EAU CHAUDE SANITAIRE - LOGICIEL TELECHARGER

Avant propos

Les informations ci-dessous présentées sont interprétables par les professionnels, leurs utilisation relèvent de la seule responsabilité de l'utilisateur.
Le but ces pages n'est pas de faire un descriptif exhaustif de tout ce qui permet de dimensionner une installation de production et de distribution d'eau chaude sanitaire conforme à l'ensemble des réglementations qui s'impose aux techniciens et donneurs d'ordres, mais plutôt de tracer les grandes lignes nécessaires à une bonne appréhension du sujet. Ci dessous, nous parlerons essentiellement de l'ECS dans le logement collectif, mais l'habitat individuel et le secteur tertiaire sont très voisin, tout du moins dans la réflexion globale pour déterminer le couple production/distribution.

S'il est relativement facile de déterminer les caractéristiques techniques d'une installation de chauffage devant satisfaire le confort thermique de logements d'habitation, celles-ci pouvant finalement, être réduite à une puissance à installer, il n'en va pas de même pour un système de production d'eau chaude sanitaire qui doit satisfaire entre autre;
- à l'ensemble des soutirages ECS de pointe et 10 minutes
- à une pression résiduelle minimale en tout point de puisage
- à des températures de distribution et de bouclage constantes en tout point de l'installation
- aux impératifs techniques de la production thermique (puissance disponible été/hiver)
- à un rendement d'exploitation (prix du m3 d'ECS utilisateur, temps de retour sur investissement)
- aux contraintes liées à l'hygiène de l'eau (traitement de l'eau, lutte contre les légionelles)
- à l'éventuelle exiguïté des locaux (particulièrement en rénovation)
- à un service sans rupture (bonne mise en oeuvre et qualité du producteur ECS)
- à une maintenance aisée et "transparente" pour l'utilisateur (détartrage, choc thermique, etc)
De plus, l'ensemble des points ci dessus reste à "adapter" au contexte social, ce dernier étant lui même évolutif dans le temps.
Le technicien est confronté à deux grands thèmes;
>le dimensionnement d'une production lors d'un remplacement ou d'une rénovation de chaufferie.
>le dimensionnement des réseaux ECS et ou de la production pour un projet "neuf".
Les méthodes et obligations contractuelles et réglementaires ne sont pas les mêmes, les moyens humain à mettre en oeuvre non plus.
Reportez vous plutôt à la section "détermination rapide des besoins" pour une remplacement/rénovation.
Reportez vous plutôt à la section "réseaux d'eau chaude sanitaire" pour un projet "neuf"

Détermination rapide des besoins en eau chaude sanitaire

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La détermination rapide des besoins en chaude sanitaire relève plus du calcul empirique que d'un mode établi ou reconnu.
Cette méthode sert surtout, soit à vérifier une installation existante (en cas de carence de service), soit à dimensionner une nouvelle production ECS en fonction des puissances disponibles (rénovation), elle ne doit pas servir de base de calcul pour dimensionner les réseaux de distribution et de bouclage ECS en projet "neuf" (création ou remplacement total des réseaux)
Bien souvent, pour les bureaux d'étude, la satisfaction des débits horaire de pointe et 10 minutes du dimanche matin sert de "référence dure".
En matière de consommation ECS il très difficile d'avoir des certitudes absolues tant les cas de figures sont nombreux et parfois paradoxal.
Par exemple, si on procède au seins d'une même résidence à des relevés des compteurs ECS pour divers bâtiments de même type, on obtiendra des disparités de soutirage, plus étonnant, pour les entrées d'un même bâtiment des disparités sont également constatées.
Plus étrange encore, pour des logements occupés, de même type, et à T° de distribution égale, on à enregistré des consommations plus faible dans certaine résidence de grand standing occupée en permanence par rapport à des HLM, de là en conclure que "les riches" se lavent moins....... sic
Seule certitude, selon les deux dernières enquêtes (valeurs statistiques, fruit de campagnes de rénovation) menées en 1979 et 1986 par le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment, les consommations en ECS ont augmentées de près de 27% dans le logement collectif.

Ces consommations pour logements standards, s'établissent ainsi;

CLS - Consommation par Logement Standard / moyennes d'ECS litres/jour à 60°
Nombre de pièces / type	1	2	3	4	5
Enquête CSTB 1979	40	55	75	95	125
Enquête CSTB 1986	50	70	95	120	160
Base à retenir pour les calculs	75	105	150	180	240

Pour un projet pour du neuf, (production ECS et réseaux) il est indispensable de dimensionner les installations selon le DTU 60.11 et aditifs, de respecter les règles de l'art, d'employer et d'installer des matériels suivant l'ensemble des techniques et réglementations en vigueur s'agissant des eaux destinées à la consommation humaine et des conformités de performance au regard de la dernière réglementation thermique.

Les calculs des débit horaire de pointe et 10 minutes

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Tel que déjà préciser plus haut, les débits horaire de pointe et 10 minutes servent de base au dimensionnement d'une production ECS en fonction de tout les impératifs technico-économique tel que: puissance disponible été/hiver, configuration des installations, type de production thermique, etc, etc...
Nous donnons ci-dessous les calculs des débits horaire de pointe et 10 minutes, ces derniers sont déterminés avec la CLS, la période de pointe et le coefficient de simultanéité.

a)Le consommation du logement standard (CLS)
Voir le tableau ci dessus

b)La période de pointe (T)
Les diverses statistiques et constats ont permis de déterminer que 75% de la consommation journalière est effectuée
pendant une période de pointe T fonction du nombre de logements N desservis suivant la formule empirique:

T = 5 * (N * 0,905) / 15 + (N * 0,920)

T = temps en heure
N = nombre de logement standard

c) le coefficient de simultanéité (S)
Pour obtenir la consommation maximale horaire, il faut tenir compte d'un foisonnement de soutirage également fonction
du nombre de logement desservis.
La détermination de ce coefficient est "dérivée" de la formule de Flamant soit:

S = 1 / racine N-1 + 0,17

Il est vrai que le DTU 60.11 "impose" la formule:

S = 0.8 / racine N-1

Cette formule DTU s'applique à la somme des débits de base instantanés cumulés des matériels (lavabo, baignoire, etc) par tronçon, aboutie à des résultats nettement plus faible par rapport à la précédence et n'est pas utilisée par les professionnels du fait que dans le cas de détermination rapide des besoins, les débits à considérer sont ramenés au logement standard.
d) Le débit horaire de pointe (DHP)
A partir du débit journalier du logement standard, le débit horaire de la période de pointe est:

DHP = (CLS * 0,75) / T

d)Le débit 10 minutes(D10)
Ce débit est donné par la formule expérimentale suivante:
D10 = 50 * N * S

Un exemple
données:
- type de logement = 3 pièces
- (N) nombre de logements standard = 200
- CLS) consommation par logement = 150 litres/jour
- (T) période de pointe (5 * (200 * 0.905)) / (15 + (200*0.920)) = 4,55
- (S) coefficient de simultanéité 1 / (racine 200 - 1) + 0.17 = 0,241
- (DHP) débit horaire de pointe en m3/h (150 * 0,75) / 4.55 * N = 4,945
- (D10) débit 10 minutes en m3/h 50 * 200 * 0,241 = 2,410

A noter que notre logiciel Ôchaude© permet de calculer très simplement l'ensemble des éléments de débits, de puissances et pressions d'une étude et propose les schémas hydrauliques des 3 grandes familles de production ECS (accumulation, semi instantané et instantané) sur lesquels figurent tous les résultats de ces calculs.
Ainsi le technicien, le décideur, visualise rapidement les différences pour les 3 systèmes et optimise sa décision.

Le logiciel Ochaude

Les types de productions d'eau chaude sanitaire

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Une fois les besoins en ECS quantifiés;
- soit en rénovation par l'exploitation des consommations ECS réelles constatées
- soit pour un programme neuf sur la base des débits/vitesses/diamètres déterminés selon le DTU 60.11 d'octobre 1988 "Règles de calcul des installations de plomberie sanitaire et des installations d'évacuation des eaux pluviales" les puissances à mettre en oeuvre pour la production, le réseau de distribution et le maintien en température du bouclage ECS sont connues, on peut alors admettre plusieurs choix technico-financier pour satisfaire ces besoins et "coller" aux exigences du cahier des charge du maître d'ouvrage.

Généralement, dans le logement collectif, on rencontre des productions ECS de type;
- à accumulation
- semi accumulation
- semi instantané
- instantané

Type production	Quelques avantages	Quelques inconvénients
A accumulation totale sans relance	Si la production est bien dimensionnée, le volume du stockage ECS permet de satisfaire tout les besoins de la journée d'ou une satisfaction assurée pour les utilisateurs. La puissance à mettre en oeuvre est faible car le réchauffage est généralement calculé sur 8 heures de nuit (de 23h à 7h). Les puissances nécessaires permettent l'abonnement à des tarifs d'énergie avantageux (tarif heures creuses/heures pleines.. ect, ect) Dans le cas de réchauffeur de type épingle, le régime du fluide primaire peut être limité ce qui réduit l'entartrage et les opérations de maintenance.	Le volume du stockage ECS est très important, il correspond aux besoins journalier total. Selon l'énergie primaire (électricité par exemple) et hors période de réchauffage, aucun appel de puissance ne peut être effectué, d'ou des ruptures de service possible. Des surfaces de chauffe importantes induise des pertes calorifiques importantes et un entretien peu aisé. Avec l'abaissement progressif de la température de L'ECS (au fur et à mesure des soutirages, l'eau froide remplace l'eau chaude dans le stockage), les risques liés aux développements de bactéries augmentent.
Semi accumulation accumulation avec relance	Le volume du stockage ECS correspond aux seuls besoins de l'heure de pointe horaire la plus dure de la journée, le stockage ECS est donc plus petit qu'avec une accumulation totale Le complément des besoins journalier s'effectue par l'appel de puissance pour la reconstitution du stock (pour la pointe suivante). La puissance de complément se limite généralement à la puissance à mettre en oeuvre pour reconstituer le stock entre deux pointes horaires. Coût d'installation	Il est nécessaire de disposer d'une source d'énergie permanente (compléments de la reconstitution du stock). Selon l'importance des soutirages ECS à satisfaire, le volume du stockage ECS demeure important. Des surfaces de chauffe importantes induise des pertes calorifiques importantes, des opérations de maintenance et d'exploitation élevées. Avec l'abaissement progressif de la température de l'ECS (au fur et à mesure des soutirages, l'eau froide remplace l'eau chaude dans le stockage), les risques liés aux développements de bactéries augmentent.
Semi instantané	Ce système est "voisin" du type semi accumulation, mais, généralement le stockage et le producteur lui même sont souvent physiquement séparés, cela permet une combinaison de matériels adaptable quasiment à tout les projets. Les sous tirages de pointes et 10 minutes sont assurés par l'adition des capacités du producteur et du stockage. La gamme "standard" des fabricants d'échangeurs à plaques ou à modules couvre toute les besoins et sont évolutifs par l'augmentation l'adjonction de plaques ou de modules supplémentaires. L'entretien du matériel est aisé et ne nécessite pas de gros moyen humain.	En fonction du régime du fluide primaire et de la dureté de l'eau froide distribuée, des opérations de détartrages réguliers sont nécessaire au maintien du rendement optimum. Les pertes de charge des échangeurs à plaques sont importantes (et directement proportionnelles au degré d'entartrage), il y a lieu d'en tenir compte lors des calculs du réseaux de distribution et de bouclage ECS. Augmentation du nombre de pompes nécessaires au concept hydraulique, pompes primaire échangeur + pompes secondaire charge ballon et pompes bouclage, d'ou des consommations électriques permanentes supplémentaires.
Instantané	Très simple à dimensionner et à installer. Immédiatement adapté aux besoins Phénomène de corrosion limité Développement des bactéries au niveau du producteur ECS lui même très faible en raison de sa faible contenance en eau et de la fonction programmable "choc thermique" du régulateur équipant d'origine ce type de matériel. L'entretien du matériel est aisé et ne nécessite pas de gros moyen humain. Matériel évolutif grâce à l'adjonction de plaques ou de modules supplémentaires pouvant ainsi garantir des besoins en ECS horaire et 10 minutes supérieur à ceux "d'origine".	Nécessite un régime de fluide primaire permanent tel qu'initialement arrêté lors de la conception pour la satisfaction des soutirages horaire et 10 minutes. Appel de puissance important pouvant nécessiter, ci cette dernière est limité, à programmer une priorité de service (arrêt chauffage durant les demandes ECS) Entartrage très rapide en fonction du régime du fluide primaire et de la dureté de l'eau. Nécessite impérativement, un entretien préventif. Aucun stock, en cas d'arrêt de l'énergie primaire ou auxiliaire, la production ECS est immédiatement hors service

A noter que dans l'aide à l'utilisation de notre logiciel Ôchaude© ces différents type de production son détaillés.

Le logiciel Ochaude

Les réseaux de distribution d'eau chaude sanitaire

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Nous ne rentrerons pas dans le détail des avantages et inconvénients liés à la nature des conduits retenus (acier, cuivre, PVC, PER), cela relève du choix du maître d'ouvrage avec toute les incidences technico-économique qui en découlent.
Pour un concepteur, dimensionner un réseau de distribution d'eau chaude sanitaire, c'est déterminer rationnellement les diamètres des tronçons horizontaux et verticaux afin d'assurer de façon permanente;

a)L'obtention des soutirages ECS tout en garantissant la température (55°C) et une pression résiduelle satisfaisante à chaque robinet (0,3 bar).

b)Une vitesse de circulation conforme au DTU (documents techniques unifiés) afin de limiter le bruit et la prolifération des bactéries dans les installations à savoir;
- pour les tuyauteries horizontale en sous sol ou vide sanitaire: 2 m/s
- pour les tuyauteries verticales, colonnes montantes: 1,5m/s
- pour les branchements d'étages, d'appareils: débit supérieur à 0.5l/s = 1m/s - débit inférieur à 0.5l/s pas de limite

c)Une isolation thermique efficace, les recommandations du Syndicat National de l'Isolation concernant la mise en oeuvre du calorifuge donnent en particulier des épaisseurs courantes.
Dans les cas courants de canalisation d'ECS à 60° et pour une ambiance comprise entre 10 et 20°C on est conduit aux épaisseurs minimales, fonction des diamètres extérieurs des tubes;
- 30 mm pour des diamètres allant de 21 à 60 mm
- 40 mm pour des diamètres allant de 70 à 114 mm
- 50 mm pour des diamètres allant de 139 à 219 mm
Ces épaisseurs sont valables pour des matériaux isolants de conductivité thermique ? comprise entre 0.035 et 0.040 W/m².K (on suppose une résistance thermique de 0.85 m².K/W pour 30 mm d'épaisseur).

Calcul des débits instantanés

Pour dimensionner les diamètres les tronçons horizontaux d'un réseau, il faut déjà connaître la somme des débits des colonnes placées en amont/aval de chacun d'entre eux, pour cela il faut connaître les débits instantanés cumulés que va devoir assurer chaque colonne.
La détermination des débits instantanés de chaque colonne s'effectue sur la base des débits instantanés des appareils selon la Norme NFP 41-201*.
* Normes des conditions minimales d’exécution des travaux de plomberie et installation sanitaire.

Débit de base des appareils:

Désignation de l'appareil	Débit minimal de base en litres par robinet
Désignation de l'appareil	par minute	par seconde
Evier - Timbre d'office Lavabo Lavabo collectif (par jet) Bidet Baignoire Douche (eau froide ou mélangée) Poste d'eau	12 6 3 6 20 15 10	0,20 0,20 0,05 0;20 0,33 0,20 0,33

Une fois calculée la somme des débits instantanés d'une colonne on lui applique un coefficient de simultanéité car statistiquement, tous les appareils ne sont pas utilisés en même temps, c'est le "débit probable".
Si pour une colonne, les appareils desservis ne sont pas de même type à tous les étages, il peut arrivé que comparativement à une autre colonne identique (même nombre d'étages et de logements) mais équipée du même type de matériels à tous les étages, de calculer des débits inférieurs, dans ce cas, c'est le débit le plus "dur" qui sera à retenir.
La formule générale de détermination du coefficient de simultanéité selon le DTU 60.11 est:

S = 0,8 / racine N - 1
ou N est le nombre d'appareils
Le tableau ci-dessous détaille les valeurs du coefficient à prendre en considération en fonction du type de bâtiment.

Type de bâtiment	Coefficient
Hôpitaux - maisons de retraite Foyers de personnes âgées Bureaux	S = 0,8 / racine N-1
Hôtel de tourisme Hôtel de séjour Foyer de jeunes travailleurs	S = (0,8 / racine N-1) * 1,25
Écoles -Internats Stades - gymnases Casernes Hôtels des sports d'hiver Hôtels à clientèles spécifique Cantines - Restaurants sanitaires public.	Étude particulière

Cette formule "officielle" à un inconvénient, en effet, lorsque N tend vers l'infini, S tend vers zéro.
C'est pour cela que les professionnels n'appliquent pas de coefficient de simultanéité inférieur à 0.05, 0.03 étant un butoir absolu.
Nota: Pour la détermination rapide des besoins en ECS notamment en rénovation de la production ECS et lorsque les réseaux sont existants et conservés, il est préférable d'utiliser le coefficient suivant la formule:

S = 1 / racine N-1 + 0,17
Cette dernière est très largement utilisée par les professionnels car elle s'applique non plus à la somme de débits de base instantanés mais à la consommation ECS par "logement standard" et aboutie à des résultats offrant plus de "sécurité".
A noter que notre logiciel Ôchaude© calcule également les débits instantanés.

Le logiciel Ochaude

Calcul des diamètres

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Sur la base des débits précédemment calculés, des vitesses à respecter et compte tenu de la pression disponible à répartir sur le réseau, on calculera les diamètres suivant la formules:

D=(18,81 / racine V) * racine Q

Exemple
Q = 10 m3/h
V = 1.41 m/s
18,81 / racine 1,41 * racine 10
D= 50mm

Le calcul des perte de charge

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Il y à deux méthodes possible.
La première consiste à calculer les pertes de charge comme pour un réseau chauffage et dont les équations implicite sont relativement complexe à mettre en oeuvre.
La seconde est plus simple à mettre en oeuvre, correspond mieux aux impératifs des réseaux de distribution dit "ouvert" en raison de la variation importante de la pression de livraison pas toujours maîtrisable, aboutie à des résultats quasiment identiques et acceptables au regard du degré de précision recherché.

Une attention toute particulière est de rigueur dans les régions ou le titre hydrotimétrique de l'eau (TH/teneur en calcaire) dépasse les 20° Français, les réseaux pouvant très vite diminuer de diamètre à cause du dépôt du calcaire, phénomène accentué en l'absence de traitement de l'eau (adoucisseur et ou filmogène) et d'une température de production/distribution > à 55°.
Cette méthode consiste à calculer dans un premier temps la pression piézomètrique disponible qui pourra être répartie dans le réseau.
Exemple:
- Pression à l'entrée de producteur: 3,00 bar, à noter que cette pression peut être "adaptée" aux besoins par pose d'un détendeur si elle est en excédant ou d'un suppresseur si elle est trop faible.
- Pression minimum au point de puisage le plus éloigné 0,40 bar.
pression utile 3,00 - 0,40 = 2,60 bar (26 000 daPa).
- Différence de hauteur entre le point le plus bas et le plus haut du réseau = 19m (19 000 daPa) pression disponible à répartir 26 000 - 19 000 = 7 000 daPa de disponible Longueur total du réseau 130m + 70m d'équivalence pour les accessoires = 200m soit une perte de charge unitaire par mètre (J) de 7 000 daPa / 200m = 35 daPa (±35mmCe).

Donc, compte tenu des pressions disponibles, des matériels et de la configuration de l'installation les perte de charge prévisionnelles sont de 35 daPa par mètre.
On pourra contrôler si les débits et diamètres déjà calculer plus haut correspondent aux pertes de charge unitaires (J) par la formule de Flamant obtenue après simplification.

J = 419,59 * (Q* 1,75/D * 4,75)

La formule du COSTIC donne un
J = 417 * (Q * 1,885/D * 5,014)

Avec Q en m3/h et D en mm.
Ces deux formules aboutissent à des résultats quasiment identique.

A noter que notre logiciel Ôchaude© peut vous aider dans cette démarche.

Le logiciel Ochaude

Les réseaux de bouclage d'eau chaude sanitaire

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Il faut tout d'abord préciser le rôle de la boucle de recyclage ECS:
a) Maintenir de façon permanente une température la plus homogène possible en tout point de soutirage du réseau de distribution.
b) Assurer lors des périodes de non soutirage une circulation d'eau contrôlée (débit/vitesse) afin de limiter le développement de bactérie.

Le réseau de distribution et de recyclage forme ainsi, en période de non soutirage, une boucle assimilable à un réseau chauffage représentant des déperditions thermiques à compenser.
La règle de calcul, est de fixer une chute de température "autorisée", généralement 5 K entre le départ de la production et le retour général du recyclage, étant entendu que cet écart doit ce vérifier pour chaque pied de colonne, c'est le rôle de l'équilibrage hydraulique des réseaux.

Les déperditions thermiques du réseau de distribution

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Il faut donc dans un premier temps, déterminer les déperditions thermiques en Watt du réseau de distribution en fonction du diamètre, du ?T [K] (différence de T° entre le milieu d'installation et la T° du fluide, les deux étant considérées comme constantes tout le long du réseau) et de l'épaisseur du calorifuge (on ne peut pas encore le faire pour le recyclage vu que l'on ne connais pas les diamètres)
Le tableau ci dessous présente quelques valeurs selon des mesures effectuées par le CSTB.

Une fois connu la déperdition thermique totale [P] du réseau de distribution, on peut calculer le débit total du recyclage suivant le Dt [K] retenu:

Q = P / (Dt [K])
Pour chaque colonne, le débit Q sera ajusté pour maintenir le Dt [K] à 5° suivant la formule:

Dt [K] = P / (1,16 * Q)

Le calcul des diamètres

Il fois connu les débits de recyclage, on peut déterminer les diamètres des conduits du réseau de recyclage.

D=(18,81 / racine V) * racine Q

Les pertes de charge

Pour chaque tronçon horizontal et colonne, on déterminera les pertes de charge selon les formules ci-dessous, elle seront cumulées aux pertes de charge spécifiques aux accessoires et accidents.
On peut sans trop d'erreur évaluer les pertes de charge spécifiques selon le tableau des matériels.

Matériels	longueur équivalente [m]
Filtre	2,5 à 11
Té	4
Coude doux	1,5
Coude brusque	2,5
Disconnnecteur	1,5 à 10
Compteur	2,5 à 6
Ballon stockage	3
Robinet d'arrêt	1,5
Mitigeur	2,5 à 4

Le résultat servira de base pour la sélection du circulateur de recyclage (hauteur manométrique à fournir).

J = 419,59 * (Q* 1,75/D * 4,75)

La formule du COSTIC donne un
J = 417 * (Q * 1,885/D * 5,014)

Avec Q en m3/h et D en mm.
Ces deux formules aboutissent à des résultats quasiment identique.

Le circulateur de recyclage ECS

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Il sera soigneusement sélectionnée afin de correspondre au mieux au point croisé de fonctionnent des débits et des pertes de charge totale issus des calculs effectués plus haut.

Pertes thermiques des tuyauteries en acier galvanisées

isolée en coquilles de laine de verre avec enduit de finition [W/m]

Diamètre extérieur [mm]	ΔT [K]	épaisseur de l'isolant [mm]
		aucun	10	20	30	40	50


17

20
30
40

13,57
20,51
27,34

4,87
7,30
9,73

3,46
5,19
6,91

2,96
4,28
5,71

2,51
3,77
5,03

2,29
3,43
4,58









0,039
0.025
0.040
0,035

*Type de matériel*	*Coefficient correctif*	ג *[W/m.K]*
Laine de roche Mousse de polyuréthane Mousse de caoutchouc Laine de verre	1,00 0,65 1,15 1,00	0,039 0.025 0.040 0,035