur géodésique n’a pas à être prise en considération, c’est-à-dire que la hauteur de refoulement de la pompe de circulation est indépendante de la hauteur du bâtiment (la colonne d’eau côté aspiration de la pompe de circulation correspond à la pression requise côté refoulement de la pompe de circulation pour surmonter la différence de hauteur).

En général, on ne peut pas s’attendre à trouver une pompe de circulation qui corresponde exactement au point d’exploitation calculé. Pour le choix de la pompe de circulation, on en recherchera une avec une plage de pression adéquate qui, durant les réglages, sera réglée sur son point de fonctionnement.

14.3.7 Exemple de dimensionnement (SIA 385/2:2025)

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

14.3.7.1 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:

14.3.7.2 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:

14.3.7.3 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:

14.3.7.4 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 dues à des 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 d’exploitation des régulateurs de circulation et le choix de la pompe de circulation.

Les valeurs peuvent être présentées dans un tableau:

14.3.7.5 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 due à des frottements dans les conduites et à 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: 45.6 hPa

• Perte de charge Δp_RV clapet anti-retour: 78 hPa

• Perte de charge Δp_ZRV régulateur de circulation ouvert à fond: 2.8 hPa

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

Exemple de lecture pour le diagramme de performance du clapet anti-retour Optipress-Aquaplus 80189/81163:

Exemple de lecture pour le diagramme de performance du régulateur de circulation 36010:

14.3.7.6 Choix de la pompe de circulation

En partant des valeurs calculées pour le débit de refoulement et la pression de refoulement, on peut utiliser p. ex. l’outil de calcul du fabricant Grundfos pour choisir la pompe de circulation adéquate.

Données techniques de la pompe de circulation choisie:

• Débit volumique de la pompe: 306 l/h

• Pression différentielle de la pompe: 19.96 kPa

Outil de calcul de Grundfos:

14.3.7.7 Dimensionnement des robinets de réglage

Les robinets de réglage compensent les différences de perte de charge des tronçons et la pression différentielle entre pression de refoulement calculée et pression de refoulement effective de la pompe de circulation choisie.

La pression différentielle Δp_D que l’on a pour un robinet de réglage se calcule comme suit:

Les valeurs calculées peuvent être présentées dans un tableau:

Les débits volumiques calculés pour la détermination des pertes de pression de conduite sont présentés une nouvelle fois dans le tableau suivant:

Le robinet de réglage 24025 est utilisé à cet endroit de l’exemple de dimensionnement*. Sur le diagramme de performance du robinet de réglage, la valeur de réglage requise pour chaque tronçon peut être lue en fonction des valeurs de la différence de pression Δp_D et du débit volumique, exemples de lecture pour le diagramme de performance du robinet de réglage 24025:

*Pour ce robinet de réglage, la perte de charge à ouverture à fond Δp_ZRV est environ plus élevée de 2 hPa qu’avec le régulateur de circulation 36010 précédemment utilisé dans l’exemple de dimensionnement (pour un débit volumique dans le tronçon 1 de 83.3 l/h). La pression de refoulement calculée devrait donc être proportionnellement plus élevée. Ici, on ne tient toutefois pas compte de cette différence.

14.4 Temps de soutirage

14.4.1 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.

14.4.2 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

14.4.3 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

14.4.3.1 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.

14.4.3.2 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.