SANITAIRE
Install Magazine 955 – novembre 2018

Conception optimale d’installations collectives de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire

Résultats du projet Instal 2020

Instal 2020 est un projet du VIS (Vlaams Innovatie Samenwerkingsverband) qui a été accompli avec divers partenaires issus de ce secteur d’activité et du monde académique, et qui a été mené avec le soutien du Vlaio. S’inscrivant dans le prolongement d’un projet Tetra antérieur portant sur la production d’eau chaude sanitaire, Instal 2020 porte sur les installations collectives. Ce projet visait d’une part à déterminer s’il est préférable d’opter pour des installations centralisées ou décentralisées de chauffage et de production d’eau chaude et d’autre part à développer une méthode de dimensionnement pertinente. Par ailleurs, les chercheurs ont également accordé une attention particulière à la prévention de la légionellose, dans le souci de trouver un équilibre optimal entre hygiène et économie d’énergie. Le projet considéré a pris fin en septembre et les résultats ont été présentés lors d’un événement de clôture.

Soutenu par le secteur

Mené de 2014 à 2018, le projet Instal 2020 réunissait aussi bien des partenaires appartenant au monde scientifique, plus précisément le CSTC (demandeur principal), Thomas More KCE et l’UAntwerpen-EMIB, que bon nombre d’entreprises et d’associations du secteur CVC (Atic, Techlink et Bouwunie). Étape ultérieure au projet Tetra consacré à la production d’eau chaude sanitaire, Instal 2020 avait pour objectif de déterminer des critères de conception pratiques à l’intention des installateurs, mais aussi d’autres acteurs du secteur CVC tels que les grossistes, fabricants ou bureaux d’études.

Ce projet mettait l’accent sur les installations mixtes de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire. Question fondamentale : dans quelles circonstances est-il plus judicieux de travailler avec une installation centralisée, composée d’une chaufferie centrale et d’une série de stations résidentielles (dispositifs de distribution), reliées par une boucle de circulation commune et dans quelles conditions est-il préférable d’opter pour des appareils individuels ? D’autres questions découlent de cette interrogation première. Exemple : dans quelle mesure l’introduction d’une énergie durable s’impose-t-elle pour améliorer le bilan énergétique total ? Les chercheurs se sont également penchés sur l’expérience de confort. Dans la mesure où il s’agit d’eau chaude sanitaire, on ne peut pas se cantonner à une analyse des aspects énergétiques, il faut également étudier le volet hygiénique et la prévention de la légionellose en particulier. Le nécessaire maintien permanent de températures élevées en alternance ou non avec une désinfection thermique est en effet en contradiction avec tout effort de réduction des températures dans le but d’atteindre une efficacité énergétique maximale.

Sur la base de toutes ces données, les chercheurs entendaient élaborer une méthode de dimensionnement des boucles de circulation communes. En effet, la recherche néglige toujours quelque peu le dimensionnement des installations mixtes. L’étude des déperditions de chaleur, du confort thermique et du dimensionnement des installations de chauffage n’a pas encore livré tous ses secrets. Par ailleurs, on dispose de données relatives à la consommation d’eau chaude sanitaire. Toutefois, les chercheurs ont beaucoup moins étudié les modalités de conception d’une installation mixte. Les raisons de ce manque d’intérêt sont historiques. Dans un immeuble d’habitation traditionnel, la consommation d’énergie imputable au chauffage est beaucoup plus élevée que celle inhérente à la production d’eau chaude sanitaire. Étant donné que l’installation de chauffage central montée dans un immeuble d’habitation de cette nature fonctionnait à des températures élevées, il ne fallait tenir compte que des besoins en chauffage lors du dimensionnement de l’installation. On pouvait partir du principe que la capacité de l’installation serait toujours suffisante pour répondre aux besoins en eau chaude sanitaire. Dans les habitations à faible consommation d’énergie, il en va tout autrement. Non seulement la puissance de pointe est très inférieure, mais les installations montées fonctionnent à des températures réduites. Cela signifie que les exigences en matière de production d’eau chaude sanitaire pèseront davantage dans la conception d’une installation.

Simulations et essais

Les chercheurs se sont livrés à une analyse comparative des différents types d’installation sur la base d’une simulation dynamique complétée de mesures en laboratoire des performances des dispositifs de distribution. S’agissant des besoins en chauffage et en eau chaude sanitaire, les chercheurs ont eu recours aux profils de prélèvement du projet Tetra portant sur l’eau chaude sanitaire. Ces éléments livrent un profil mixte alliant présence (et partant, demande de chaleur) et consommation d’eau chaude. Si les chercheurs ont délibérément opté pour une méthode de simulations validées, c’est parce qu’elle permettait de vérifier sans difficulté l’évolution de la situation lorsque l’on modifie un paramètre sans toucher aux autres éléments.

Ces simulations ont révélé qu’à partir de 18 appartements, le bilan énergétique d’une installation à boucle de circulation commune était comparable à celui d’une série de chaudières individuelles. À cet égard, la longueur des conduites joue un rôle déterminant. Le fait que les appartements soient regroupés dans le même immeuble ou dans des blocs séparés n’est pas sans importance. L’emplacement des conduites dans l’immeuble considéré (au sein ou non du volume protégé ou d’un puits ventilé) exerce aussi une influence non négligeable. Toutefois, pour les appartements modernes et compactes, on peut avancer que la boucle de circulation commune constitue une alternative intéressante sur le plan énergétique. Lors de la sélection d’une installation centralisée ou décentralisée, d’autres facteurs tels que le prix, la maintenance, la sécurité incendie ou encore le potentiel d’intégration d’énergies renouvelables ne manqueront pas d’influer sur la décision.

Qu’en est-il de la légionellose ?

Depuis la manifestation de plusieurs cas sérieux de contamination par Legionella à la fin des années 90, la prévention de cette bactérie est devenue une priorité lors de la conception d’installations de production d’eau chaude sanitaire. La désinfection thermique constitue la méthode de lutte la plus efficace contre la bactérie. Cette méthode de désinfection s’oppose frontalement à l’impératif de sobriété énergétique. C’est pourquoi le CSTC a construit un banc d’essai afin d’étudier les modalités de réalisation d’un dispositif efficace de prévention de la légionellose dont la consommation d’énergie soit la plus faible possible. Ce banc d’essai se composait d’une colonne de circulation de 18 m de haut alimentée par un chauffe-eau de 200 litres. Cette installation allait subir à plusieurs reprises une contamination isolée par Legionella. Lors de cet essai, les chercheurs avaient simulé le profil de prélèvement d’une famille vivant dans une habitation équipée d’une salle de bains et d’une cuisine situées respectivement au-dessus et au-dessous de l’installation. Le chauffe-eau de production d’eau chaude sanitaire était alimenté en eau pure, sans faire subir aucune contamination supplémentaire à l’installation. Régime des températures appliqué : 45 °C accompagné de chocs thermiques de 60 et de 65 °C. En outre, la formation d’un biofilm faisait l’objet d’une surveillance.

Première conclusion : il faut éviter les foyers bactériens. En effet, il s’est avéré que, lors des essais, la bactérie s’était nichée dans le vase d’expansion à partir duquel elle avait rapidement recolonisé l’installation après chaque choc thermique. Même l’application quotidienne de chocs thermiques de 70 °C n’avait pas suffi à contenir la contamination. Pour y remédier, il s’est avéré indispensable de monter le vase d’expansion du côté chaud de la colonne de circulation. Ce montage a vraisemblablement un impact défavorable sur la durée de vie utile du vase d’expansion, mais cet inconvénient est négligeable au regard de la diminution des risques sanitaires.

Conclusion générale : une augmentation hebdomadaire de la température portant celle-ci à 65 °C pendant 24 heures, alliée à une consommation normale pour prévenir toute stagnation dans les conduites de prélèvement est suffisante pour maîtriser le risque de prolifération bactérienne. En revanche, les chocs thermiques de 60 °C se sont avérés inefficaces. Comme nous en avons déjà fait état, l’installation doit être ainsi conçue que Legionella ne parvienne pas à se soustraire à la désinfection thermique : aucun élément de l’installation ne doit échapper à son rinçage.

Cependant, les résultats obtenus sur ce dispositif d’essai ne sont pas applicables tels quels à d’autres installations. Dans le souci de soutenir les concepteurs, les chercheurs ont élaboré un modèle de simulation qu’ils ont validé au moyen du dispositif d’essai et à la lumière de mesures in situ. Ce modèle de simulation permet aux concepteurs et utilisateurs de d’établir un programme de désinfection et un régime de températures adaptés. Les mesures in situ ont surtout confirmé l’importance que revêtent une isolation satisfaisante de la tuyauterie et une régulation hydraulique adéquate. Pour lutter efficacement contre Legionella, il ne suffit pas d’amener le chauffe-eau à une température élevée ; il faut aussi que la température et le débit relevés au niveau de chaque élément constitutif de l’installation soient suffisamment élevés. Dans la pratique, nombre d’installations contreviennent à ce principe. Si les occupants se plaignent de températures trop basses de l’eau chaude sanitaire au sein d’une installation caractérisée par une colonne de circulation centrale, cela signifie qu’outre un problème de confort, l’installation concernée présente un risque pour la santé.

Résultats concrets

Le projet Instal 2020 visait en définitive à concevoir des instruments pratiques à l’intention des installateurs. Ainsi, ce projet a permis d’établir une série de fiches techniques portant sur divers composants d’une installation (chaudières à condensation, chauffage par le sol, pompes à chaleur, etc.) et énonçant le principe de fonctionnement, les possibilités d’application, les critères de conception et diverses règles de calcul. Une fiche spécifique a été spécialement établie pour les dispositifs de distribution et les installations dotées d’une boucle de circulation.

Les chercheurs ont également œuvré à l’élaboration d’un guide d’installation en ligne qui renvoie au concept le mieux adapté dans telle ou telle situation. En outre, l’utilisateur est à même d’accorder une priorité aux différents paramètres (coût total, frais d’installation, sécurité, etc.). Les besoins énergétiques de l’installation de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire sont déterminés sur la base des données relatives aux PEB. Le système propose dès lors un certain nombre de concepts en mentionnant systématiquement la note qu’ils obtiennent par rapport aux critères de sélection retenus. Selon toute probabilité, cet instrument devrait être opérationnel au début de l’année prochaine.

Les chercheurs se sont également penchés sur les règles de calcul et les prescriptions de dimensionnement des installations de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire. Leurs travaux ont révélé, entre autres, que les valeurs mesurées étaient en accord avec la norme DIN 1988-300 régissant le dimensionnement des installations de production d’eau chaude sanitaire. Dès lors, ces derniers ont adapté l’outil de dimensionnement élaboré dans le cadre du projet Tetra ECS afin d’en tenir compte. De plus, il convient de rappeler l’existence de feuilles de calcul consacrées au dimensionnement des vases d’expansion sanitaires et d’une installation de chauffage conformes à la norme EN 12831-3.

Dans ce contexte, le confort d’utilisation pratique pour l’installateur revêt toujours une importance primordiale. En définitive, ce projet doit contribuer à une meilleure pratique quotidienne. Pour en savoir plus, consultez le site Web du projet.

Par Alex Baumans

Graphiques: Instal 2020