Production d’eau chaude sanitaire : vers la performance

Il existe plusieurs manières de produire l'eau chaude sanitaire de façon autonome avec un ballon de stockage. Outre l'installation conforme aux règles de l'art, le choix de la technologie doit répondre aux besoins précis des occupants et à la configuration du logement, dans le neuf comme en rénovation. Ce choix constitue la base de la performance énergétique attendue et du confort apporté aux utilisateurs.

L'eau chaude sanitaire (ECS) constitue aujourd'hui un enjeu évident de performance énergétique. La réduction importante des consommations de chauffage met en exergue de façon relative l'impact de l'ECS sur la facture énergétique des ménages. Aussi important soit-il, le mode de production d'ECS n'est qu'un maillon d'une chaîne comprenant, la production, la distribution de l'eau, le point de soutirage et les habitudes d'usage de l'utilisateur. Le premier maillon qu'est la production se doit d'apporter performance et confort au sein du foyer.

Principe et enjeux des systèmes à accumulation

Quatre éléments constituent le ballon à accumulation : le réservoir (ou ballon), le corps de chauffe (résistance) ou le circuit primaire d'énergie (solaire, thermodynamique...), l'isolant avec son enveloppe extérieure, et une électronique de gestion plus ou moins évoluée.

Assurer la pérennité du réservoir

Il existe principalement 2 technologies de réservoir : en acier inoxydable ou en acier émaillé. Choix haut de gamme, l'acier inoxydable de qualité alimentaire évite l'oxydation et la dégradation par la rouille. La grande majorité des cuves mises en œuvre est toutefois en acier standard recouvert d'une couche d'émail cuite au four ou d'un revêtement minéral sur la paroi intérieure afin d'éviter toute corrosion.

En complément, intervient une protection active. Il s'agit soit d'une anode en magnésium immergée dans l'eau, soit plus couramment d'un système anticorrosion intégral constitué d'une électrode en titane sans entretien.

Lutter contre les déperditions de stockage

La réglementation thermique se montre de plus en plus attentive aux déperditions thermiques liées au stockage de l'ECS. De fait, ces dernières années, les fabricants ont renforcé le pouvoir d'isolation des matériaux utilisés, voire l'épaisseur mise en œuvre, tout en limitant l'encombrement du ballon, devenant une contrainte de plus en plus présente, notamment dans les constructions neuves.

Ainsi, pour les volumes de stockage supérieurs à 500 litres, une laine ou des mousses synthétiques sont employées. Les ballons domestiques sont quant à eux traités avec une mousse polyuréthane injectée.

Groupe de sécurité : la soupape !

Un chauffe-eau électrique travaillant sous pression doit toujours être associé à un groupe de sécurité permettant de libérer le ballon de toute surpression. La bonne marche de ce composant (à manœuvrer une fois par mois) doit par ailleurs limiter les pertes d'eau chaude évacuée pour abaisser la pression.

Certains ballons dotés d'une paroi de plus forte épaisseur, acceptent de plus importantes pressions et limitent ainsi les pertes d'eau à l'égout. Le gain se chiffre en milliers de litres d'ECS par an !

Les atouts de la stratification

Grâce à une conception pointue en matière de mécanique des fluides, les fabricants limitent les turbulences liées à l'arrivée d'eau froide dans le ballon, lors de chaque soutirage d'ECS. En effet, il est important de créer des couches d'eau dans le ballon : de la moins chaude à la plus chaude.

Ce phénomène se nomme la stratification. L'intérêt ? Accroitre le confort d'usage en permettant de soutirer de l'eau chaude en partie haute du réservoir, alors que la totalité du volume d'eau n'a pas encore atteint sa consigne de température.

L'enjeu de l'intelligence embarquée et connectée

Comme pour la plupart des équipements du logement, les chauffe-eau intègrent à présent une électronique capable de gérer leur fonctionnement. A la clé, un gain de confort et de performance énergétique. Il existe sur le marché :

• les appareils programmables, auxquels sont données en amont des consignes que l’appareil respecte tout au long de la journée ;
• les appareils connectés communiquent et interagissent avec leur environnement pour adapter leur comportement et ainsi permettre des économies d’énergie. L’auto-programmation ou auto-apprentissage rend le chauffe-eau entièrement autonome : il devient capable d’anticiper la plupart des comportements des utilisateurs et donc de s’adapter à leurs besoins en produisant la juste quantité d’eau chaude au bon moment.

Pour ce faire, les appareils dotés de cette fonction mémorisent les profils de soutirage utilisés à un moment donné. Grâce à cette mémorisation des profils de soutirage, les chauffe-eau à accumulation permettent d’économiser jusqu’à 15 % d’énergie.

L'accumulation traditionnelle

Les ballons électriques directs à accumulation comportent des résistances de deux types. Les thermoplongeurs ou résistances blindées sont pour leur part très sensibles au calcaire. Les résistances boudinées sur stéatite sont quant à elles insérées dans un fourreau métallique, ce qui permet de les remplacer sans vidanger le ballon.

Accumulation et heures creuses

Rappelons que le ballon d'ECS à accumulation est l'ancêtre des smarts grids modernes. Le concept est simple : un interrupteur automatique enclenche le chauffage de l'eau uniquement en "heures creuses" afin de valoriser l'électricité produite en période de faible demande (généralement de 22h à 6h, parfois aussi en mi-journée, mais variable selon les régions).

Les appareils spécifiques

Il existe des modèles spécifiques de chauffe-eau électriques à accumulation, pouvant répondre à des besoins spéciaux ou des situations particulières. Objectif : confort et performance.

• Chauffe-eau de faible capacité : avec 10, 15, 30 voire 50 litres et munis d'une résistance de 900 à 2 000 W, ces équipements atteignent la température de consigne en moins d'une heure. Ils sont utilisés comme complément d'une installation d'un système de production principal, par exemple pour desservir un point de puisage éloigné qui causerait des pertes de distribution trop importantes et une trop grande attente au robinet. Solution non asservie à la tarification "heures creuses".
• Chauffe-eau à chauffe accélérée : il permet de porter l'ensemble du volume à température (75 à 400 litres) dans un laps de temps réduit. Adapté aux besoins irréguliers et aux espaces réduits, mais gourmand en énergie.
• Chauffe-eau à puissance multiple : ils permettent, outre le chauffage de l'eau en période d'heure creuse, de réchauffer rapidement en journée de volume afin de répondre à une demande soudaine. Cette technologie apporte satisfaction aux besoins irréguliers, tout en permettant une compacité du stockage et une chauffe majoritairement en période tarifaire avantageuse.

Le raccordement électrique

Un chauffe-eau à accumulation doit être alimenté par une canalisation de section minimale 2,5 mm². Certains chauffe-eau à double puissance atteignent 6 kW, d'où une section minimale de 6 mm² pour une protection en amont de courant assigné 32 A.

A propos du raccordement du relais "heures creuses" : ce circuit est généralement réalisé avec des fils de section 1,5 mm². Il peut donc être protégé par un disjoncteur 16 A. Toutefois, la protection interne du compteur électronique étant de 4 A, il est recommandé d'installer un disjoncteur de courant assigné 2 A.

Le chauffe-eau solaire

Il se compose d'une surface de capteurs solaires thermiques (variable en fonction de la région, une surface de 4 à 5 m² suffit répond généralement aux besoins d'une famille moyenne) disposés en toiture ou sur un support disposé au sol.

Un circuit hydraulique primaire, mis en mouvement par une pompe et géré par un régulateur, transfère la chaleur massique du fluide caloporteur (eau glycolée) à un ballon de stockage via un échangeur. Le ballon permet de restituer l'eau chaude au gré des soutirages. En cas de faible ensoleillement, une résistance électrique disposée dans le ballon de stockage prend le relai pour porter l'eau à la température de consigne.

Atout principal du chauffe-eau solaire

L'usage d'une énergie renouvelable permet de réduire la facture énergétique.

Les technologies de boucle primaire

Il existe plusieurs techniques pour réguler le surplus d'apport solaire en période estivale :

• boucle primaire classique : elle est en eau en permanence. En cas de surchauffe, le circuit primaire entre en action la nuit pour diffuser l'énergie au travers des capteurs en toiture ;
• système auto-vidangeable : l'eau est présente dans les capteurs uniquement lorsque la pompe entre en action. Cette régulation évite la surchauffe du circuit et la dégradation du glycol ;
• capteur plans à émissivité variable : le capteur plan (en eau en permanence), est revêtu d'un traitement spécifique qui lui confère une émissivité variable. Lorsque la température de l'eau de la boucle primaire est inférieure à un seuil donné, le capteur absorbe un maximum de rayonnement solaire (émissivité faible).

Lorsque ce seuil de température est dépassé, le capteur devient émissif et "reflète" le rayonnement solaire. Ce principe induit une auto-régulation du transfert de chaleur vers le ballon de stockage tout en préservant le circuit primaire d'une surchauffe.

Le chauffe-eau thermodynamique

Parce qu’il récupère les calories fournies par l’air ambiant, la principale source énergétique du chauffe-eau thermodynamique (CETh) est renouvelable. Grâce à cela, les économies d’énergie réalisées sont maximales : un CETh permet d’économiser jusqu’à 70 % d’énergie par rapport à un chauffe-eau à accumulation d’ancienne génération.

Le principe

Le chauffe-eau thermodynamique est le dernier né des appareils de production d’eau chaude sanitaire. Il se compose d’une pompe à chaleur et d’une cuve disposant d’une isolation thermique. La pompe à chaleur permet de récupérer et d’utiliser l’énergie gratuite contenue dans l’air.

Dans la pompe à chaleur, l’air aspiré par le ventilateur traverse l’évaporateur. Il cède ses calories au fluide frigorigène. Celui-ci finit de se réchauffer dans le compresseur. Le fluide frigorigène chaud circule dans le condenseur et cède ses calories à l’eau stockée dans la partie cuve.

La puissance du moteur entraînant le compresseur se situe autour de 500 W. A cela s'ajoute généralement une résistance d'appoint électrique (1500 à 2000 W), sauf en cas de couplage avec un système de chauffage.

Initialement proposé avec des capacités de stockage de 200 à 300 litres, le CETh est à présent disponible avec des cuves de plus petites capacités à partir de 80 litres pour certains modèles compacts. Le CETh s'ouvre donc largement à la production individuelle d'ECS en logements collectifs.

En lien ou non avec un système de chauffage

Il existe deux types d'installations de production d'ECS thermodynamique :

• indépendantes du système de chauffage : elles se composent d'un ballon équipé d'un groupe thermodynamique dont le fonctionnement est autonome et seulement lié aux besoins d'eau chaude ;
• liées au système de chauffage : il s'agit alors d'une pompe à chaleur dite "double service" dimensionnée pour assurer le chauffage du logement et la production d'ECS. En cas de besoin, la PAC donne priorité à la production d'ECS.

Le chauffe-eau thermodynamique peut également être relié à une chaudière gaz. L'ensemble ainsi formé permet au CETh de produire de l'eau chaude lorsque son rendement est maximum.

La chaudière gaz assure le chauffage du ballon de stockage lorsque le coefficient de performance du CETh est faible (cas d'un puisage de l'air extérieur en hiver, notamment pour une température extérieure inférieure à +7 °C).

Quatre configurations communément admises

Chaque configuration correspond à un mode de puisage de l'air (source froide) afin d'en extraire l'énergie utilisée pour le chauffage de l'eau :

•  air extérieur/eau : la PAC utilise le potentiel énergétique de l'air extérieur. Le CETh est capable de dégivrer l'échangeur sur l'air extérieur ou d'éviter le phénomène de givrage. Il existe des systèmes avec unité extérieure déportée (plus silencieux pour l'occupant à l'intérieur) ou intégré au ballon. Dans ce cas, l'air est acheminé à l'aide de gaines ;
• air ambiant non chauffé/eau : la PAC utilise l'énergie présente dans l'air ambiant d'un local situé hors du volume chauffé de la maison (chaufferie, cave, garage). Il convient si possible de profiter des pertes d'énergie dans ce local issues d'autres générateurs (chaudière à brûleur par exemple) ;
• eau glycolée/eau ou sol/eau (réseau de capteurs enterrés) : cette configuration de type géothermique nécessite des opérations de forage (sondes verticales) ou d'enfouissement (horizontal) des réseaux de capteurs. Il s'agit de capteurs à eau glycolée ou à détente directe du fluide frigorigène. Avantage : un coefficient de performance (COP) plus régulier au fil des saisons ;
• air extrait/eau : la PAC utilise le potentiel énergétique de l'air extrait du logement tout au long de l'année, via la ventilation mécanique contrôlée (VMC). Le débit doit toutefois pouvoir répondre à la totalité des besoins d'ECS. Idéal avec une VMC simple flux, ce couplage est beaucoup moins intéressant avec une VMC double flux. Atout : un COP élevé et constant tout au long de l'année.

Le coefficient de performance

La norme Européenne EN 16147 (remplace la norme EN 255-3) spécifie les conditions d'essai pour la détermination des caractéristiques des performances des chauffe-eau thermodynamiques, notamment le coefficient de performance (COP).

Le COP induit directement le niveau de performance de la production d'ECS. Pour bien comparer les CETh entre eux, il importe de se référer à des niveaux de température de l'air identiques. A titre d'exemple, un COP de 3,8 avec un air de 15 °C se limitera à une valeur de 3 pour un air à 7 °C.