SANITAIRE
Install Magazine 957 – février 2019

Rinçages hygiéniques, très certainement, mais…

À quelle fréquence, à quelle température, et quels coûts cela engendre-t-il ?

Un certain nombre de conditions doivent être respectées pour faire fonctionner correctement une installation d’eau potable. Les utilisateurs, concepteurs et installateurs doivent ainsi prendre les mesures adaptées pour éviter la stagnation, et ainsi s’assurer que les températures restent au sein de zones de sécurité. Les systèmes de rinçage automatiques constituent une méthode efficace pour surveiller la qualité de l’eau. Lors de la conception d’une installation de distribution, il est toutefois important d’analyser les fonctions et les valeurs de consigne afin d’aboutir à un système adapté.

Un contrôle et un entretien réguliers sont des conditions nécessaires au bon fonctionnement d’une installation d’eau potable. Il existe des tas de directives sur la durée maximale des périodes de stagnation et sur les limites de température. Si on ne respecte pas celles-ci, cela peut entraîner une prolifération bactérienne, avec des maladies potentielles à la clé pour les utilisateurs. Et dans ce cas, l’installation doit alors être arrêtée.

Si on observe un phénomène de stagnation dans l’installation, par ex. parce que des parties du bâtiment ne sont pas –ou peu- utilisées durant certaines périodes de l’année. On voit à ce titre de plus en plus de systèmes automatiques apparaître, qui permettent d’éviter la stagnation tout en garantissant que les températures restent au sein de certaines limites. Un réglage correct des paramètres de fonctionnement est nécessaire pour garantir un fonctionnement économique sans risques pour la santé.

On peut pour ce faire se baser sur des valeurs de référence déterminant la durée pendant laquelle des parties de l’installation déterminées peuvent rester hors service. Selon la norme allemande DIN 1988-200 2012-05, les installations d’eau potable ne peuvent pas rester hors service plus de sept jours, après quoi elle présentent des risques pour la santé. La directive VDI/FVGW 6023 est encore plus sévère et parle d’un arrêt maximal de trois jours. La qualité de l’eau n’en souffrant pas, cette période peut être prolongée à sept jours. Pour garantir l’hygiène, un rinçage régulier est en tout cas nécessaires.

Exigences d’exécution pour les rinçages hygiéniques

Dans un projet d’étude de la haute école FH Münster, des paramètres pour rinçages automatiques ont été déterminés, avec une attention portée à la fois sur l’hygiène et sur l’usage économique de l’eau. Le but est d’assurer un écoulement turbulent, de manière à ce que tous les côtés et tous les coins de l’installation soient effectivement rincés. Ensuite, le calcul du volume de rinçage se révèle très important, afin de garantir que le contenu en eau complet soit renouvelé. Si le rinçage dure trop longtemps, les coûts vont augmenter en raison de la consommation d’eau, et l’usure de l’installation de rinçage va augmenter ; inversement, avec des durées de rinçage trop courtes, il n’est pas certain que toute l’eau de l’installation soit renouvelée.

Pour déterminer des valeurs de références, on a établi un modèle de calcul sur base d’une chambre d’hôpital. À l’aide de celui-ci, on a calculé des volumes de rinçage pour les cas de ‘stagnation’ et de ‘changement de température non souhaité’. Dans ce bâtiment témoin, on a étudié une conduite d’alimentation en eau froide de 20 m avec un contenu de 2,69 l placée dans le faux plafond. Initialement, on a juste observé de la stagnation, sans tenir compte du réchauffement. Dans une étude ultérieure, on a toutefois remarqué qu’il y avait un effet de réchauffement continu sur la conduite, en raison des gains thermiques dus aux systèmes d’éclairage, à l’électronique, mais aussi aux conduites d’eau chaude pour le chauffage et la production d’ECS. Dans quelle mesure ce dernier serait-il influencé dans son fonctionnement par des méthodes d’installation classiques ? Pour le savoir, la vitesse de réchauffement a été déterminée pour diverses températures ambiantes. Une conduite d’eau chaude a également été dessinée, sans raccordement à une conduite de circulation ; celle-ci a été utilisée pour le calcul des déperditions thermiques. Le dimensionnement et le tracé du modèle sont typiques de la pratique quotidienne et décrivent une installation représentative. Sur base de ces données, nous pouvons décider que les critères suivants sont importants pour le fonctionnement correct d’une installation :

Courant turbulent durant le rinçage
Longueur et contenance de la conduite d’eau, ainsi que l’épaisseur de paroi et l’isolation
Les températures ambiantes qui influent sur le tube.

Calculs pour déterminer les paramètres de fonctionnement

Lors du calcul du temps de rinçage minimal en cas de stagnation, deux variantes sont envisageables. La première variante utilise les valeurs de DIN 1988-300 est uniquement d’application lorsque les propriétés de l’installation ne sont pas connues. Il s’agit en effet ici de valeurs standards, dont on s’écarte souvent dans la pratique. Après une estimation du contenu de la conduite, on calcule la durée de rinçage à l’aide de la formule 1.

Formule 1

Dans laquelle :

t = durée de rinçage en secondes

V = contenu de la conduite en litre

V_R = débit standard selon DIN 1988-300 en l/s

Lorsque les propriétés de l’installation sont connues, on peut appliquer la deuxième variante. La durée de rinçage est alors calculée à l’aide de la longueur de conduite et de la vitesse de courant moyenne.

Formule 2

Dans laquelle:

t = durée de rinçage en secondes

l = longueur de la conduite en m

c = débit moyen en l/s

La durée de rinçage pour une longueur de conduite donnée dépend également du diamètre et du débit. Si on compare les deux variantes dans le modèle de calcul, cela donne lieu à une connaissance plus précise des paramètres d’installation jusqu’à l’obtention d’un rinçage hygiénique plus économique. Dans la première variante, un rinçage dure effectivement 38 secondes; dans la seconde, cette durée chute à 8 secondes. Selon cette comparaison, rincer selon la variante 1 entraînerait une surconsommation de 1.205 litres par an, en se basant sur un renouvellement de l’eau tous les trois jours.

En cas de risque de variations de température indésirables, un calcul plus étendu se révèle nécessaire. On doit alors notamment constater à quel moment la température de l’eau passe sous ou au-dessus de la valeur limite. On part ici du constat que la température d’eau froide ne peut pas dépasser 25°C, et que la température d’eau chaude à la sortie du chauffe-eau ne peut pas descendre sous les 60°C. Cette température peut dès lors chuter d’à peine 5 K dans la conduite de circulation.

Si on constate maintenant un phénomène de stagnation, celui-ci peut alors entraîner un changement dans la température. Se pose alors la question du moment à partir duquel les limites mentionnées ci-dessus vont être franchies. Pour ce calcul, on part des hypothèses suivantes : outre des propriétés constantes de l’eau et des matériaux, on présuppose aussi un flux thermique continu. On se base par ailleurs sur des températures ambiantes constantes de 25, 30 et 35°C pour examiner l’effet des diverses dimensions de l’alimentation de chaleur sur la vitesse de réchauffement. Une analyse des flux thermiques a conduit à une comparaison permettant de déterminer la vitesse du processus de réchauffement.

Formule 3

Pour le réchauffement de l’eau, on peut transformer cette formule en :

Formule 4

Le refroidissement de cette conduite est calculée par :

Formule 5

Dans laquelle :

θ_mod: Température de l’eau modifiée en °Celsius

θ∞: Température ambiante en °Celsius

θ_PWC: Température d’eau froide en °Celsius

θ_PWH: Température d’eau chaude en °Celsius

t_P= durée du processus en secondes

C: Constante globale des capacités thermiques

k: Coefficient de transmission de chaleur en W/m²K

A: Surface de l’échange de chaleur en m²

Dans les formules 4 et 5, on considère la durée du processus comme une dimension variable permettant d’exprimer l’évolution de la température. C’est dans ce contexte qu’est introduit le paramètre θ_mod destiné à décrire le dépassement de température. Avec tous ces éléments, il est possible, à l’aide de tableaux et de graphiques, de déterminer l’ensemble des paramètres relatifs au changement de température. De l’évolution de la température, nous pouvons alors tirer des conclusions pour les valeurs de consignes d’un rinçage automatique. Nous pouvons ainsi calculer quand les limites de températures autorisées sont dépassées, et quand l’eau a adopté la température ambiante. La figure 2 montre l’évolution de la température de l’eau froide dans les différents diamètres de tube dans un environnement chaud.

Pour ce qui est de l’installation témoin, nous observons que la limite de 25°C est dépassée après 1 heure et 19 minutes. Après 9 heures et 32 minutes, l’eau a atteint la température ambiante de 30°C. La conclusion est que l’eau se réchauffe clairement trop rapidement par rapport à la fréquence d’ ajouts d’eau froide destinés aux rinçages anti-stagnation. Les germes pathogènes, comme la Legionella, ont ainsi la possibilité de se développer. Entre deux rinçages, une contamination risque ainsi de se créer, avec à la clé de graves affections pulmonaires. Pour garantir la température de l’eau, il convient donc d’opérer à des rinçages plus fréquents que lorsqu’on voulait simplement éviter toute stagnation.

Pour calculer le volume de rinçage exigé théorique, on utilise l’équation d’état de mélanges de Richman. Celui-ci nous donne une courbe de refroidissement avec laquelle nous pouvons déduire le volume de rinçage. On peut distinguer ici au moins deux processus de refroidissement. Dans la première variante, on s’efforce d’atteindre à nouveau la température d’eau froide de départ au moyen du rinçage. Ceci est un cas théorique idéal rarement atteint dans la pratique. C’est pourquoi, dans le reste de cette étude, nous allons nous baser sur un refroidissement jusqu’à 16°C. Dans la deuxième variante, la température est n’est abaissée que de quelques degrés. On s’efforce ici d’arriver à une température de 20°C, ce qui est encore suffisamment bas pour répondre aux exigences relatives à l’eau froide.

La figure 3 montre la courbe de refroidissement pour la variante 1 de 30 à 16°C, en fonction du rinçage. Si on suit la ligne rouge de la gauche vers la droite, les points d’intersection donnent alors les valeurs exigées. On peut également utiliser d’autres vitesses de flux, qui donneront lieu à une courbe plus plate ou plus raide. Dans la mesure où une phase de refroidissement est normalement à nouveau suivie d’une phase de réchauffement, nous pouvons établir un profil de température pour l’installation témoin. La figure 4 montre une telle évolution sur 24 heures, au cours de laquelle il n’y a pas de puisage d’eau, mais seulement un rinçage régulier pour abaisser la température. Nous observons ici que le rinçage automatique se met régulièrement en marche pour abaisser la température à 20°C, selon la variante de rinçage 2.

Une comparaison entre les deux variantes démontre qu’on a besoin de moins de cycles de rinçage pour atteindre de basses températures, mais qu’on a par contre besoin de plus grands volumes de rinçage. Pour notre installation témoin, nous aboutissons aux chiffres repris dans le tableau 1, ce qui permet aussi de clarifier directement la différence de coût.

Recommandations pratiques

Pour garantir la qualité de l’eau potable, on doit tenir compte des paramètres ‘température’ et ‘intervalle de temps’. Lors du choix du système, on doit être conscient du but que l’on veut atteindre. Les systèmes d’adaptation, par exemple pour le rinçage de WC, ont des limites techniques et peuvent uniquement garantir un rinçage hygiénique périodique. Les températures ne sont pas mesurées ; le rinçage s’effectue après une certaine période. Dans d’autres configurations également, on doit faire attention à ce que le rinçage n’entraîne pas de coûts inutilement élevés. Lorsque les problèmes dans une installation d’eau potable ont trait aux températures, on doit alors s’assurer que ces températures puissent être mesurées, et que le rinçage s’effectue en fonction de cela. Dans de tels systèmes, la température au point de puisage lors d’un rinçage est évaluée de manière diverse selon les différents fabricants. En fonction de la température du système, on peut choisir une valeur déterminée pour la température de l’eau au point de puisage, de sorte que les coûts restent au sein des limites fixées. Rincer plus souvent avec de plus petits volumes permet un fonctionnement plus économique. Rincer moins souvent mais avec de plus grands volumes pour atteindre de basses températures d’eau, se traduit alors à nouveau par des coûts plus élevés.

La position du système de rinçage dans l’installation est également importante. Lors de la conception, on peut opter pour une boucle ou pour un dispositif en série. L’avantage d’un dispositif en série est que toutes les parties de la conduite sont rincées, à chaque fois que le point de puisage situé à la fin de la série est utilisé. Il peut dès lors s’agir d’un point de puisage fréquemment utilisé ou d’un système de rinçage automatique. Dans le cas d’une boucle, la position respective des utilisateurs ou des points de puisage n’a pas d’influence. En raison de la circulation constante, la stagnation reste limitée à un strict minimum. La figure 5 démontre qu’un dispositif en série peut entraîner des coûts supplémentaires (cas supérieur). Les entreprises d’installation doivent donc en tenir compte lors de la conception.

On ne doit pas non plus oublier qu’un système de rinçage situé à la fin d’une conduite assure essentiellement un rinçage dans la dérivation en question. Dans le cas d’installations construites horizontalement, un système de rinçage correctement placé peut également garantir un renouvellement suffisant de l’eau. Des installations verticales exigent une autre approche, en fonction de la position et de la fréquence d’utilisation des points de puisage. Si, par exemple, on installe un système de rinçage à la fin d’une colonne montante, le renouvellement de l’eau est assuré dans la majeure partie de l’installation, sans pour cela avoir d’effet sur les points de puisage distincts. Une boucle, par contre (Figure 5 en-dessous), à laquelle tous les points de puisage sont raccordés et reliés à la colonne montante, garantit qu’en cas de rinçage, l’eau soit renouvelée dans toutes les parties de l’installation.

Conclusion

Un usage économiquement responsable des systèmes de rinçage présuppose une connaissance détaillée de l’installation en question. Tous les facteurs qui peuvent causer une stagnation ou un changement de température doivent être connus. À partir de cette vision globale, on peut alors trouver des solutions adaptées pour une hygiène irréprochable et un fonctionnement économique. De cette étude, il ressort que la volonté d’obtenir des températures d’eau froide aussi basses que possible, conduit à du gaspillage d’eau. De telles températures, aussi basses, ne sont par ailleurs nullement conseillées ; une baisse de quelques degrés suffit.

Les conduites d’eau chaude qui ne sont pas directement reliées aux conduites de circulation, mais qui sont fréquemment rincées, ont également intérêt à bénéficier d’un régime de température sans variations trop importantes. Des rinçages fréquents avec de faibles différences de température constituent une manière plus responsable de travailler, dans la mesure où la consommation de l’eau reste limitée. Si on fait en sorte que l’eau soit suffisamment renouvelée au niveau de tous les points de puisage, moins de rinçages anti-stagnation se révèlent alors nécessaires.

Durant la phase de conception, on doit veiller à ce que le système de rinçage soit bien adapté à l’installation en question et que les réglages de rinçage correspondent bien à l’utilisation du bâtiment. Il est conseillé d’intégrer de tels paramètres dans le software de conception, de manière à disposer dès le stade de la planification de suffisamment d’informations pour trouver rapidement un système de rinçage adapté. Les formules dans cet article constituent une première base pour élaborer des tableaux qui puissent aider à la sélection d’un système.

Par Christian Röser (FH Münster)

Illustrations: FH Münster