4b. Dimensionner le système de production 

Optimiser l'installation technique en termes de puissance, de nombre de systèmes,... tout en considérant le réseau de distribution/émission pour le chauffage et l'eau chaude sanitaire.

Pour la vue d'ensemble des dispositifs, les arguments de choix durable (environnementaux, économiques, socio-culturels),... liés à la production et au stockage de chauffage et d'eau chaude sanitaire

> Dossier | Optimiser la production et le stockage pour le chauffage et l'eau chaude sanitaire

Chauffage

Puissance utile

Il est exclu de déterminer la puissance à installer à partir de méthodes empiriques basées sur l'addition de la puissance des corps de chauffe, sur des ratios de puissance en fonction du volume ou de la surface à chauffer, ou encore, en rénovation, sur la puissance des anciennes chaudières.

Cela conduirait à un surdimensionnement inutilement coûteux. Surdimensionner une chaudière d'un facteur 100% (cas fréquent) peut entraîner une perte de rendement de 2 à 5%, en fonction du type de chaudière et de sa régulation. Cela se traduit par une surconsommation pouvant aller jusqu'à 10%.

Pour rappel, l'arrêté « chauffage PEB » fixe des exigences en matière de dimensionnement des chaudières.

Nombre de systèmes de production

Nombre de système de production (plusieurs chaudières, système centralisé, décentralisé ou combiné)

Pour ce qui est des chaudières, découper la puissance à installer en plusieurs chaudières n'apporte actuellement plus d'économie d'énergie et demande un investissement plus important. Il conviendra donc de se limiter à une seule chaudière sauf si

  • une sécurité d'approvisionnement est indispensable en cas de panne d'une chaudière,
  • les dimensions de la chaufferie imposent un découpage de la puissance,
  • une extension du bâtiment est prévisible, le local chaufferie sera dès le départ conçu pour une adaptation de la puissance de chauffe basée sur le placement futur d'une chaudière supplémentaire,
  • des besoins de chaleur existent en dehors de la saison de chauffe (eau chaude sanitaire par exemple),
  • certains besoins calorifiques sont permanents et d'autres intermittents. Si une partie du bâtiment doit être chauffée en dehors des heures d'occupation du reste du bâtiment (conciergerie, corps de garde, ....), une production spécifique (convecteurs gaz indépendants, chaudière indépendante) sera envisagée.

Prédimensionnement - Méthode générale

1. Calcul des pertes par transmission, des pertes par ventilation et des pertes par infiltration selon

  • la norme NBN B 62-003 (1986), révisée en vue de l'intégration de la norme européenne NBN EN 12831 (2003).
  • la norme NBN B 62-002 (2008) ‘Performances thermiques de bâtiments - Calcul des coefficients de transmission thermique (valeurs U) des composants et éléments de bâtiments - Calcul des coefficients de transfert de chaleur par transmission (valeur HT) et par ventilation (valeur Hv)'.

2. Déterminer la puissance, la puissance de démarrage, ajouter les puissances en cascade (toujours calculé en kW) et déterminer la la température de retour

  • la norme européenne NBN EN 12828 « Systèmes de chauffage dans le bâtiments. Conception des systèmes de chauffage à eau » qui spécifie des critères de conception pour des installations de chauffage à eau installés dans les bâtiments et fonctionnant à une température maximale de service ne dépassant pas 105°C.

3. La norme NBN EN 15459 (2008) ‘Performance énergétique des bâtiments - Procédure d'évaluation économique des systèmes énergétiques des bâtiments'  fournit une méthode de calcul des aspects économiques des systèmes de chauffage et autres systèmes impliqués dans la demande énergétique et la consommation énergétique du bâtiment.

(Source : CSTC)

Eau chaude sanitaire

Puissance utile

La puissance nécessaire pour l'ECS se basera sur les besoins et le profil de consommation dans le bâtiment (coefficient de foisonnement, débit moyen par point de puisage, ...).

Si l'eau chaude sanitaire est produite par la chaudière assurant le chauffage du bâtiment, ne pas surdimensionner la chaudière de façon excessive en cumulant puissance pour l'eau sanitaire et puissance pour la relance. La puissance de chauffage du bâtiment ne sera augmentée que de la différence entre :

  • la puissance calculée du chauffage de l'eau chaude sanitaire
  • et celle du surdimensionnement éventuel lié à la relance et au découpage de la puissance de chauffe en plusieurs chaudières.

En effet, les surdimensionnements en chauffage peuvent déjà couvrir une bonne part de la demande d'eau chaude sanitaire et le cumul serait abusif.

Exemple : le calcul des déperditions prévoit 175 kW, 15% de relance sont ajoutés (--> 201 kW), deux chaudières de 120 kW sont installées --> surdimensionnement réel de 65 kW (soit 37% effectifs). Si la puissance de chauffage de l'ECS est de 85 kW, le supplément de puissance à prévoir sera de 85 kW - 65 kW = 20 kW. On installera deux chaudières de 130 kW.

En pratique, aucun surdimensionnement ne sera à prévoir tant que la puissance du chauffage de l'eau chaude sanitaire ne dépasse pas 25% de la puissance de chauffage du bâtiment.

Nombre de systèmes de production

Dans le cas de points de puisage isolés et consommant très peu d'eau chaude, on pourra envisager des petites productions électriques équipés d'un petit réservoir (kitchenette pour laver une tasse de café par exemple). Dans le cas de telles poches électriques (5 à 10-15 litres d'eau maximum), une horloge locale minimisera les périodes de maintien en température et donc les pertes d'énergie. Ces mini ballons sont souvent moins bien isolés que les grands ballons.

Prédimensionnement

Chauffe-eau solaire

Pour les installations de logement collectif, le prédimensionnement de l'installation solaire sera réalisé au moyen d'un logiciel adéquat, par exemple le QuickScan.

Ci-dessous un exemple de prédimensionnement :

  • Généralement, on considère qu'1 m² de collecteur solaire fournit 450 kWh/m²an. Le nombre de m² dépend donc de la demande de chaleur calculée pour l'ECS et/ou le chauffage du bâtiment. Habituellement, l'utilisation d'un collecteur solaire est adaptée à la production d'eau chaude sanitaire.
  • L'ECS se calcule comme suit :
    • Nombre de douches : 2
    • Litres/min (par douche) : 6
    • Prises de douche/jour : 2
    • Durée en min : 7
    • Delta T (°C) : 30
  • On en déduit
    • la consommation en kWh :(2x6x2x7x4186x30)/3600=5,8 kWh/jour
  • M x C x Δt
    • consommation en kWh/an : 5,8 kWh x 365 = 2 117 kWh/an
  • Nous pouvons ainsi déterminer que nous avons besoin de 4,7 m² de collecteurs solaires. Si nous plaçons 4 m² de collecteurs, nous obtenons un degré de couverture de 94 %.
  • De plus, nous devons tenir compte du fait que les 450 kWh/m² par an ne sont pas répartis uniformément sur les mois. Il y a surplus en été et insuffisance en hiver.

Vous trouverez ci-dessous un tableau du rendement solaire sur 12 mois et un graphique permettant de se faire rapidement une idée de la taille du collecteur solaire.

Nomogramme de calcul de la taille d'un système de chauffe-eau solaire

Figure 32 : Nomogramme de calcul de la taille d'un système de chauffe-eau solaire (Source : www.groene-energiewinkel.nl)

  • Étape 1

Allez à « Start » sur le monogramme et cochez le nombre de personnes constituant le ménage. Tracez une fine ligne vers le haut.

  • Étape 2

Cette ligne croise les 3 lignes de la consommation d'eau chaude moyenne par personne par jour. Placez un repère à l'endroit où la ligne que vous avez tracée croise la ligne correspondant à la consommation moyenne par personne par jour dans votre ménage.

  • Étape 3

À partir de ce repère, tracez une ligne horizontale vers la droite sur le nomogramme. Sous « Boilervolume » (Volume chauffe-eau), vous pouvez maintenant voir la contenance optimale du chauffe-eau dans votre cas. Si vous hésitez entre deux tailles de chauffe-eau et choisissez un appareil plus grand ou plus petit que recommandé par le diagramme, vous devez tracez une nouvelle ligne vers la droite à partir du chauffe-eau sélectionné.

  • Étape 4

Selon le degré souhaité de couverture des besoins en eau chaude par le chauffe-eau solaire, placez un repère au croisement avec la ligne concernée.

  • Étape 5

À partir de ce repère, tracez une ligne vers le bas et la droite.

Selon le lieu où vous vous trouvez aux Pays-Bas, placez un repère sur la ligne Nord, Sud ou entre les deux.

  • Étape 6

À partir de ce repère, tracez une ligne horizontale vers la gauche.

Placez un autre repère sur la ligne qui correspond à l'orientation de votre toit. À savoir sur la ligne inférieure si votre toit est orienté au sud, sur la ligne intermédiaire s'il est orienté au sud-est ou au sud-ouest et sur la ligne supérieure s'il est orienté à l'est ou à l'ouest. Vous pouvez naturellement également placez ce repère entre ces lignes si aucune ne correspond précisément à votre orientation.

  • Étape 7

Tracez maintenant une ligne vers le bas et la droite et placez un repère sur la ligne qui correspond le mieux à l'angle d'inclinaison de votre toit.

  • Étape 8

À partir de ce repère, tracez une ligne vers la droite pour trouver la surface effective nécessaire en cas d'utilisation de collecteurs solaires à plat. Arrondissez toujours le résultat à la hausse si vous n'obtenez pas précisément une surface disponible. Si cela est impossible pour l'une ou l'autre raison et si vous devez arrondir vers le bas, vous pouvez envisager d'opter pour un plus petit chauffe-eau.

Une surface de collecteur trop petite par rapport au chauffe-eau est plus nuisible au rendement total du système que l'inverse !

Vous avez maintenant calculé la taille optimale du chauffe-eau et la surface de collecteur correspondante.

Il est important de préciser que le prédimensionnemnet d'un chauffe-eau solaire est le travail d'un bureau d'études qui a les connaissances nécessaires pour réaliser cette étude et pouvoir critiquer les résultats obtenus.

Points d'attention pour le ballon de stockage

Veiller à ce que le ballon de stockage soit suffisamment isolé thermiquement afin de limiter les pertes calorifiques journalières Qmax en kWh/jour.

Selon la norme EN 12997-1, pour les systèmes solaires,

V= volume interne du ballon en litres et Cr= coefficient de refroidissement

Ua ≤ 0,16 x V^0,5 [W/K]

Qmax = Ua x45x24/1000 [kWh/jour]

Cr= 24 x Ua /V [Wh/K.l]

Chauffe-eau instantané

Le principe de fonctionnement est simple. En cas de besoin d'eau chaude, un contrôleur d'écoulement le détecte et active le brûleur à gaz. L'eau qui circule dans l'appareil est chauffée par l'échangeur thermique. Le débit demandé pouvant naturellement fluctuer, le brûleur à gaz fera office de module afin de toujours fournir la même température. Si la demande excède le débit nominal, la température de l'eau baisse. Une taille bien adaptée est donc indispensable. Pour une utilisation confortable pour la douche, prévoyez un appareil avec un débit de minimum 10 l/min. Si plus de personnes/d'appareils doivent prendre de l'eau chaude simultanément, la puissance (l/min à fournir) doit augmenter.

Accumulateur électrique

Les chauffe-eau électriques sont disponibles avec les volumes suivants : 30 litres, 50 litres, 80 litres, 100 litres, 120 litres et 150 litres. Le réservoir doit juste avoir la taille suffisante pour répondre aux besoins du ménage. Il ne doit pas être trop petit pour ne pas courir le risque de se retrouver régulièrement sans eau chaude, le temps de charge étant considérable. Il ne doit pas non plus être trop grand, sinon le prix d'achat et la consommation d'énergie seront trop élevés.

Dimensions recommandées :

  • 100 L pour une habitation avec douche,
  • 130 L pour une habitation avec baignoire,
  • 160 L pour une habitation avec deux baignoires pouvant être utilisées simultanément.

ECS, production centralisée ou décentralisée ?

Généralement, il vaut mieux opter pour une production centralisée qui permettra d'envisager le recours à l'énergie solaire comme système de base. La légionnelle, qui se développe tout particulièrement dans les "bras morts" des réseaux, s'en trouvera également contrariée !

Cette règle ne s'applique pas dans les cas suivants :

  • Si les points de puisages sont dispersés dans le bâtiment. On choisira alors une production décentralisée pour ces points de puisage afin d'éviter les pertes permanentes d'une grande boucle de distribution pour quelques utilisateurs. Ceci peut se justifier dans le cas de logements collectifs où il pourrait être plus économique de placer un système individuel dans chaque appartement (pas de perte de distribution, de stockage ou de maintien en température d'une grosse chaudière). Cependant, ce système peut poser des problèmes de confort, demande une démultiplication des installations alors que la production de chauffage centralisée est conseillée.

  • Si les points de puisages sont concentrés dans différentes zones du bâtiment. On choisira alors une production semi-centralisée : une production commune à plusieurs points de puisage rapprochés qui vise à la fois à limiter le nombre d'équipements de production d'ECS et à réduire la longueur du réseau.

Production décentralisée

Figure 30 : Production décentralisée © Architecture et Climat - LOCI – UCL

ECS, production centralisée ou décentralisée ?

Facilité technique

Environnement

Coût investissement

Coût exploitation

Confort

Production centralisée

si bonne isolation du ballon

si bonne isolation du ballon

Production décentralisée

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ECS, production instantanée ou avec stockage  ?

ECS, production instantanée ou avec stockage ?

Facilité technique

Environnement

Coût investissement

Coût exploitation

Confort

Stabilité t°

Temps d'attente

Obtention t°

Ballon de stockage

en gaz ou fuel

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Production instantanée

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ECS, production combinée au chauffage ou non ?

L'intérêt d'une production combinée d'eau chaude de chauffage et d'eau chaude sanitaire dépend en majeure partie des puissances nécessaires pour chacune de ces productions. En cas de production combinée, en hiver, la puissance appelée s'additionne aux besoins de chaleur du bâtiment. Mais en été, il faut éviter qu'une chaudière surdimensionnée ne fonctionne par intermittence, générant des imbrûlés à chaque allumage.

Le dédoublement de l'installation, permettant une production spécifique pour l'eau chaude sanitaire permettra de ne pas dégrader le rendement de production du chauffage si un surdimensionnement de la puissance chauffage est nécessaire pour la production d'ECS. Cette solution est cependant plus chère en investissement initial.

La possibilité de dédoubler les systèmes pour n'avoir qu'une plus petite chaudière en fonctionnement en été sera à étudier au cas par cas par le bureau d'études en fonction du projet (configuration des réseaux, besoins en ECS et chauffage).

Si la puissance nominale en eau chaude sanitaire représente moins de 30 % de la puissance de la plus petite chaudière du bâtiment, le concepteur envisagera l'installation d'une production dédicacée (c'est-à-dire spécifique à l'eau chaude sanitaire et indépendante de l'installation de chauffage) au chauffage de l'eau chaude sanitaire en été. Elle fonctionnera soit en parallèle sur l'installation de chauffage, soit de façon autonome.

ECS, production combinée ou non combinée au chauffage ?

Facilité technique

Environnement

Coût investissement

Coût exploitation

Confort

En combinaison avec le chauffage

Combiner si la puissance « eau chaude » > 30% de puissance «  chauffage »

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Sans combinaison avec le chauffage

Concrètement le choix du système de production d'eau chaude restera souvent un compromis entre l'investissement à consentir, l'efficacité énergétique et le confort de puisage souhaité. Il dépendra aussi fortement du choix du système de chauffage. Par exemple, se chauffer avec une pompe à chaleur impose un autre système pour la production sanitaire sachant que les pompes à chaleur dimensionnées pour le chauffage des locaux ne peuvent produire d'eau à haute température. Parmi les différents systèmes de production d'eau chaude (instantanés, à accumulation, ...), le bureau d'études devra faire un choix permettant de couvrir au mieux le profil des besoins. Pour guider ce choix, il est difficile de donner des critères énergétiques valables dans tous les cas.

Par contre, ce qui est clair, c'est que la lutte contre le développement de la légionnelle entraîne désormais une production et une distribution d'eau chaude sanitaire à haute température (60°C). Ceci ne constitue pas en soi un supplément de consommation finale mais requiert à tout le moins une isolation renforcée des équipements et contrarie l'évolution technologique actuelle vers une production de chaleur à basse température pour les bâtiments... Le recours à une production indépendante d'eau chaude sanitaire sera donc de plus en plus privilégié.

Toutefois, si le chauffage est assuré par une chaudière à condensation, la tendance sera de profiter de cette technologie performante pour y combiner la production sanitaire à condition de bien penser le circuit hydraulique. Il en ira de même dans le cas d'une chaudière bois. Le choix d'une chaudière à condensation n'est pas incompatible avec l'obligation de produire de l'eau chaude sanitaire en combinaison avec le chauffage. Il faudra cependant être particulièrement attentif au type de chaudière choisi (chaudières à 2 retours dans le cas d'une production avec ballon de stockage) ou au dimensionnement de l'échangeur (en régime 90°/45° ou 70°/45° dans le cas d'un échangeur instantané) et à la configuration du circuit hydraulique associé. La décision d'installer au moins une chaudière à condensation doit se prendre tôt car elle a des conséquences sur la conception du réseau hydraulique.

Voir le dossier Garantir l'efficience des installations de chauffage et ECS (distribution et émission)

Chaudière à condensation à 2 retours

Figure 33 : Chaudière à condensation à 2 retours © Architecture et Climat - LOCI – UCL

Prédimensionnement

  • En plus du chauffage de l'eau sanitaire, un système solaire peut aussi servir au chauffage. On parle alors de systèmes combinés ou de chauffage solaire. Ce système nécessite une plus grande surface de capteurs (10 à 30 m²) et un ballon de stockage de 1.000 à 3.000 l.
  • Avec un système de régulation plus complet et adapté à la chaudière, le chauffage solaire permet d'économiser jusqu'à 80% de l'énergie nécessaire pour l'eau chaude et de 20 à 50 % de l'énergie pour le chauffage.Il parait évident que, outre une bonne isolation, le chauffage solaire peut constituer une solution intéressante à privilégier en cas de chauffage basse température (par les murs, sols ou radiateurs surdimensionnés).
Mis à jour le 22/06/2017