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Dimensionnement chauffe-eau solaire

Dimensionnement chauffe-eau solaire (Partie 1)
Connaissances de base sur la production de l'eau chaude sanitaire
La consommation d’eau chaude d’un bâtiment s’exprime en m3 par an. Cette consommation doit être associée à la quantité de chaleur apportée pour élever la température de l’eau. Dans le cas de l’eau chaude sanitaire, il convient de considérer que l’eau chaude sanitaire est fournie à 50 °C (ou 60°C selon les cas) à partir d’une eau froide à 10 °C, soit une élévation de température de 40 °C (ou 50°C).
Le chauffage de l’eau chaude sanitaire nécessite deux types d’énergie :
 L’énergie calorifique, qui permet d’élever la température de l’eau sanitaire
 L’énergie mécanique, qui permet de faire circuler l’eau dans les circuits d’eau
Nous ne traiterons que l’énergie calorifique
Ainsi, nous calculons les besoins en eau chaude sanitaire en kWh/an. Les kWh ainsi calculés représentent l’énergie calorifique consommée pendant une année et qui ont permis de garantir une chaude sanitaire aux utilisateurs. Il convient avant tout d’introduire les définitions suivantes
concernant les consommations :

Le calcul de la consommation terminale d’eau chaude est délicat à réaliser car il est difficile de juger le « comportement eau chaude » des usagers. Néanmoins, des profil de consommations conventionnels ont été déterminés et sont exposés ci-dessous :
 Maison individuelle
 Habitat collectif
 Bâtiment tertiaire

1. Calcul des besoins énergétiques en eau chaude sanitaire d'une maison individuelle :

Nous notons TEREC les besoins terminaux annuels d’eau chaude, exprimé en kWh/an. En supposant que la consommation d’eau chaude sanitaire est uniformément répartie tout-au-long de l’année, nous pouvons introduire une consommation terminale quotidienne, notée TERECJ, exprimée en kWh/J et liée par la relation simple suivante : TEREC=TERECJ×NJEC, où NJEC est le nombre de jours de consommation d’eau chaude par an [j/an]. Nous notons également NOC le nombre d'occupant dans la maison individuelle (car la consommation énergétique en eau chaude sanitaire dépend aussi du nombre d'occupant). Ainsi, la consommation énergétique terminale (en kWh/jour) conventionnelle en eau chaude sanitaire d'une maison individuelle peut se calculer de la façon suivante :
EXEMPLE
Supposons qu'une maison individuelle dans laquelle vivent 4 personnes (donc NOC=4) et disposant des équipements suivants : 1 évier + 1 lavabo + 1 grande baignoire + 1 cabinet de toilette. La consommation énergétique en eau chaude sanitaire, noté TERECJ (en kWh/jour), se calcule grâce au tableau précédent :
TERECJ = 3,8 + 1,8 x NOC = 3.8 + 1.8 x 4 = 11 kWh/jour.

Ainsi, la production d'eau chaude sanitaire pour cette maison individuelle nécessite une énergie journalière de 11 kWh. Cette énegie représente la consommation terminale. Pour connaître la consommation primaire, il conviendra d'ajouter la consommation énergétique imputable aux pertes de chaleur par conversion et par transport.

2. Calcul des besoins énergétiques en eau chaude sanitaire d'un bâtiment tertiaire

Nous notons TEREC les besoins terminaux annuels d’eau chaude, exprimé en kWh/an. En supposant que la consommation d’eau chaude sanitaire est uniformément répartie tout-au-long de l’année, nous pouvons introduire une consommation terminale quotidienne, notée TERECJ, exprimée en kWh/J et liée par la relation simple suivante : TEREC=TERECJ×NJEC, où NJEC est le nombre de jours de consommation d’eau chaude par an [j/an]. Nous notons également NOC le nombre d'occupant (car la consommation énergétique en eau chaude sanitaire dépend aussi du nombre d'occupant). On notera également :
 N0 = nombre de salles de bains
 N1 = nombre de places assises
 N2 = nombre de repas servis par jour
 N3 = nombre de visiteurs par jour
 N4 = nombre de lits
 M = masse, en kg, de linge lavé par jour

Ainsi, la consommation énergétique terminale (en kWh/jour) conventionnelle en eau chaude sanitaire dans les bâtiments tertiaires peut se calculer de la façon suivante :

EXEMPLE
Considérons un hôtel présentant une occupation de 20 chambres. Nous supposerons que pour chaucune des chambres, il y a 1 lit et 1 salle de bains. Donc : N0 = 20 et N4 = 20. La consommation énergétique en eau chaude sanitaire, noté TERECJ (en kWh/jour), se calcule grâce au tableau précédent :
TERECJ = 3,4 x N4 + 2,5 x N0 = 3,4 x 20 + 2,5 x 20 = 118 kWh/jour.
Ainsi, la production d'eau chaude sanitaire pour cet hôtel nécessite une énergie journalière de 118 kWh. Cette énegie représente la consommation terminale. Pour connaître la consommation primaire, il conviendra d'ajouter la consommation énergétique imputable aux pertes de chaleur par conversion et par transport.

3. Stockage de l'eau chaude sanitaire

Le but du ballon de stockage est de stocker l’eau chaude. Il permet donc de disposer d’un volume d’eau chaude à tous moment de la journée. Le stockage est intéressant notamment lorsque le mode de production de la chaleur est électrique. En effet, le système des heures creuses et des heures pleines incite les consommateurs à chauffer l’eau sanitaire pendant la nuit (période pendant laquelle le cout du kWh électrique est bas) dans le ballon de stockage. Pendant la journée, l’usager puise l’eau chaude du ballon. Il est important que le volume de l’eau chaude stockée soit suffisant pour subvenir aux besoins du consommateur. Le volume du ballon de stockage doit être calculé en conséquence.
3.1. Explication du processus de stockage de l'ECS
Nous expliquons ci-dessous le principe de stockage de l'eau chaude sanitaire.

Etape 1 : la nuit
Pendant la nuit, la résistance électrique fonctionne. En chauffant, elle fournit de la chaleur à l’eau contenue dans le
En effet, on dimensionne toujours le volume du ballon en fonction des besoins d’eau journaliers des usagers, de telle sorte qu’il y ait toujours une réserve d’eau chaude le soir. Ponctuellement, il se peut que la consommation d’eau chaude soit supérieure à la normale (présence d’invités par exemple). Dans ce cas, le volume du ballon d’eau chaude peut ne pas être suffisant.

3.2. Explication du processus de stockage de l'ECS
Masse volumique de L'eau en fonction de la température
Le phénomène de stratification est la conséquence du phénomène physique suivant : la masse volumique d’un fluide dépend de sa température. Plus précisément, lorsque la température d’un fluide augmente, sa masse volumique diminue. Dans le cas de l’eau, la variation de sa masse volumique en fonction de la température est indiquée dans le tableau ci-dessous :

On constate que l’eau froide à 10 °C est 1.6% plus lourde que l’eau chaude à 60°C. Ainsi, l’eau froide est plus lourde que l’eau chaude. En ce sens, les fabricants de ballon d’eau chaude ont prévu l’arrivée de l’eau froide en partie basse, alors que la sortie de l’eau chaude se fait en partie haute du ballon. De ce fait, lorsque de l’eau chaude est puisée au ballon par le haut, celle-ci est remplacée par de l’eau froide en partie basse du ballon.
Eviter de mélanger l’eau froide avec l’eau chaude
Si un ballon de 200 litres à 60°C est vidé à moitié, la stratification va permettre de conserver 100 litres d'eau à 60°C en partie haute (et donc encore exploitables) et 100 litres à 10°C en partie basse. Il convient d’éviter que l’eau froide à 10 °C se mélange à l’eau chaude. En cas de mélange excessif, la température de l’eau du ballon serait uniforme et égale 35 °C, température inappropriée. Pour cela, les fabricants ont prévu un système de casse-vitesse de l’eau froide :

A gauche : Le phénomène de stratification permet de profiter durablement de l’eau chaude sanitaire. A droite : Le phénomène de stratification est inefficace. L’eau froide se mélange avec l’eau chaude.
La vidéo ci-dessous permet d’illustrer le phénomène de stratification lorsqu’on puise de l’eau chaude du ballon. La simulation correspond à un ballon d’eau chaude de 80 L de 40 cm de haut, 20 cm de rayon. Le débit de puisage d'eau chaude est constant et vaut 6 L/minutes. La durée de la simulation est de 13 minutes (vidéo publiée en accéléré).

4. calcul des puissances de chauffage de l'eau sanitaireLa puissance des
échangeurs thermiques dans les ballons d’eau chaude dépend du volume de celui-ci et du temps nécessaire à la montée en température. En effet, l'échangeur a pour fonction d’élever la température de l’eau froide du ballon de 10°C à 60°C. La puissance P, en W, s’exprime de la façon suivante :

           

 m est la masse d’eau contenue dans le ballon (en kg). Elle se calcule grâce au volume du ballon. En notant VBallon ce volume (en m3), on a : m = ρ × VBallon, où ρ est la masse volumique de l’eau (ρ = 1000 kg/m3).
 CP est la capacité calorifique de l’eau dans le ballon (en J/kg/°C). CP=4186 J/kg/°C.
 ΔT est l’élévation de température de 10 °C à 60 °C, soit ΔT=50 °C
 Δt est le temps de montée en température (en s). Généralement, on souhaite que la montée en
température de l’eau du ballon se fasse en quelques heures.

A partir de cette formule, nous pouvons dresser le tableau suivant, indiquant la puissance thermique que doit fournir l'échangeur en fonction du volume du ballon et du temps de montée en température de l'eau sanitaire.
En général, mais cela dépend des fabricants (il convient de se reporter à la fiche technique du produit), les puissances installées sur les ballons d'eau chaude sont ecrites en rouges dans le tableau ci-dessus.
Calcul du volume de stockage de l'eau chaude sanitaire
Dans le secteur résidentiel (maison individuelle et habitat collectif), le volume des ballons d'eau chaude sanitaire doit être légèrement supérieur aux besoins des usagers. En moyenne, une personne puise 40 L/jour d'eau chaude. Ainsi, le volume des ballons d'eau chaude sanitaire est indiqué ci-dessous :
Conditions sanitaires de l'eau chaude

Les conditions d’hygiène de l’eau sanitaire doivent être respectées. Si on conserve de l’eau sanitaire à une température comprise entre 28°C et 45°C, on doit faire particulièrement attention à l’hygiène car c’est à ces températures que se produisent les plus forts taux de reproduction bactérienne de type légionelles. Aujourd’hui, la réglementation française impose des contraintes en terme de température de l’eau chaude sanitaire afin de lutter contre le développement de ces bactéries, qui peut s’avérer mortelles.

La légionnelle et la production d'eau chaude sanitaire

Les légionelles sont des bactéries présentes partout dans l’eau à l’état de traces, mais qui peuvent se reproduire rapidement dans l’eau chaude si la température est favorable (typiquement pour des températures entre 28°C et 45°C). Ces bactéries ne présentent aucun danger pour les humains dans le système gastro-intestinal. Par contre, inhalées dans les poumons avec de minuscules gouttelettes d’eau, comme par exemple sous la douche, elles provoquent un tableau clinique semblable à celui de la pneumonie, pouvant mener jusqu’à la mort. Les personnes âgées ou malades sont particulièrement en danger.

Historique de la légionelle

Le terme « légionelle » a été adopté parce qu’on a observé cette maladie, pour la première fois, en 1976 parmi des membres de l’American Legion. Ils tenaient une réunion dans l’hôtel où le dispositif de climatisation avait été contaminé. Les bactéries s’étaient disséminées dans les chambres par le système de ventilation. 220 des 4000 participants avaient contracté la maladie, et 30 en sont morts. Après cet accident, des réglementation draconiennes ont été adoptées un peu partout dans le monde. Il existe différents textes, suivant chaque pays, pour garantir l’hygiène de l’eau et réduire la prolifération des légionelles.

Réglementation française vis-à-vis de la légionelle pour la production d'eau chaude sanitaire

En France, la réglementation qui régit les techniques de lutte et de prévention contre la légionellose est décrite dans la circulaire DGS (Direction Générale de la Santé) 97-311 du 24 avril 1997. Ce texte exige notamment d’atteindre une température de 60°C à la sortie du ballon d’eau chaude, ce qui assure une destruction des bactéries. On retiendra les points suivants :
 Dans les salles d’eau, la température de l’eau chaude sanitaire ne doit en aucun cas dépasser 50°C au point de puisage, afin d'éviter les brulures des usagers.
 L’eau chaude sanitaire contenue dans les dispositifs de production par accumulation (ballon d’eau chaude) doit être portée quotidiennement à une température minimale de 60°C.
 Dans les réseaux de distribution collective, maintenus en température, l’eau doit être à une température supérieure à 50°C.
 Eviter la stagnation et assurer une bonne circulation de l'eau.
 Lutter contre l'entartrage et la corrosion par une conception et un entretien adapté à la qualité de l'eau et aux caractéristiques de l'installation.
 Maîtriser la température de l'eau dans les installations, depuis la production et tout au long des circuits de distribution.
On remarquera donc que pour les installations solaires thermiques, il est nécessaire de mettre en place un appoint de chauffage afin de respecter la température de 60 °C dans le ballon. En effet, l’installation solaire n’est pas capable d’assurer cette température tout-au-long de l’année. Autres mesures prises afin de lutter contre la légionellose :


(A suivre) Partie:2






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