La façon intelligente de fournir de l’eau chaude
par Steve Smith
Note préliminaire : cet article est la traduction de l’original publié dans la revue Plumbing Engineer de janvier 2017.
Le système IntelliStation représente un nouveau moyen, efficace et sécuritaire, de fournir de l’eau aux occupants des établissements commerciaux et industriels.
L’établissement communautaire Ackerly à Timberland, de 32 millions de dollars, à six étages, abritant 147 unités, comprenant des appartements destinés à des personnes autonomes, nécessitant des services et aussi des soins reliés à la perte de mémoire, est situé près de Portland, Oregon.
Les résidents de l’Ackerly à Timberland disposent de tout le confort de la maison, mais dans un genre de « maison » de plus en plus en demande au fur et à mesure que les Américains âgés représentent une partie de la population sans cesse croissante. Les unités de l’établissement communautaire de 32 millions de dollars, à six étages, abritant 147 unités, comprenant des appartements destinés à des personnes autonomes, nécessitant des services et aussi des soins reliés à la perte de mémoire, ont ouvert leurs portes au cours de l’été 2016 près de Portland, Oregon.
Parmi les commodités mises à disposition dans l’établissement de 162 000 pieds carrés, mentionnons deux restaurants et un pub, ainsi qu’un centre de mise en forme et de mieux-être, une salle d’activités, un salon, une bibliothèque, un théâtre et un centre technique.
À l’extérieur, les résidents peuvent profiter de terrains de pétanque, de sentiers de marche, d’une zone de jardinage, d’un espace de méditation avec fontaine, de coins repas supplémentaires et d’un foyer extérieur.
Une commodité d’importance
Mais il existe dans l’établissement une autre commodité à laquelle les résidents font rarement attention – à savoir une alimentation en eau chaude permanente et sécuritaire au moment et à l’endroit où ils en ont besoin.
Dans l’une des salles de mécanique du bâtiment, un système IntelliStation remplit ses fonctions en toute discrétion; il s’agit d’un système numérique de mélange et de recirculation de l’eau mis au point par Powers, une division de Watts.
« Il représente un moyen plus sécuritaire et éconergétique de fourniture d’eau chaude dans une plage de température beaucoup plus étroite, » déclare Bruce Fathers, directeur des produits chez Powers.
Un module de commande « intelligent », muni d’une interface à écran tactile couleur de 3,5 pouces, affiche près de 200 combinaisons de données critiques, incluant notamment la température de sortie du mélange d’eau, ainsi que le débit d’eau mélangée et de retour et la consommation d’énergie.
« En ce qui a trait à l’installation, » M. Fathers ajoute : « nous aimons beaucoup la formule ‘’branchez puis repartez’’. »
Les entrepreneurs ont seulement cinq raccordements à installer : alimentation en eau chaude et froide, sortie d’eau mélangée, retour et chaudière. Il ne reste plus ensuite que l’alimentation électrique. À ce stade, le système IntelliStation assure automatiquement la régulation de la température de sortie sans grand effort supplémentaire de la part de l’entrepreneur. Il suffit en effet de quelques minutes pour mettre en service le système IntelliStation.
« L’ingénieur sait que le travail est bien fait, parce que nous l’assemblons, nous le soumettons à des essais, nous l’étalonnons et nous l’expédions. Tout est conforme à leurs spécifications, » ajoute M. Fathers.
Le mélange par commande numérique représente une solution automatisée qui se substitue à une approche largement basée sur un procédé mécanique au cours du siècle dernier, exigeant beaucoup d’efforts pour s’assurer que les systèmes soient correctement équilibrés.
« Je savais que l’approche numérique que représente le système IntelliStation serait un moyen plus précis d’alimenter l’Ackerly en eau chaude, » précise Clifford M. Hood, ingénieur chez Hood-McNees Inc., à Portland, Oregon, qui a spécifié le système. « L’estimation de la quantité d’eau chaude nécessaire à un bâtiment de cette taille exige toujours beaucoup de tâtonnements et certaines de nos bases de calcul datent de 40 ans. »
Peu importe le défi, les attentes des résidents doivent être satisfaites. « Il en coûte très cher s’il n’y a pas assez d’eau chaude, » indique M. Hood. « S’il n’y en a pas, les entrepreneurs et les propriétaires, bref tout le monde me tombent sur le dos. Je n’ose donc pas prendre de raccourcis sur l’eau chaude. »
Le module IntelliStation comprend un système programmable complet assurant la surveillance des données relatives à la température, au débit et à la pression, qui proviennent de capteurs installés sur les entrées d’eau chaude et froide, la sortie d’eau mélangée et le retour d’eau mélangée, ou à proximité. Un actionneur électronique à haute vitesse, activé par un module de commande intégré, assure la modulation d’un simple robinet à tournant sphérique à trois voies qui permet au point de consigne de température de se maintenir en permanence.
« Le module IntelliStation s’équilibre automatiquement 10 fois par seconde, 365 jours par an, » précise Dan Checri, directeur du développement des affaires — robinets et appareils mélangeurs, région ouest, chez Powers. « Pas d’Action de grâces. Pas de Noël. Pas de vacances. »
Dan Checri, directeur du développement des affaires — robinets et appareils mélangeurs, région ouest, chez Powers, donne des explications sur le module IntelliStation lors d’un récent évènement éducatif présenté par Watts et son agence locale de représentation, Hollabaugh Brothers & Associates, dans la tour Space Needle à Seattle.
Cette approche numérique permet même de dépasser les exigences de la norme ASSE 1017-2009, qui définit les performances concernant les robinets mélangeurs utilisés pour la distribution d’eau chaude.
Dans le cas des robinets de grand diamètre, conçus pour un débit supérieur à 40 gallons par minute, la norme exige qu’ils maintiennent la température à plus ou moins 7 °F. Autrement dit, si le point de consigne est de 140 °F, le robinet doit maintenir la température de l’eau entre 133 °F et 147 °F, soit une plage de 14°.
Par contre, le mélange par commande numérique permet une régulation beaucoup plus précise et un maintien du point de consigne à plus ou moins 2 °F près.
L’approche numérique représente un changement considérable de la manière dont les ingénieurs et entrepreneurs assurent la régulation et la fourniture d’eau dans les grands bâtiments. La méthode traditionnelle la plus répandue consiste à utiliser des robinets mélangeurs thermostatiques, appareils qui assurent encore environ 90 % du mélange par commande numérique sur le marché des bâtiments à usage commercial/industriel.
Parmi les premiers robinets mélangeurs de grande capacité, certains ont été mis au point en 1919. Powers a été la première compagnie à utiliser la paraffine pour la commande des mélangeurs thermostatiques (TMV) de grand diamètre; d’autres mélangeurs sont munis d’une commande à base d’éther ou par bilame.
« Nous avons développé le module IntelliStation afin d’améliorer la sécurité et le rendement, ainsi que numériser un procédé qui, jusqu’à maintenant, a largement été de nature mécanique, » explique M. Fathers.
Les mélangeurs thermostatiques (TMV) et la commande numérique
Le principe des TMV se comprend assez facilement. Dans un robinet mélangeur, la température fluctue selon la température et la pression de l’eau à l’entrée, ainsi que la demande à laquelle est soumis le système. La chaleur se transmet à l’élément actif en traversant les parois du capteur. L’élément se dilate et modifie le rapport entre eau chaude et eau froide. Au fur et à mesure que l’eau se réchauffe, un piston se déplace vers le haut, fermant ainsi l’arrivée d’eau chaude et ouvrant celle d’eau froide afin de maintenir le point de consigne de température.
Cependant, le bon fonctionnement d’un TMV nécessite une conception et un équilibrage adéquats du système. Il fonctionne à son meilleur rendement dans des conditions idéales, lorsque les pressions d’alimentation sont identiques et lorsque la pression différentielle entre les entrées ne dépasse pas 20 %.
« Lorsqu’on utilise un TMV pour la régulation de la température de l’eau, des problèmes peuvent se présenter en cas de simple variation saisonnière de température de l’eau ou de défaillance mécanique des divers dispositifs installés dans le système de distribution, » indique Matthew Fratantonio, gestionnaire principal de programme chez Powers lors d’une présentation dans le cadre du Congrès et de l’expo ASPE 2016 à Phoenix.
M. Fratantonio a aussi mentionné le mauvais choix de robinet comme autre difficulté.
« En effet, les ingénieurs spécifient des robinets d’une capacité supérieure à celle nécessaire à titre de précaution, » explique-t-il. « Mais à faible débit, ces robinets à commande mécanique ont de la difficulté à assurer une régulation de température adéquate. »
En collaboration avec Powers et Watts, Plumbing Engineer a récemment présenté un webinaire sur la technologie du mélange par commande numérique. Lors de cette présentation, Todd McCurdy, directeur du développement des affaires — robinets et appareils mélangeurs, région ouest, chez Powers, a fait ressortir certains inconvénients des TMV :
- Ils entraînent un « glissement de température » durant les périodes de demande faible ou nulle, surtout la nuit.
- Ils nécessitent des vérifications et un entretien réguliers afin d’éviter des problèmes de performance.
- Les TMV ont tendance à être vulnérables aux produits chimiques présents dans l’eau car l’élément de commande est immergé dans l’eau.
- Ils ne peuvent pas communiquer avec un système de gestion d’immeuble automatisé (BAS).
- Le module IntelliStation, un système numérique de mélange et de recirculation de l’eau mis au point par Powers, une marque Watts.
- Les TMV ont une température d’approche élevée – jusqu’à 25 °F. Par conséquent la température de l’eau chaude à l’arrivée doit être supérieure d’au moins 25 °F à celle de l’eau mélangée à la sortie, ce qui n’est pas très efficace.
Si, dans une installation d’eau, on peut comparer les TMV à des téléphones à cadran, alors les appareils de mélange à commande numérique se comparent à des iPhones. La technologie a considérablement évolué.
Ross Tapani, président, Alex Massie, contremaître et Eugene Likhonin, contremaître finition, Tapani Plumbing, et Cliff Hood, ingénieur, Hood-McNees Inc. C’était la première fois que l’entrepreneur et l’ingénieur en mécanique installait et spécifiait le système IntelliStation.
Le module IntelliStation se configure facilement sur place et ne nécessite ni logiciel exclusif, ni ordinateur portable. Intégré à un système de gestion d’immeuble automatisé (BAS) au moyen des protocoles BACnet et Modbus (compris dans le module de commande), le système sans plomb IntelliStation est compatible avec la gestion d’immeuble intégrée. Selon la configuration, la surveillance et la régulation de l’eau chaude dans le bâtiment peuvent s’effectuer à distance.
« Nous avons installé des tonnes de robinets à commande mécanique, » précise Ross Tapani, président, Tapani Plumbing, Battle Ground, Washington. « Ce sont des bêtes difficiles à dompter, mais nous y sommes parvenus. Nous savons comment les raccorder à la tuyauterie et les faire fonctionner. »
Le système d’Ackerly est le premier module IntelliStation que l’entrepreneur en mécanique ait installé.
« Nous avions fini par nous sentir à l’aise en ce qui a trait aux TMV, » indique Alex Massie, contremaître, Tapani Plumbing. « Mais il nous semblait que le système IntelliStation allait éliminer beaucoup de tâtonnements. »
Ce fut vrai en tout cas pour le processus de mise en marche.
Eugene Likhonin, contremaître finition chez Tapani, rapporte qu’il pouvait facilement passer une grosse journée de huit heures à régler et à équilibrer un système mécanique pour obtenir les bonnes valeurs.
« Je pouvais passer bien du temps à régler un robinet en le faisant tourner de 1/16 pouce, en pensant avoir bien fait – et l’eau devenait froide! Je me bats toujours contre les robinets mélangeurs de grand diamètre et de petit diamètre – sans compter les problèmes que représentent les différences entre un bâtiment neuf à moitié occupé et un autre entièrement occupé ou encore les cas il y a du chauffage ou ceux où il n’y en a pas. Avec le système IntelliStation, je me suis contenté de le mettre en marche et de m’en aller. »
La Legionella et les brûlures
Nous portons principalement notre attention sur les avantages « au quotidien » d’une fourniture fiable d’eau potable grâce au système à commande numérique IntelliStation.
Cependant, nous avons besoin aujourd’hui d’une protection supplémentaire. En effet, les gens vivent plus longtemps et décident de passer leurs années de retraite dans de grands établissements comme l’Ackerly. Au premier plan des avantages présentés par le module IntelliStation pour de tels établissements figure sa capacité à réduire les risques élevés que représente la Legionella.
Selon les Centers for Disease Control and Prevention (CDC) (Centres pour le contrôle et la prévention des maladies), de 8 000 à 18 000 personnes aux États-Unis sont hospitalisées tous les ans à cause de la maladie du légionnaire, maladie causée par la Legionella. Les risques d’être atteint de la maladie augmentent chez les personnes de plus de 50 ans.
Le système IntelliStation fonctionne entre autres en mode désinfection avec purges à haute température, un moyen d’atténuer les risques associés à la Legionella et autres bactéries présentes dans l’eau. Une fois le processus de désinfection terminé, le système se réinitialise et se rééquilibre automatiquement.
« La meilleure défense contre des maladies comme celle du légionnaire, c’est évidemment l’eau chaude, » a déclaré M. Fratantonio lors de sa présentation à l’ASPE. « Produisez une eau chaude de bonne qualité et tuez la maladie. Mais c’est bien sûr une question d’équilibre. Vous ne voulez pas dépasser 120 °F parce que vous ne voulez blesser personne. Mais il vous faut quand même aller au-dessus de 120°F parce que vous ne voulez pas que les agents pathogènes et autres microbes causent du tort à quelqu’un. C’est le dilemme auquel les établissements sont confrontés. »
En assurant un équilibre entre le besoin de protection contre la Legionella et la fourniture d’une eau tempérée au point d’utilisation, le système IntelliStation permet aussi d’empêcher les blessures causées par des brûlures, ainsi que les glissades et les chutes provoquées tous les ans par les chocs thermiques.
Énergie et rendement
Nous avons surtout mentionné la précision de plus ou moins 2 °F obtenue grâce au mélange par commande numérique. Voici quelques autres avantages reliés à l’énergie et au rendement :
- Il est possible d’avoir une régulation précise de la température même durant les périodes de demande faible ou nulle, un résultat supérieur à celui obtenu avec les TMV. Un tel niveau de précision autorise une gestion efficace des installations de plomberie et renforce la sécurité du bâtiment.
- Une capacité de communication sophistiquée assure une surveillance étroite et une commande précise du système, offrant aux gestionnaires d’établissements la possibilité de suivre les changements et de réagir en conséquence, un moyen d’assurer la sécurité des occupants du bâtiment. Ce type de connectivité constitue un exemple de ce que l’on appelle « l’Internet des objets », un marché en pleine croissance qui devrait générer 8,5 milliards de dollars d’ici 2020.
- Enfin, les systèmes numériques offrent la possibilité de conserver l’énergie et d’en réduire les coûts. Il s’agit là d’un avantage considérable, compte tenu en particulier de la quantité d’énergie consommée par les bâtiments à usage commercial, soit 19 % de l’énergie consommée aux États-Unis, et on estime que 30 % de cette énergie se trouve gaspillée.
