Bouclage ECS : dimensionnement et implantation optimisés

Par Olivier BROGGI, Responsable Efficacité Energétique GRDF

Il existe plusieurs solutions pour calculer le bouclage ECS : via des logiciels spécialisés ou bien via les feuilles de calcul Excel « maison » souvent utilisées par les bureaux d’études. Pour mieux comprendre le dimensionnement, nous vous proposons de parcourir le calcul théorique d’un bouclage ECS.

Bâtiment étudié pour un calcul optimisé de la boucle d’ECS

L’immeuble étudié est une résidence pour personnes âgées en R+3, composée de petits logements.

Emplacement de la chaufferie (A) et des départs verticaux des 3 colonnes

Les ronds rouges représentent les départs verticaux des trois colonnes de ce bâtiment.

Plan du bâtiment avec la représentation des colonnes (points rouges)

Chaque colonne dessert 4 ou 6 logements de type T1, T2 ou T3.

Dimensionnement du réseau aller boucle ECS

Pour commencer, il faut évaluer le besoin d’ECS, pallier par pallier.

Zoom sur un bloc de 4 appartements.

Qu’il soit de type T1, T2 ou T3, chaque appartement est équipé d’une douche, d’un lavabo et d’un évier de cuisine.

En habitat collectif, les débits de chaque appartement sont déterminés à partir des indications du DTU 60.11 en fonction du nombre d’équipements (lavabo, baignoire, douche, WC, lave-vaisselle, lave-linge,…).

La démarche consiste à sommer les débits pour chaque équipement et à appliquer un coefficient de simultanéité noté « S » qui permet de réduire le débit total en considérant que les points d’eau ne sont jamais utilisés simultanément.

où x est le nombre d’appareil.

Nous obtenons par appartement un débit de 0,6 l/s car nous avons 3 appareils.

A chaque pallier (pour un bloc de 4 logements), nous desservons donc en ECS 12 appareils pour un débit de 2,4 l/s.

La colonne B peut être schématisée de la façon suivante.

Dénomination des tronçons de la colonne B

Nous nommons ainsi chaque tronçon de la colonne.

Grâce au coefficient de simultanéité, nous connaitrons le débit probable de chacun des tronçons.

Dans les DTU 60.11 et 60.1, les vitesses maximales recommandées sont de :

• 2 m/s dans les tuyauteries en sous-sol et en vide sanitaire,
• 1,5 m/s dans les colonnes montantes,
• 1 m/s dans les branchements d’étages et d’appareils pour un débit supérieur à 0,5 l/s.

Avec le débit probable du tronçon et la vitesse limite de chaque tronçon, nous pouvons calculer une surface limite et donc un diamètre limite de canalisation à mettre en place par les formules :

Restera ensuite à déterminer le diamètre nominal de la canalisation à mettre en œuvre.

Les tableaux suivants permettent de déterminer directement le diamètre en fonction de la vitesse choisie et du débit probable calculé pour différents matériaux. Le choix se porte sur le diamètre le plus élevé.

Diamètre du tube en acier galvanisé en fonction de la vitesse et du débit

Diamètre du tube en cuivre en fonction de la vitesse et du débit

Diamètre du tube en PVC en fonction de la vitesse et du débit

Voici ce que cela donne pour la colonne B de ce bâtiment en faisant le choix d’une distribution en acier galvanisé.

Dimensionnement de la colonne B

Et pour l’ensemble de l’immeuble : Dimensionnement du réseau aller boucle ECS

Dimensionnement du réseau aller boucle ECS

Dimensionnement des réseaux retour de la boucle ECS

2 critères déterminent les réseaux de retour :

• Une température toujours supérieure à 50°C en tout point de la boucle.
• Une vitesse minimum de circulation de 0,2 m/s pour éviter le dépôt de biofilm sur la canalisation.

Diamètre et débits des canalisations de retour

Les diamètres sont donc les plus petits possibles.

Pour la colonne B, le choix d’un DN15 traversé par 150 litre/h sera retenu.

Idem pour les colonnes C et D.

Horizontalement le tronçon :

• BC : recevra un débit de 150 l/h (provenant de la colonne B), il sera donc en DN15.
• CD : recevra 300 l/h (150 de BC et 150 de la colonne C), il sera donc en DN20.
• DA : recevra 450 l/h (300 de CD et 150 de la colonne D), il sera donc en DN25.

Définition de la nature de l’isolation mise en place

Perte thermique des isolants en fonction des caractéristiques des canalisations

Prenons un exemple pour bien comprendre ce tableau : un tube en acier galvanisé avec un isolation de 25 mm de mousse de caoutchouc synthétique donnera un coefficient de perte thermique de :

• 0,2 W/m.K pour un DN15
• 0,26 W/m.K pour un DN25

Connaissant :

• La nature du tuyau (diamètre et isolant)
• Sa longueur
• La température d’entrée dans chaque tronçon
• La température ambiante autour du tronçon (10°C en sous-sol, 20°C dans les étages)

Nous pouvons en déduire la puissance déperditive du tronçon : P = λ*longueur tronçon * (Tentrée-Tambiante)(* 1,2)

Une majoration de 20% pour toute la robinetterie et autres accessoires non isolés pourra être prise en compte.

Donc la variation de température de l’eau dans ce tronçon :

ΔT du fluide = P / (1,16*Q) vu que P = 1,16*Q* ΔT

Avec :

• 1,16 : quantité d’énergie pour élever 1 litre d’eau de 1°C
• Q : débit de l’eau chaude en litre/heure
• ΔT : écart de température du fluide (°C)

Connaissant le ΔT du fluide, nous pouvons en déduire la température de sortie de ce tronçon et ainsi passer au tronçon suivant. On vérifie à chaque tronçon que la température est bien supérieure à 50°C.

La température de sortie du tronçon devient la température d’entrée du tronçon suivant et ainsi de suite.

Nous pouvons ainsi déterminer tout notre bouclage.

Dimensionnement du bouclage ECS de notre exemple

Dimensionnement de tous les tronçons du bouclage ECS de notre exemple
Où R_B, R_C et R_D désignent les retours respectif des colonnes B, C et D

Nous obtenons donc un bouclage de 167 m :

• ayant une puissance de déperdition de 1668 W soit 1,7 kW en sommant la colonne puissance
• ayant un ΔT global de 3,20°C  (5551,8)

Si, sur un tronçon, la température devient inférieure à 50°C, deux possibilités s’offrent à nous :

• Augmenter la température de départ. De 55°C à 56°C et ainsi de suite.
• Augmenter le débit dans le bouclage en passant de 150 à 200 litres/h dans chaque retour.

Pour aller plus loin pour une boucle d’ECS davantage optimisé

Impact de l’implantation de la chaufferie pour le bouclage ECS

Le bouclage ECS est présenté sur le plan ci-dessus et la chaufferie gaz est implantée en A.

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Bouclage ECS : optimisation des pertes de bouclage en utilisant des accumulateurs gaz

Implantation d’un accumulateur gaz par étage

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