SANITAIRE
Install Magazine 956 – décembre 2018
Optimalisation de la désinfection thermique contre la Legionella
Économies d’énergie à l’aide d’un modèle de simulation
Développement de la Legionella en fonction de la température: une forte croissance entre 35 en 42°C ; au -dessus de 60°C la bactérie meurt toutefois assez rapidement.
L’effet du rinçage régulier: en rouge, la température de l’eau; en bleu, la concentration de légionelles. Lorsqu’ on augmente la température dès que la concentration dépasse les 100 UFC/l, la croissance bactérienne peut être maintenue dans des limites sûres.
Combinaison d’élévation de température avec des pics de consommation: si on fait coïncider l’augmentation de température avec le pic de consommation, le rinçage s’effectue plus efficacement, ce qui permet d’économiser de l’énergie.
Présentation schématique d’un modèle de simulation. De par l’optimalisation, des gains énergétiques sont envisageables.
Une température d’eau élevée : voici une méthode efficace pour lutter contre les légionelles dans les conduites d’eau chaude sanitaire. D’un point de vue énergétique, cela présente toutefois des inconvénientss. On maintient la plupart du temps des températures de 60°C ou plus, ce qui est clairement plus élevé que la température souhaitée de 45°C. Cela se traduit non seulement par du gaspillage énergétique et par un niveau de température élevé, mais cela complique également l’application de techniques de chauffage durables pour la production d’ECS, comme des pompes à chaleur. La question consiste donc à savoir s’il serait possible d’optimaliser le régime de désinfection, de manière à faire diminuer la consommation d’énergie tout en garantissant la santé. Elisa Van Kenhove a développé à l’UGent un tel système qui permet de réaliser de considérables économies d’énergie. Cette étude a été réalisée dans le cadre d’une bourse de doctorat de VLAIO, projet 141608.
Prévoir la croissance de légionelles
Afin de lutter contre la Legionella de manière ciblée, on doit surveiller ce qui se passe dans les conduites. Dans une première étape, Elisa Vaan Kenhove a développé un modèle de simulation. Avec ce dernier, elle se limite tout d’abord à une installation d’ECS ; l’étude avait en effet pour but d’examiner les possibilités d’économies d’énergie. En ce qui concerne les conduites d’eau froide, cela n’avait évidemment pas de raison d’être.
Le mécanisme de base de la prolifération de légionelles est simple. La bactérie est par nature présente dans l’eau et n’est pas détectable. Lorsque l’eau est à bonne température, la bactérie commence à se multiplier. La vitesse de cette prolifération dépend de la température ; la température la plus favorable est de 35-42°C. Si l’eau est toutefois trop chaude, la bactérie commence à mourir. À 60°C, 90% des bactéries meurent après une demi-heure ; à 70°C, elles meurent déjà après moins d’une minute. On peut donc se baser sur le fait que la Legionella se développera toujours, tant que l’eau restera au sein de certaines limites de température.
Mais, avec la température, on n’a cependant pas fait le tour de la question. Pour pouvoir se développer, la Legionella a besoin d’eau calme. Si l’eau est régulièrement renouvelée, les bactéries sont en effet évacuées avant de pouvoir atteindre des concentrations dangereuses. Si, toutefois, l’eau stagne suffisamment longtemps, les bactéries vont se fixer dans le biofilm sur la paroi du tube, endroit à partir duquel elles vont pouvoir coloniser le réseau de conduites. Ce dernier constitue un mécanisme important de contamination. Il y a en effet une interaction entre la stagnation et le biofilm. L’eau stagnante permet aux bactéries d’aller plus facilement de l’eau vers le biofilm. Lorsque l’eau entre à nouveau en mouvement, des petits morceaux de ce biofilm sont alors emportées vers d’autres parties de l’installation, ce qui entraînera alors la contamination d’autres conduites…
Le modèle d’Elisa Van Kenhove possède deux aspects : d’une part un aspect thermo-hydraulique, avec des débits, des vitesses de flux et des températures ; et de l’autre, un aspect biologique, avec la croissance et l’extermination de colonies de bactéries, tant dans l’eau que dans le biofilm, et avec la migration de bactéries du flux d’eau vers le biofilm, et inversement. Le modèle hydraulique tient également compte du fait que le courant peut, dans certains cas, s’inverser, sur base de réelles différences de pression. Cela permet de simuler la contamination depuis des dérivations peu utilisées vers le reste de l’installation.
Validation et résultats
Le modèle de simulation a été validé à l’aide du banc d’essai que le CSTC a construit dans le cadre d’ Instal2020. Ceci a permis de donner une explication très claire des processus biologiques qui furent mesurés. Sur base de ceci, des simulations furent réalisées afin d’aboutir à un régime de température optimal. Pour ce faire, on est parti d’une température d’eau chaude standard au point de puisage de 45°C, ce qui est suffisant pour garantir le confort en ECS. Si le modèle constate qu’il existe un risque de concentration de légionelles supérieur à 100 unités formant colonie (UFC) par litre, la température est amenée à 65°C au point de puisage, jusqu’à ce que la concentration chute à nouveau sous les 25 UFC/litre. Étant donné qu’on se base en général sur la limite de sécurité de 1.000 UFC/litre, ces concentrations restent à un niveau de risque acceptable. De cette simulation, il est ressorti que l’on pouvait atteindre une économie d’énergie d’environ 30%.
En faisant correspondre la désinfection thermique aux pics de consommation, on a ainsi pu réaliser des économies d’énergie supérieures, allant même jusqu’à 38%. Cela a toutefois conduit à des concentrations légèrement plus élevées de bactéries, jusqu’à 160 UFC/l. Cela a néanmoins permis que la désinfection thermique se déroule de manière bien plus efficace. Du fait des débits plus élevés dus aux pics de consommation, on a dû maintenir moins longtemps l’ensemble de l’installation à une température élevée afin de rincer celle-ci, tout en conservant des concentrations de bactéries très éloignées de la zone de danger.
Il s’agit à chaque fois ici des concentrations de légionelles calculées. Il n’existe pas encore de méthode pour mesurer en continu les concentrations réelles. Nous en savons toutefois suffisamment sur la biologie de ces bactéries pour réaliser des modèles fiables.
Et la pratique ?
L’étape suivante consista à analyser des installations dans la pratique, afin de permettre au modèle de calculer les possibilités d’optimalisation. Une première conclusion fut qu’il n’existe pas de solutions toutes faites. « Au début de mon enquête, j’avais pensé pouvoir aboutir à une sorte de solution standard », explique Elisa Van Kenhove. « Nous pensions ainsi à une directive pour exploitants, avec un modèle standard de température abaissée, en alternance avec des chocs thermiques. Dans la réalité, chaque installation est différente, et on doit donc appliquer un régime spécifique pour chaque cas individuel. Dans une bonne installation, avec suffisamment de débit, on peut peut-être rester dix jours dans désinfection ; dans d’autres, un cycle tous les deux jours se révèle déjà nécessaire.
Dans ce contexte, il est également utile que le modèle puisse identifier les zones à problème. L’exploitant peut ainsi identifier les mesures les plus efficaces. Peut-on se satisfaire d’appliquer un régime de température, faut-il éliminer des zones mortes, ou doit-on réduire les déperditions de chaleur en isolant les conduites ? L’analyse de l’installation apporte ici une réponse permettant d’intervenir de manière ciblée.
Facteurs de risque
La bonne nouvelle est que dans chaque cas, il y a peu de problèmes de légionelles dans une installation bien conçue. Dans une bonne installation, il est possible de réduire la plupart du temps la température au point de puisage jusqu’à 45°C, avec de temps un rinçage à 65°C.
Si cependant, ça ne marche pas, cela est dû à trois facteurs : de trop grandes déperditions thermiques, un mauvais équilibrage hydraulique et des bras morts. D’anciennes installations affichent parfois une combinaison de ces trois facteurs, ce qui peut entraîner des résultats très préoccupants. Dans un cas pratique, des concentrations de légionelles de 71.000 UFC/litre ont été mesurées, de loin supérieures à la limite de 1.000 UFC/litre. Il s’agissait dans ce cas-ci d’un vieux complexe de tours de logements qui étaient reliées à une chaufferie centrale. Bien que la température de départ, dans la chaufferie-même, était de 70°C, on atteignait à peine 36°C au point de puisage dans la tour en question. Pas mal d’énergie était effectivement perdue entre la chaufferie et la tour même, en raison d’une isolation déficiente ; et par ailleurs, l’équilibrage hydraulique paraissait sous-dimensionné, de sorte que la tour en question affichait un débit trop faible. Le mauvais équilibrage hydraulique a aussi eu pour conséquence que la température de retour à la chaufferie était plus élevée que la température de retour de la tour la moins bénéficiaire. Dans une telle situation, des interventions à l’installation se révèlent nécessaires. Aucune méthode de désinfection, qu’elle soit thermique ou chimique, ne servira à quelque chose, si l’installation n’est pas suffisamment rincée.
Il faut par ailleurs éviter les bras morts. Ceux-ci offrent un abri sûr pour les bactéries, à partir duquel la contamination peut à nouveau se répandre. Il s’agit certainement d’un point à prendre en considération en cas de rénovation ou de changements d’affectation. En général, il est conseillé de préserver au maximum la simplicité du tracé et de s’assurer que tout puisse être rincé aisément. Les rinçages manuels ou automatiques peuvent avoir une énorme influence sur la croissance bactérienne.
Applications pratiques
La prochaine étape dans le projet consiste à réaliser une série d’algorithmes sur base de ce modèle de simulation, à partir desquels il est ensuite possible de créer une commande pour installation. On doit alors uniquement introduire les propriétés de l’installation dans le régulateur, qui déterminera de manière entièrement automatique un régime de température et la fréquence des cycles de désinfection. Cela doit alors donner lieu à une solution qui soit commercialement disponible. Qu’il s’agisse d’une approche purement ‘software’, pour laquelle les fabricants de systèmes de gestion intègrent le paquet dans leurs propres commandes ou qu’il s’agisse d’un appareil distinct, tout cela doit encore être décidé. Les étapes nécessaires ont par ailleurs été franchies pour que le système puisse être reconnu comme Meilleure Technique Disponible pour la lutte contre la Legionella.
Lors de la conception du modèle, Elisa Van Kenhove pensait déjà à l’évolution ultérieure. Pour tous les paramètres, elle s’est effectivement basée sur les scénarios les plus défavorables : pour le biofilm, on a pris les plus mauvais cas connus, les données relatives à la croissance bactérienne correspondant aussi aux variantes de Legionella les plus défavorables. En résumé, il existe pas mal de facteurs de sécurité dans le système. C’est la raison pour laquelle la simulation a été conçue de façon modulaire. Si l’utilisateur du système dispose de données plus précises que les valeurs standards, il peut alors les introduire. Cela rend aussi la simulation plus pérenne. Au fur et à mesure que l’enquête conduit à une vision plus claire de la croissance et du comportement des bactéries, il est possible de mettre à jour le modèle de simulation.
L’hygiène de l’eau est trop souvent mise en contradiction avec l’économie d’énergie. Ce projet d’étude démontre que cette opposition n’a aucune raison d’être aussi aigue. Si on possède une image claire de la façon dont se comporte l’installation, cela ouvre la voie à de nombreuses possibilités d’optimalisation.
Par Alex Baumans
Graphiques: Elisa Van Kenhove (UGent)
