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Quels sont les besoins individuels d’eau chaude sanitaire d’un immeuble d’habitation ?

Quels sont les besoins individuels d’eau chaude sanitaire d’un immeuble d’habitation ?

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Quels sont les besoins individuels d’eau chaude sanitaire d’un immeuble d’habitation ?

Après s’être penché sur les besoins individuels d’eau chaude sanitaire d’un logement, l’article se propose d’établir les besoins, toujours d’eau chaude sanitaire mais à l’échelle d’un immeuble collectif..

En partant du contexte actuel où l’eau chaude sanitaire (ECS) est devenue un véritable enjeu pour diminuer la consommation énergétique des bâtiments d’habitation, à l’heure où les bâtiments deviennent économes en énergie, l’importance de disposer de données fiables sur les besoins d’ECS est primordiales, l’ADEME a initié des travaux afin de réactualiser ces valeurs, dans le cadre du programme de recherches PACTE ECS. Ces travaux ont été menés par le COSTIC en synergie avec les 5 consortiums participants à ce programme. Une capitalisation des suivis de consommations d’ECS menés ces dernières années, à laquelle 16 partenaires ont contribué, a été réalisée.

Différents indicateurs ont été établis à partir d’une quarantaine de suivis instrumentés et d’environ 1 250 relevés annuels de compteurs, permettant d’estimer les besoins d’ECS à l’échelle de l’immeuble :

  • des valeurs de besoins moyens, maximaux et minimaux ainsi que des monotones montrant la variation de ces besoins,
  • des valeurs de besoins de pointes sur 10 minutes et 1 à 8 heures,
  • des exemples de profils moyens journaliers, hebdomadaires et mensuels ainsi des exemples de profils journaliers maximaux au pas de temps de 10 minutes.

Ces valeurs sont destinées au dimensionnement des systèmes de production collective mais aussi à la prévision et l’analyse des consommations des immeubles d’habitation ou bien encore à des applications de R&D.

Elles ont été établies, pour la plupart, à partir de mesures réalisées au niveau de la production collective d’ECS. Elles incluent donc une partie des pertes de distribution collective et individuelle jusqu’aux points de puisage, comme indiqué figure 12. Ces mesures ayant été effectuées à la fois dans des immeubles neufs et existants de plusieurs dizaines d’années, les pertes de distribution prises en compte sont donc variables, selon les épaisseurs de calorifuge, les longueurs, les diamètres et les températures de distribution rencontrées.

Ces valeurs de besoins d’un immeuble d’habitation sont indiquées par logement standard. La définition et le calcul du nombre de logements standards d’un immeuble sont présentés dans le premier chapitre ci-après. Seules les pointes sur 10 minutes sont déterminées en fonction du nombre de logements.

Même si les valeurs sont exprimées par logement standard, elles diffèrent des valeurs à l’échelle du logement, compte tenu des pertes de distribution collectives qui viennent s’ajouter, des éventuels appartements inoccupés et du foisonnement entre les logements. Ainsi les variations observées à l’échelle de l’immeuble sont moins importantes qu’à l’échelle de l’appartement ; elles se compensent mutuellement.

Calcul du nombre de logements standards

Par définition, le logement standard est un T3 d’un immeuble du parc social. Les équivalences considérées pour le calcul du nombre de logements standards d’un immeuble dépendent des taux moyens d’occupation. Elles diffèrent donc entre l’habitat privé et social. Ainsi un logement T3, en habitat privé, correspond à 0,9 logement standard.

Les besoins d’un immeuble sont déterminés en fonction du nombre de logements standards qu’il compte. Par définition, le logement standard est :

• un T3, le type d’appartement le plus rencontré,

• dans le parc social, le type d’habitat pour lequel les données de suivis sont les plus nombreuses,

•occupé par 2,1 personnes, correspondant aux taux moyens d’occupation d’après les statistiques USH-DEEF.

Le calcul du nombre de logements standards d’un immeuble est réalisé à partir des coefficients d’équivalence indiqués dans le tableau, figure 13, ci-après, pour les différents types d’appartements du parc privé et social. Ces coefficients prennent en compte les écarts de taux moyens d’occupation entre ces différents logements, dont dépendent directement les besoins.

Seules les pointes sur 10 minutes sont déterminées en fonction du nombre de logements car elles varient peu selon le type d’appartements.
L’équipement sanitaire du logement (douche, baignoire,…) n’est pas pris en compte car son influence est moindre. Même si les appartements sont équipés de baignoires, les occupants prennent maintenant essentiellement des douches. L’équipement est, par ailleurs, inconnu pour les données issues de télésuivis exploitées.

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Besoins journaliers

Besoins journaliers moyens 

Les besoins journaliers moyens d’un immeuble sur l’année sont, en moyenne, de 125 ± 50 litres à 40°C par logement standard soit environ 70 ± 25 litres à 60°C, pour une température moyenne annuelle d’eau froide de 16°C.

Sur juillet et août, ces besoins chutent à 105 ± 45 litres à 40°C par logement standard soit à environ 50 l ± 20 litres à 60°C, pour une température moyenne d’eau froide de 21°C sur ces deux mois.

La valeur de besoins journaliers moyens par logement standard obtenue sur l’année, pour l’ensemble des sites, est, en moyenne, de 125 l à 40°C, soit environ 70 l à 60°C pour une eau froide à 16°C (température moyenne annuelle observée).

Cette valeur à 40°C est très proche, au regard des incertitudes, de la valeur moyenne de 110 l déterminée pour un appartement équivalent, à l’échelle du logement (un T3 du parc social). Ce qui différencie ces deux valeurs, c’est la prise en compte à l’échelle de l’immeuble d’une partie des pertes de distribution collective, comme explicité figure 12, et des éventuels logements inoccupés (vacants).

Dans les immeubles du parc privé, les besoins moyens par logement sont, en moyenne, un peu plus faibles que dans le parc social, compte tenu des taux d’occupation moindres en secteur privé. Ces besoins, exprimés par logement et non par logement standard, sont, en moyenne, sur l’année, de l’ordre de 110 l à 40°C en habitat privé et de 130 l dans le parc social.

Pour ce qui est des besoins exprimés par logement standard, cet écart est réduit compte tenu de la prise en compte des taux moyens d’occupation dans le calcul du nombre de logements standards.

A noter également que, dans certains immeubles, le nombre de A noter également que, dans certains immeubles, le nombre de logements inoccupés semble important comme le laisse supposer les très faibles valeurs de besoins journaliers moyens observées sur la figure 14 ci-après.

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Sur les mois de juillet et août, les besoins journaliers moyens des bâtiments sont moins élevés compte tenu des vacances estivales. Ils représentent en moyenne, sur ces 2 mois, 84% des besoins moyens sur l’année d’un immeuble, comme l’illustre la figure 15 ci-après. En extrapolant ces résultats issus de 25 télésuivis, on obtient des besoins moyens journaliers, sur ces 2 mois, de 105 litres par logement standard à 40°C.

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Variations journalières

Les besoins énergétiques journaliers d’un immeuble varient, au plus, jusqu’à 2 fois ses besoins moyens, au cours de l’année.

Pour chacun de ces sites, localisés dans 3 régions différentes en France métropolitaine, il a été établi la monotone de besoins énergétiques journaliers, sur une année. L’incertitude sur les valeurs, indiquées figure 16, est estimée de l’ordre de ±15%.

Les besoins journaliers fluctuent moins au cours de l’année, à l’échelle de l’immeuble, qu’à celle du logement, compte tenu du foisonnement :

  • Les besoins énergétiques journaliers d’un immeuble varient, au plus, jusqu’à 2 fois ses besoins moyens pour les 32 télésuivis analysés. Les, valeurs minimales et maximales de l’ensemble des sites sont égales, en moyenne, respectivement à 0,4 et 1,7 fois les valeurs moyennes,
  • Les besoins journaliers maximaux d’un logement peuvent représenter jusqu’à 5 fois (voire plus) ses besoins moyens.

La tendance générale est une diminution de la dispersion lorsque le nombre de logements augmente, avec toutefois des exceptions, comme l’illustre la figure 16. Ainsi les besoins journaliers, au cours de l’année, fluctuent moins dans l’ensemble de 269 logements standards représenté que dans celui de 116 logements.

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Pointes de consommations

Pointes de 10 minutes

Les besoins de pointes d’un immeuble, sur 10 minutes, à 60°C, en litres, pour une température minimale moyenne d’eau froide de 9°C, peuvent être estimés à partir de l’équation suivante :

Vp 10 min. à 60°C d’un immeuble = 61 x n 0,503

n étant le nombre d’appartements.

Cette équation est valide pour un nombre de logements supérieur à 10.

Les valeurs de besoins de pointes sur 10 minutes indiquées sont destinées au dimensionnement des systèmes de production collective couplant échangeurs et ballons (ballons de stockage sur le primaire ou le secondaire de l’échangeur ou bien encore ballon avec un échangeur intégré). Par contre, elles ne peuvent pas être utilisées pour le dimensionnement des systèmes instantanés qui requièrent la connaissance des débits de pointe instantanés. Un des suivis sur un immeuble montre que les besoins de pointe sur 10 minutes sont inférieurs à ceux observés sur 1 minute, eux-mêmes inférieurs aux débits de pointe instantanés. Les anciennes valeurs de besoins de pointes sur 10 minutes, de la recommandation AICVF par exemple, utilisées pour le dimensionnement des systèmes instantanés sont en moyenne 2,5 fois plus élevées que les valeurs de pointes sur 10 minutes indiquées, issues de suivis récents.

Pour chacun de ces sites ont été déterminés les volumes d’ECS à 40°C correspondants aux pointes de besoins énergétiques sur 10 minutes. L’incertitude sur les valeurs obtenues est estimée de l’ordre de ± 5 à 10%.

Résultats : Les besoins de pointes sur 10 minutes varient de 5 à plus de 40 litres par logement à 40°C, soit environ de 5 à plus de 30% des besoins moyens journaliers. Plus la taille de l’immeuble est importante, plus ces besoins par logement diminuent comme le montre la figure 17. Autrement dit, plus le nombre de points de puisages est élevé, plus la proportion de postes qui soutirent en même temps est faible. Ainsi, si nous supposons que ces pointes ne correspondent qu’à des douches, avec un volume de 40 l à 40°C par douche, cela signifierait qu’au maximum, 36% des appartements prennent une douche en même temps pour un immeuble de 50 logements et 25% des appartements pour un immeuble de 100 logements.

La pointe de besoins énergétiques sur 10 minutes est observée généralement un dimanche en hiver, lors du pic du soir ou du matin voire du midi.

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L’évolution des monotones de besoins sur 10 minutes d’un immeuble d’une quarantaine de logements, présentée figure 18 ci-après, montre que les périodes de forts puisages sont brèves. Les puisages sur 10 minutes les plus importants représentent seulement quelques pourcents du temps. Ainsi pour cet exemple, 20% du volume total de besoins est soutiré durant moins 4% du temps soit l’équivalent d’une heure par jour.

Ce constat reflète ce qui est observé au niveau d’un logement. La plupart des puisages réalisés dans un logement sont des petits soutirages qui durent généralement moins d’une minute. Seules les douches et les bains éventuels correspondent à des volumes et des durées plus élevés qui représentent néanmoins généralement moins de 1% du temps, à l’échelle du logement.

A noter par ailleurs, que plus la taille de l’immeuble augmente, plus les périodes de 10 minutes sans soutirage deviennent rares : 1 h par jour en moyenne dans un immeuble d’une centaine de logements et 10 minutes seulement pour 200 appartements.

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Pointes horaires

Les besoins de pointes d’un immeuble sur 1 à 8 h, à 60°C, en litres, pour une température minimale moyenne d’eau froide de 9°C, peuvent être estimés à partir des équations suivantes :

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Ns étant le nombre de logements standards

Ces équations sont valides pour un nombre de logements standards supérieur à 20 pour les pointes de 2 à 8 h et à 10 pour la pointe sur 1h.

Les valeurs de pointes horaires sur 1 à 8 h indiquées sont destinées au dimensionnement des systèmes de production collective avec un stockage d’ECS (ballons avec échangeur intégré, accumulateurs gaz, échangeurs avec ballons d’ECS).

Les immeubles suivis sont essentiellement du parc social. Néanmoins, les résultats obtenus pour les 4 copropriétés et les immeubles du parc social, en fonction du nombre de logements standards, ne présentent pas d’écart significatif. La prise en compte des taux moyens d’occupation des différents types de logements, dans le calcul du nombre de logements standards logements, dans le calcul du nombre de logements standards permet, en effet, de limiter l’écart en fonction du type d’habitat.

Résultats : Les débits moyens par logement standard, à 40°C, varient de 32 l/h pour la pointe de 1 heure, 16 l/h à pour la pointe de 8 heures. Plus la durée de la pointe est longue, plus le débit moyen soutiré est faible.

Ces valeurs sont, en moyenne, 3 fois plus faibles que les anciennes valeurs de débits de pointe pluri-horaire, de la recommandation AICVF par exemple.

Les évolutions des besoins de pointes horaires par logement standard présentées, figure 19 ci-après, montrent, par ailleurs, que ces besoins ont tendance à diminuer lorsque la taille de l’immeuble augmente. Les pointes sont généralement rencontrées un dimanche, en hiver.

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Profils horaires, hebdomadaires et mensuels moyens

Deux exemples de profils types moyens, au pas horaire, représentatifs du parc social et privé, sont donnés. Ils permettent, à partir des coefficients horaires, hebdomadaires et mensuels indiqués, d’établir des exemples de profils types moyens de soutirages, à 60°C, d’immeubles avec des nombres de logements variés.

Les besoins moyens horaires à 60°C sont égaux à :

Vm x Ns x Ch x Cj x Cm x (40–Tefm) / (60–Tefm)

Par exemple les besoins moyens à 60°C, entre 8 et 9 h un lundi en mai sont égaux à :

Vm x Ns x C8-9h x Clundi x Cmai x (40–Tefmai) / (60–Tefmai)

Avec :
•Vm : le besoin moyen journalier sur l’année à 40°C par logement standard (125 l)

•Ns : le nombre de logements standards de l’immeuble

•Ch et C8-9h, Cj et Clundi, Cm et Cmai : respectivement, les coefficients horaires, hebdomadaires, mensuels pour des besoins à 40°C

•Tefm et Tefmai : la température d’eau froide du mois considéré

Les exemples de profils types de soutirages moyens horaires, hebdomadaires et mensuels présentés sont destinés au calcul des consommations d’énergies annuelles prévisionnelles ou bien encore à des applications de R&D. Les coefficients de répartition indiqués permettent d’établir des exemples de profils types moyens annuels de soutirages, au pas horaire, d’un immeuble du parc privé ou social. Ces profils représentent les variations moyennes des besoins sur l’année. Ils peuvent être très différents des profils horaires réels, ces derniers étant très variables d’un jour et d’un site à l’autre, comme illustré figure 20 au chapitre précédent.

Les coefficients horaires, hebdomadaires et mensuels ont été calculés pour ces deux ensembles afin de quantifier les variations moyennes de leurs besoins à 40°C. Par exemple :

• le coefficient indiqué pour le mois de mai est égal aux besoins moyens journaliers en mai divisés par les besoins journaliers moyens sur l’année de cet ensemble,
• le coefficient donné pour le dimanche correspond aux besoins moyens de tous les dimanches de l’année sur les besoins moyens journaliers sur l’année,
• le coefficient horaire indiqué pour la tranche de 0-1h est égal à la moyenne des besoins de 0 à 1h de tous les jours de l’année divisée par la moyenne des besoins journaliers sur l’année.

Ces coefficients étant déterminés pour des valeurs de besoins à 40°C, ils ne tiennent donc pas compte des variations de la température d’eau froide au cours de l’année. En effet, les besoins à 40°C sont considérés pratiquement indépendants de la température d’eau froide contrairement à ceux à 60°C.

Pour établir les besoins à 60°C à partir de ces valeurs, il est par contre nécessaire de tenir compte de la variation de la température d’eau froide durant l’année.

Résultats : Les profils mensuels et hebdomadaires obtenus pour l’ensemble des 32 télésuivis exploités montrent que les besoins d’ECS à 40°C sont, en moyenne, :

• plus faibles durant juillet et août,

• plus élevés les dimanches.

Des similitudes existent également entre les profils horaires moyens des différents sites. Deux ou trois pics sont observés :

  • le dimanche, une pointe entre 10 et 13h et le soir entre 18 et 21 h (il s’agit des horaires correspondant à la valeur maximale et non à l’ensemble de la pointe). La pointe du soir est généralement un peu plus élevée.
  • le samedi, deux pics à des horaires proches de ceux observés le dimanche. Par contre, la pointe du soir est souvent plus faible,
  • les autres jours de semaine, deux types de profils sont observés, comme illustrés figures 21 et 22, des profils avec trois pointes, dans les 4 copropriétés et une partie des immeubles du parc social et des profils avec deux pics, dans les autres immeubles du parc social. La 3ème pointe est observée le matin entre 6 et 8h. Les horaires des deux autres pics le midi et le soir sont similaires à ceux indiqués pour le week-end. Par contre, pour l’ensemble des sites, y compris ceux ne comportant que 2 pointes, les soutirages en semaine débutent en moyenne 1 h plus tôt que le samedi et 2 h plus tôt que le dimanche. La pointe du midi est généralement plus faible lorsqu’il y a un pic le matin.Dans l’ensemble le pic du soir est généralement un peu plus élevé, excepté le samedi, ce qui laisse supposer des douches prises plus majoritairement le soir.

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Quels sont les besoins individuels d’eau chaude sanitaire d’un logement ?

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