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Bouclage des réseaux d’ECS : un impératif énergétique et sanitaire

Stabicad pour AutoCAD et Revit dispose d’un outil puissant de calcul des réseaux sanitaires, notamment du bouclage du circuit d’eau chaude sanitaire. Il est cependant important de bien connaître l’intérêt de ce montage hydraulique, des principes fondamentaux qui sont intégrés au logiciel et qui participent à la qualité de la conception.

Le bouclage des réseaux de distribution d’eau chaude sanitaire est obligatoire dans tous les bâtiments de logements collectifs et d’activités tertiaires, sportives, de loisir ou de santé… Si cela est aujourd’hui largement partagé, il est important de rappeler les buts de cette circulation permanente de l’ECS et de son maintien en température.

En premier lieu, le bouclage garantit l’hygiène de l’eau en évitant la prolifération de micro-organismes dangereux pour la santé humaine. On pense aux légionelles et à la maladie respiratoire que provoquent ces bactéries, la légionellose. Toujours à plus de 50 °C, l’eau chaude stoppe le développement des bactéries, ce qui favorise le traitement de ce problème de santé publique.

En second lieu, le bouclage assure le confort d’utilisation du système sanitaire en réduisant le temps d’attente de l’eau chaude au robinet. Il faut garder à l’esprit que l’exigence des usagers est élevée : un taux de satisfaction de 90 % s’obtient avec un délai d’attente maximal au robinet de 5 secondes. À 10 secondes, ce taux n’est plus que de 60 %, et à 11 secondes, il s’effondre à 40 %…

Revers de la médaille : le bouclage des réseaux d’ECS est consommateur d’énergie. C’est la raison pour laquelle, par conception et choix de ses composants, l’installation hydraulique doit permettre de maîtriser les pertes thermiques du circuit de distribution et les consommations globales pour la production d’ECS. Un véritable défi pour les ingénieurs des bureaux d’études « fluides et énergie » que le logiciel Stabicad de Trimble traite de manière rigoureuse.

Dimensionner le circuit

Les utilisateurs de Stabicad pour Revit procèdent par étapes pour traiter leurs réseaux bouclés. D’abord, ils conçoivent l’installation de production d’eau chaude – une chaudière, un ballon, un chauffe-eau thermodynamique, un échangeur de chaleur à plaques… –, puis positionnent les points de puisage – éviers, lavabos, douches, baignoires, WC… –, et dessinent les réseaux d’alimentation d’eau chaude et d’eau froide ainsi que le circuit de bouclage de l’eau chaude.

Ensuite, d’un clic pour lancer l’analyse du schéma, Stabicad procède au calcul complet de l’installation ; le logiciel respecte la norme NF DTU 60.11 sur les règles de calcul des réseaux d’alimentation d’eau froide et chaude et sur la conception et le dimensionnement des réseaux bouclés.

À l’issue de ce traitement, l’ingénieur dispose d’une note décrivant son réseau intégralement dimensionné et équipé : diamètres des canalisations par tronçons, isolation adaptée aux déperditions – sur la base de la norme NF 12828 qui définit les six classes d’isolation disponibles –, positionnement et réglage des vannes d’équilibrages, caractéristique de la pompe de circulation, indication de la puissance thermique nécessaire à la fourniture d’ECS et au circuit de retour, puissance du réchauffeur de boucle…

Concevoir de réseau d’alimentation

Stabicad exécute ces calculs de manière automatique. Mais, en raison de l’importance de la conception initiale du bouclage ECS pour la bonne exploitation de l’ouvrage, il est important de revenir sur les phases de ce travail précis d’ingénierie et sur ses fondamentaux pour bien en comprendre tous les aspects.

Ce dimensionnement commence par le calcul du circuit d’alimentation. Ce « réseau aller » va du point de production de l’eau chaude sanitaire en direction des points de puisage des différentes colonnes montantes ou boucles horizontales.

Le concepteur du schéma hydraulique suit quelques règles pour produire une installation maîtrisable en termes énergétiques, sanitaires et de confort d’usage :

1. privilégier une architecture réduisant les longueurs de réseaux et les pertes thermiques ;

2. retenir les diamètres de canalisations strictement adaptés aux débits (au maximum 2 m/s, de préférence 1,5 m/s) et aux pressions (au minimum 1 bar) aux robinets ;

3. isoler intégralement les canalisations, les équipements et les points singuliers (circulateurs, vannes, échangeurs, colliers de fixation…) avec des matériaux efficaces et épais.

Réaliser un calcul réaliste

Ce calcul du réseau d’alimentation des points de puisage repose sur le découpage des colonnes verticales ou boucles horizontales en tronçons élémentaires, c’est-à-dire en canalisations d’un piquage à l’autre ; c’est ce qui apparaît clairement dans la note de calcul finale produite par Stabicad.

Concrètement, cette opération comprend :

— le calcul du total des débits par addition de ceux de chaque tronçon – ils tiennent compte des appareils installés (éviers, WC, lavabos, baignoires…), des pertes de charges produites par l’installation (pertes linéiques liées aux canalisations, coudes, vannes, compteurs, échangeurs…) ;

— l’application d’un coefficient de simultanéité sur le tronçon pour déterminer les débits maximaux probables. Ce calcul du foisonnement assure que l’ouverture de plusieurs robinets d’un logement en même temps sera sans effet notable sur le confort d’usage – qu’il s’agisse de la température, du débit, de la pression. À noter que le coefficient de simultanéité diffère selon l’usage du bâtiment : logement, santé, vestiaire d’équipements sportifs, école… ;

— le choix des diamètres de canalisations par tronçon pour tenir compte des débits calculés et d’une vitesse de circulation de 1,5 à 2 m/s ;

— la vérification de la pression aux points de puisage – le NF DTU 60.11 demande de tenir compte du robinet le plus défavorablement placé, c’est-à-dire le plus éloigné sur le réseau ; en réalité, il est préférable de vérifier tout le réseau.

Dimensionner le circuit « retour »

La conception du circuit de retour d’une installation d’ECS bouclée répond à des exigences toutes aussi strictes. Ainsi, à minima, la température en tous points doit y être supérieure à 50 °C, et les pertes thermiques les plus faibles possibles. Les ingénieurs hydrauliciens connaissent les quelques principes pour y parvenir :

— limiter la chute de température au maximum de 5°C entre la sortie du générateur d’eau chaude et le point le plus défavorisé du circuit « retour » ;

— maintenir la vitesse du flux entre 0,2 m/s – pour éviter une quasi-stagnation – et 0,5 m/s – pour réduire les bruits de réseaux ;

— produire les débits les plus faibles possibles ;

— ouvrir les vannes d’équilibrage d’au moins 1 mm, ce, d’une part, en respectant les plages de fonctionnement fournis par les fabricants, et d’autre part, pour conserver un passage minimal en cas d’entartrage ;

— respecter un diamètre intérieur minimal des canalisations – 12 mm pour le cuivre, 12,4 mm pour le PVC-C, 13 mm pour le polyéthylène extrudé, le multicouche ou le polybutylène, 12 mm pour les autres matériaux (inox…).

Sur ces bases, le dimensionnement du retour de bouclage se déroule en plusieurs temps :

1. Calculer les débits et diamètres des canalisations de retours de chaque colonne montante ou boucle, en retenant que le diamètre intérieur de ces canalisations sera impérativement inférieur à celui du collecteur aller ;

2. Choisir le calorifugeage – matériau, épaisseur… – sur la base du calcul des pertes thermiques et en tenant compte de la norme  NF EN 12828 ;

3. Calculer l’équilibrage, c’est-à-dire les réglages (Kv) des vannes d’équilibrage au pied de chaque colonne et de celle placée au retour général  ;

4. Choisir la pompe de bouclage ECS ; à noter que les fournisseurs sur le marché – Grundfos, Wilo… – proposent des versions à régulation électronique, auto-adaptatives et à haut rendement qui participent à la maîtrise des consommations d’énergie du bouclage.

La connaissance précise de la perte thermique totale de l’installation – circuit d’alimentation et circuit retour – et du débit du bouclage permet de calculer la puissance du système de production d’ECS pour répondre aux soutirages par les occupants.

Compte tenu de la complexité des installations dans certains ouvrages – par exemple, un grand hôpital –, on comprend ainsi l’intérêt d’automatiser cette somme de calculs pour, à la fois, éviter les erreurs de saisie et réduire le délai de conception.

Par ailleurs, Stabicad aide les concepteurs à proposer des cas de figures alternatifs tels que :

– le placement d’équipements spécifiques – un réchauffeur de boucle Charot, une production d’ECS thermodynamique collective Atlantic… – ;

– l’intégration, dans le schéma de distribution d’eaux sanitaires et dans le calcul, de circuits dits non  bouclés pour diverses raisons – leur distance du générateur, leurs faibles soutirages, leurs coûts énergétiques de bouclage trop importants ;

– le traitement des points de puisage placés dans des locaux non chauffés : les épaisseurs d’isolants des canalisations sont automatiquement calculées sur la base de la température ambiante retenue par le concepteur.

Mis à jour tous les mois et disponible dans la Stabibase, Stabicad pour Revit se révèle ainsi un véritable outil de production de qualité capable de fournir la richesse d’information indispensable à l’installateur comme à l’exploitant.