Choisir un ballon de stockage

Épaisseur d’isolation des parois

Les constructeurs proposent généralement des épaisseurs de 5, 8 ou 10 cm. Lors de l’acquisition d’un nouveau ballon, nous recommandons sans hésiter une isolation de 10 cm.

Passer de 5 à 10 cm est amorti généralement en 3 ans. L’investisseur est donc récompensé dès la 4ème année. Pouquoi s’en priver : c’est un placement plus sûr qu’à la bourse de New York !

Si vous n’êtes pas convaincu, utilisez le petit programme ci-après et testez deux épaisseurs différentes : le gain financier apparaîtra sur les 30 ans de durée de vie du ballon.

Calculs

Pour évaluer la rentabilité de la pose d’un isolant, cliquez ici !

Cette très bonne rentabilité de l’isolant est liée au fait que l’eau chaude est maintenue en permanence à haute température par rapport à l’ambiance (Delta T° élevé).

Voici les recommandations du programme suisse “Ravel” pour les accumulateurs calorifugés sur place

Contenance en litres	Épaisseur minimale de laine minérale en cm
< 400	10
de 400 à 2 000	12
> 2 000	14

La lutte contre le développement de la légionelle ne fait que renforcer la nécessité d’une forte isolation puisque la température de maintien dans le ballon doit atteindre un minimum de 60°C.

Choix de l’isolant

On rencontre différentes techniques :

• L’isolation en mousse de polyuréthane (PUR), aujourd’hui sans CFC.

• Les matelas de laine minérale, ceinturés par une feuille d’aluminium et recouverts d’un manteau en aluman.

• Les coquilles en polystyrène, recouvertes d’un manteau de tôle laquée, amovible (mais parfois limité à certaines températures).

• La résine de mélamine, nouveau matériau très résistant à la haute température et facilement dissociable du manteau extérieur.

Parmi ceux-ci, surtout si le montage a lieu sur chantier, on sera attentif à deux critères :

• L’isolation ne peut générer de pertes par convection (circulation d’air entre la cuve et le manteau isolant). Lors de certains audits, il a déjà été constaté des “effets de cheminée” très importants à ce niveau !

• L’élimination ultérieure des déchets doit être simple (il n’est pas impossible que ceci soit taxé un jour…), ce qui privilégie le choix de matériaux dissociables de la cuve et si possible recyclables.

Encombrement

C’est le défaut des accumulateurs : ils prennent beaucoup de place.

Accumulateurs d’eau chaude en milieu hospitalier.

Si nécessaire, il est possible de limiter le volume de stockage en augmentant la consigne de stockage au delà de 60°C. Mais il est alors nécessaire de placer un mitigeur thermostatique pour diminuer la température de distribution.
En voici le schéma pour une installation électrique :

Mesure anti-légionelle

Pour éviter le développement de la légionelle, il faut éliminer les zones tièdes dans les ballons de stockage. On sera donc attentif à la conception du ballon et à une éventuelle poche d’eau tiède qui se formerait en dessous de l’élément chauffant (la face inférieure du ballon est-elle isolée ?). L’existence d’un robinet de purge en partie inférieure est également un facteur favorable pour la maintenance.

Il faut savoir que les installations d’eau chaude sanitaire sont tapissées d’un dépôt visqueux (le biofilm) composé de micro-organismes, dont des amibes… Or les légioelles créent des colonies dans les amibes. Et une fois logées dans celles-ci, elles peuvent exceptionnellement résister jusqu’à 80°C car les amibes sont plus résistantes à la chaleur !

“Les installations doivent être entretenues régulièrement; à cet effet, les appareils de production d’eau chaude seront dotés des ouvertures nécessaires” (source CSTC).

Stratification des températures

Si un ballon de 1 000 litres à 50°C est vidé pour moitié, il faut y trouver 500 litres d’eau à 50°C (encore exploitables) et 500 litres à 10°C. Et non 1 000 litres à 30°C, inutilisables…

La stratification des températures, assure la valorisation du volume utile et donc supprime tout besoin de surdimensionnement du stockage, générateur de pertes par l’enveloppe.

Pour réaliser cette stratification correcte, on adoptera :

• un casse-vitesse sur l’arrivée de l’eau froide au bas du ballon,

• une isolation renforcée pour limiter la circulation interne,

• une isolation de la boucle de distribution pour éviter le retour d’eau trop froide qui “tombe” dans le réservoir et crée des turbulences,

• une isolation soignée de la tubulure de sortie de l’accumulateur,

• un retour vers le ballon de la tuyauterie de circulation le plus haut possible,

• le choix de la position verticale (il faut absolument éviter de coucher les accumulateurs qui perdent ainsi une bonne partie de leur volume utile),

• le raccordement des ballons multiples en série plutôt qu’en parallèle.

Exemple d’isolation de la tuyauterie de départ.

Pour limiter la consommation d’énergie, il est souvent judicieux d’arrêter la boucle de circulation durant la nuit. Mais cette mesure entraîne une perturbation de la stratification lors du réenclenchement de la circulation. Il est alors utile de programmer cet enclenchement à la fin de la période de chauffage de nuit, pour bénéficier encore du tarif avantageux.

Dans les calculs de dimensionnement, pour tenir compte du degré de stratification des ballons, on considérera une température minimum possible du stock de 10° et on y associera un coefficient d’efficacité ‘a’. Dans la plupart des cas courants, celui-ci prendra une valeur de 0,8 à 0,95 (bonne stratification), ce qui signifie que 80 à 95 % du volume réel du ballon est utilisable pour la température voulue. Si on se trouve dans le cas d’un ballon avec mélange important, ‘a’ peut descendre jusqu’à 0.45.

Dimensionnement

Combien de ballons ne sont-ils pas surdimensionnés !!!
Ils génèrent des pertes de chaleur permanentes par leurs parois…

Calculs

Pour calculer le volume de stockage nécessaire, cliquez ici !

Protection contre la corrosion

parmi les différentes matières de cuve, pour lutter contre la corrosion de l’eau, on prévoit (source RAVEL-Suisse, que nous n’avons pas vérifiée) :

• L’abandon de la technique de l’acier St 37 galvanisé au bain.

• Le recours éventuel au cuivre et aux alliages de cuivre, pour lequel nous manquons d’expérience mais qui est couramment utilisé dans les pays scandinaves et en Angleterre. Cette solution est nettement plus coûteuse.

• L’acier inoxydable (acier CrNiMo), qui doit être suffisamment allié. On utilise généralement les nuances DIN 1.4435 ou 1.4571, soit des aciers à faible taux de carbone avec adjonction de molybdène. Pour les gaines de corps de chauffe (résistances électriques), plus fortement sollicitées, on adoptera des alliages plus performants à teneur élevée de nickel, tels que le IN 1.4539, l’Inconel, etc… La qualité de l’équipement est souvent liée à la réalisation des soudures et au décapage intérieur des cuves.

• L’acier St 37 avec revêtement organique ou synthétique, mais d’usage limité puisqu’il requiert de ne pas dépasser la température prescrite par le fournisseur (généralement 60°C), ce qui n’est plus compatible avec les critères de gestion anti-légionnelle.

• Enfin l’acier St 37 émaillé, émaillage réalisé généralement par deux couches successives cuites au four à 890°C.

Les cuves émaillées seront en plus munies d’une protection cathodique : le principe est de protéger l’acier par un métal moins noble que lui. Aussi, les constructeurs incorporent généralement une anode sacrificielle (une barre de magnésium) qui, sacrifiée, se dissout… laissant l’acier intact.

Régulation de température par mitigeage

Une régulation de température par mélange avec l’eau froide de distribution procure divers avantages :

• Meilleure stabilité de température de l’eau distribuée.

• Élévation possible de la température du ballon (donc augmentation de la capacité de stockage de nuit… au détriment de l’augmentation des pertes par les parois).

• Possibilité de sélectionner un différentiel plus élevé (par exemple 10 K). Ceci réduit le nombre des appels de chaleur de la chaudière et les pertes occasionnées par les cycles de marche-arrêt.

• Possibilité de créer une pointe de température périodique à plus de 70°C pour lutter contre la légionellose.

Mieux : il est judicieux de placer des mitigeurs thermostatiques séparés pour les différents usages de l’ECS dans un bâtiment. La température de l’eau sera adaptée aux différents usages (cuisine et buanderie, chambres, …).

Le risque de brûlure est limité et les pertes des conduites sont diminuées. Les vannes trois vannes seront équipées d’un moteur rapide. La sonde de température aura une très faible constante de temps et sera placée à moins de 50 cm après le mélange.

Dans le cas où les douches n’ont pas leur propre régulateur thermostatique, la régulation de la température de départ peut être améliorée en plaçant un petit ballon entre la vanne et la sonde de température (source : Costic). Un dispositif de sécurité anti-brûlure fermera la vanne en cas de dépassement de la température maximale.

S’il existe une boucle de distribution, le retour de boucle doit être repiqué sur l’entrée “Eau Froide” de la vanne mélangeuse (voir schéma similaire pour la préparation instantanée gaz).

Mais question ?

Peut-on conserver une boucle à température mitigée… sans risque de développement de la légionelle ?
Deux réponses semblent possibles :

• Soit l’usage de chaque branche de l’installation est permanent, le réseau est constamment renouvelé : le risque est pratiquement nul (on suppose que toutes les bactéries ont été tuées lors de la phase de production de l’eau chaude à haute température et qu’elles ne peuvent pas se développer si vite dans le réseau).

• Soit certaines branches restent inopérantes plusieurs semaines et le réseau lui-même est peu renouvelé : on pourra craindre un développement de la bactérie. Dans ce cas, le mitigeage doit être assuré au puisage de l’eau.

Il semble que la réponse actuelle soit de placer toute dérivation de plus de 5 m ou de plus de 3 litres sur une boucle (maintenue à un départ de 60 et un retour de 55°C min.), ou d’y organiser un rinçage automatique par semaine.

Études de cas

Comparaison de différents systèmes de production avec accumulateur.

Le ballon de stockage est chauffé par un serpentin d’eau chaude. Le chauffage de l’eau du serpentin est réalisé grâce à une chaudière (gaz, fuel, …) qui assure également le chauffage du bâtiment.

Pour les petites puissances, il est possible que le ballon soit intégré dans la même jaquette que la chaudière. Cette solution a l’avantage de présenter moins de pertes vers l’ambiance, en raison

• de l’absence de tuyauterie externe entre le ballon et la chaudière,
• d’une surface déperditive totale moindre.

On peut parler ici de semi-accumulation puisque le stockage permet de subvenir aux besoins de pointe et la chaudière reconstitue ensuite rapidement le stock d’eau chaude.

L’avantage de ce système est de permettre un approvisionnement important, sans risque de “pénurie” en fin de journée (contrairement au système à accumulation électrique), et avec un confort d’approvisionnement optimum (contrairement au système instantané gaz).

Un réseau hydraulique qui permet un fonctionnement “indépendant”

Pour limiter les pertes de distribution au niveau du collecteur primaire, il est conseillé de raccorder la production d’eau chaude directement sur la chaudière, ce qui permet de fonctionner en température glissante au niveau du collecteur primaire (diminution des pertes), tout en pratiquant une priorité sanitaire.

De même, en été, cela permet de ne pas maintenir en température tout un collecteur uniquement pour produire de l’eau chaude.

Lorsque l’installation de chauffage est composée de chaudières en cascade de puissances différentes, il est évident qu’en été, c’est la chaudière dont la puissance est la plus proche des besoins de la production d’ECS qui doit être utilisée, de manière à limiter les pertes à l’arrêt de la chaudière et à optimaliser les temps de fonctionnement du brûleur.

Choix d’une chaudière “basse température”

Autrefois le risque de corrosion (lié à la condensation de la vapeur d’eau des fumées) entraînait le maintien en température de la chaudière fuel toute l’année, y compris l’été. On parlait d’un maintien “sur aquastat” à 65°C, par exemple.

Mais aujourd’hui, il est possible de sélectionner une chaudière régulée à température glissante, c’est à dire dont l’aquastat descend lorsque la température extérieure remonte. Le rendement de combustion en est amélioré.

La présence d’un ballon d’eau chaude perturbe cette volonté de travail à basse température. Pour réchauffer l’eau chaude sanitaire, une température minimale de 70°C environ est en effet nécessaire. Temporairement, par mesure de précaution anti-légionelle, une montée de l’eau de stockage à 70°C est même parfois organisée.

Pour résoudre ce problème, il est possible de mettre en place une régulation avec telle que la chaudière ne monte en température qu’au moment du réchauffage du ballon. Le ou les vannes mélangeuses des circuits de chauffage se ferment alors légèrement.

Pour plus d’infos sur la régulation en présence d’une production combinée, cliquez ici !

Des relances intempestives du chauffage de l’eau sanitaire limitées par une horloge

Si l’on prévoit que la demande peut être couverte facilement par une ou deux relances de la chaudière sur la journée, il sera utile de greffer une horloge sur la régulation pour imposer les plages horaires durant lesquelles le réchauffage du ballon est autorisé. Par exemple : de 5 à 7 heures du matin (juste avant la relance, ainsi on peut profiter de la haute température de l’eau) et de 16 à 18 heures en fin de journée. On évitera dès lors de remettre la chaudière en route pour un puisage d’un seau d’eau ! c’est surtout avantageux en été, bien sûr, mais ce l’est également en hiver puisque la température moyenne saisonnière de l’eau d’une chaudière régulée en fonction de la température extérieure est de 43°C.

Cette technique a fait l’objet d’une simulation sur une installation ECS domestique (consommation de 45 m³ à 55°C). Voici les rendements obtenus (source “Chauffage et production d’ECS” – M. Rizzo – Éditions Parisiennes) :

	Chauffage de l’ECS constant	Chauffage de l’ECS programmé
Été	44 %	66 %
Hiver	69 %	80 %
Année	59 %	75 %

Soit un gain moyen annuel de 16 % sur la production d’eau chaude.

Alternative : s’il est difficile de planifier les périodes de chauffage de l’eau chaude, il est possible d’obtenir un effet similaire en régulant le ballon au moyen d’un thermostat à fort différentiel situé en partie haute (au moins au 2/3 de la hauteur). Ce thermostat arrête la pompe de circulation du réchauffeur quand on atteint la température de ballon désirée, généralement 60 à 65°C, et remet le chauffage en service quand la température d’eau tombe à 40/45°C.

Un réseau hydraulique qui valorise le choix d’une chaudière à condensation

Nous sommes en présence d’un paradoxe :

• L’eau sanitaire est très froide (10°C) à son arrivée. Elle devrait dès lors permettre de valoriser l’efficacité énergétique d’une chaudière à condensation.

• L’eau chaude sanitaire doit être portée à haute température (généralement 60°C, voire plus pour gérer le problème de la légionellose). Le circuit de chauffage monte donc à 75°C, et génère des retours à 65°C en fin de période de chauffage du ballon ! Par rapport aux circuits “basse température” dont nous sommes aujourd’hui coutumiers en chauffage, c’est donc un régime “haute température”… et cela supprime toute possibilité de condensation.

Deux solutions apparaissent :
> 1° Il existe deux raccordements de retour à la chaudière à condensation. Le retour de l’eau chaude sanitaire est raccordé à l’entrée “haute température”. On a abandonné tout espoir de condenser avec le réseau d’eau chaude sanitaire.

> 2° On décide au contraire de valoriser au maximum la condensation. Sachant que la température de retour doit être inférieure à 53°C, on décide de travailler avec un circuit d’eau de chauffage du ballon à la plus basse température de retour possible. Lors du dimensionnement de la puissance de l’échangeur de production d’eau chaude, un retour à 40 .. 45°C est choisi, par exemple via un régime 70° – 40° ou 90° – 45° au lieu d’un traditionnel régime 90° – 60°.

Techniques

Pour plus d’informations sur les circuits hydrauliques favorables à la condensation, cliquez ici !

Choix d’une résistance complémentaire d’appoint

Le placement d’une résistance électrique complémentaire permet de désolidariser la production de chaleur en été et d’arrêter la chaudière. On parle d’un accumulateur mixte.

1. Thermomètre.
2. Tube plongeur pour sonde de thermostat.
3. Anode en magnésium.
4. Tube de retour de circulation.
5. Cuve (acier galvanisé, cuivre ou acier).
6. Thermovitrification / émail / plastique.
7. Capot de recouvrement.
8. Thermostat de réglage et de sécurité.
9. Corps de chauffe.
10. Prise d’eau froide.
11. Brise-jet.
12. Tube plongeur pour sonde de thermostat.
13. Pieds réglables.
14. Calorifuge (laine minérale, polyuréthane sans CFC).
15. Retour chauffage.
16. Serpentin.
17. Aller chauffage.
18. Prise d’eau chaude.

Un tel équipement est également perçu comme un moyen d’assurer un complément de chaleur à un système de production de chaleur par énergie solaire ou par pompe à chaleur, par exemple. Mais la position de l’échangeur électrique est alors toute autre ! Il va se placer en position médiane, créant 2 ballons : un demi-ballon inférieur pour le préchauffage solaire et un demi-ballon supérieur pour l’appoint électrique.

1. Carrosserie.
2. Calorifuge (laine minérale, polyuréthane sans CFC).
3. Cuve (acier galvanisé, cuivre ou acier).
4. Thermovitrification / émail / plastique.
5. Prise d’eau froide.
6. Brise-jet.
7. Fond.
8. Tube plongeur pour sonde de thermostat.
9. Corps de chauffe.
10. Pieds réglables.
11. Capot de recouvrement.
12. Raccordement électrique.
13. Thermostat de réglage et de sécurité.
14. Flasque.
15. Anode en magnésium.
16. Thermomètre.
17. Prise d’eau chaude.
18. Groupe de sécurité (là, il faut le deviner !).
19. Vidange à l’égout.

Choix de la résistance chauffante

Parmi les différentes techniques de chauffe, les résistances tubulaires blindées (thermoplongeurs) présentent de nombreux avantages sur leurs concurrents en céramique, dont notamment :

• Moins de dépôt calcaire en raison des dilatations et retraits successifs de la barre.

• Bonne capacité de flexion à froid leur permettant d’adapter leur forme à celle du fond du chauffe-eau pour réduire la zone d’eau froide (mesure anti-légionelle).

Le thermoplongeur est en contact direct avec l’eau du boiler et est donc susceptible de s’entartrer. Pour le remplacer, il faut vider complètement le réservoir. Ce n’est pas le cas pour les résistances logées dans un fourreau que l’on peut remplacer facilement.

Point de consigne

Les thermostats installés sur les chauffe-eau sont préréglés (60 à 65°C) mais il est important de choisir un appareil dont le point de consigne peut être modifié si nécessaire.

Groupe de sécurité

Pour permettre la dilatation de l’eau lors du chauffage, on trouvera en amont du chauffe-eau un groupe de sécurité (un par appareil), comportant un robinet d’arrêt, un clapet de retenue, une soupape de sûreté et un dispositif de vidange.

Il doit porter l’agréation ANS-NAV (reconnaissable aux initiales NA devant le numéro de référence).

Plusieurs appareils en série

Il est possible de greffer plusieurs accumulateurs électriques de forte capacité. Leur dimensionnement correct est très important puisque :

• Ils doivent stocker la quantité d’eau chaude nécessaire à la totalité des besoins journaliers, afin de bénéficier des prix de nuit.

• Ils ne doivent pas stocker plus que les besoins journaliers pour ne pas générer des pertes thermiques de stockage inutiles.

Si une relance est nécessaire en journée, une bonne gestion de cette relance doit être réalisée :

• Seul le dernier ballon devra être réchauffé.

• L’enclenchement sera asservi à un seuil de température.

• Un délesteur pourra interrompre la charge durant les heures de pointe (limiter la pointe de puissance du bâtiment).

Hydrauliquement, ces appareils seront montés en série, avec un by-pass permettant d’isoler chaque ballon le cas échéant.

La distribution doit être indépendante du stockage. Il faut proscrire les montages “ballons en parallèle” et “bouclage par stock complet” qui amènent à des relances diurnes coûteuses puisque l’eau de recirculation détruit toute la stratification.

Un bouclage par le dernier ballon est à la limite possible si le volume du stock est approprié : 250 litres à 65°C sont nécessaires pour 100 mètres de tuyauterie de distribution à 50°C, bien isolée.

Pour limiter les pertes de stockage, préférer 2 ou 3 grands ballons plutôt que de nombreux petits ballons.

Stratification

La première mesure pour améliorer la stratification consiste à installer des ballons verticaux et bien calorifugés.

La qualité de la stratification des températures dans le ballon est d’autant plus cruciale que l’on souhaite valoriser l’énergie électrique de nuit. Pour gérer l’effet de déstratification lié au retour de l’eau “froide” de circulation, deux techniques sont possibles :

• soit éviter la boucle de circulation en la remplaçant par un ruban chauffant électrique,

• soit prévoir un réchauffage d’appoint de boucle, greffé sur le retour de circulation.

Mais il nous semble que dans les deux cas le bilan financier risque d’être lourd, puisque l’on réchauffe l’eau par de l’électricité de jour.

Les techniques de stratification exprimées ci-dessus seront préférées (et tout particulièrement l’isolation renforcée de la boucle de circulation), complétées par une légère augmentation de la température du ballon : en misant sur la faiblesse de la chute de température dans la boucle, on pourrait se passer de réchauffeur.

Si la boucle est fort longue, un réchauffeur semble inévitable. Rappelons qu’une tuyauterie bien isolée perd 7 W/m. Si le circuit totalise 150 m de longueur, c’est une puissance d’1 kW qui est émise. La chaleur perdue en 24 heures correspond au chauffage de 430 litres à 60°C… Et le coût en chauffage électrique avoisine les 750 € par an.

Autre solution : abaisser la consigne du réchauffeur de boucle afin de juste maintenir la température minimale souhaitée.

Dimensionnement

Un des désavantages de cette technique est le risque de tomber à court d’eau chaude en fin de journée, en cas de puisages très importants. Pour éviter cela, il faut :

• Soit surdimensionner le ballon de stockage (ce qui implique des pertes permanentes supplémentaires).

• Soit prévoir la possibilité de faire une relance durant la journée, mais au prix du courant de jour !

Dans ce dernier cas, on adoptera un appareil équipé de 2 résistances :
l’élément chauffant inférieur assure la charge nocturne à bas tarif, alors que l’élément chauffant supérieur couvre les demandes de pointe en eau chaude durant la journée, soit environ le 1/3 supérieur du ballon. L’enclenchement simultané des deux résistances n’est généralement pas autorisé en raison de la puissance cumulée.

La température de stockage est généralement comprise entre 50 et 60°C.

Si la longueur des circuits entre ballon et point de puisage dépasse 5 à 6 mètres, on n’hésitera pas à dédoubler le ballon électrique.

Régulation

Les thermostats des batteries électriques doivent être équipés d’une double sécurité contre la surchauffe, cette deuxième sécurité devant être active sur toutes les phases.

Étant donné le coût de l’électricité, une horloge ou une télécommande sur le réseau du distributeur commanderont la charge durant les heures creuses (la nuit ou le WE).

Une très grande souplesse

L’avantage de ce type d’équipement (par rapport à la solution électrique), c’est que le fonctionnement n’est pas réservé à la nuit. À tout moment le stock d’eau chaude peut se reconstituer, ce qui permet de mieux gérer des puisages importants et exceptionnels. En fait, on peut parler ici de système semi-instantané ou semi-accumulation.

Attention aux brûleurs gaz atmosphériques

Mais malheureusement, ces accumulateurs gaz sont généralement équipés d’un brûleur atmosphérique restant ouvert en permanence vers la cheminée. De l’air à température ambiante entre dans l’appareil et sort par effet de cheminée, évacuant ainsi une part de la chaleur stockée…

Il en résulte des pertes à l’arrêt plus importantes que pour un ballon totalement fermé (ballon électrique ou ballon avec serpentin d’eau chaude) et le rendement saisonnier diminue.

Il sera donc très utile de demander au fournisseur la consommation de maintien annoncée (ou cachée…) de son appareil pendant 24 heures sans puisage (c.-à-d. la consommation pour simplement assurer le maintien de l’eau à 60°C durant 24 h).

Les appareils à ventouse sont probablement meilleurs à ce niveau (dépression moins forte de la cheminée). Idéalement, il faut choisir un appareil à air pulsé (ou aspiré) : lorsque la flamme s’arrête, la ventilation est stoppée elle aussi.

Accumulateur gaz à ventouse.

1. Sortie ventouse en façade.
2. Conduit de fumées.
3. Coupe-tirage.
4. Arrivée d’eau froide (tube plongeur).
5. Départ d’eau chaude.
6. Habillage à haute isolation.
7. Anode magnésium (protection corrosion).
8. Réservoir.
9. Corps de chauffe.
10. Mystère…
11. Foyer.
12. Socle thermo-isolant.
13. Brûleur atmosphérique à rampes inox et régulation pneumatique avec thermostat incorporé.

Privilégier les brûleurs à air pulsé

Cette fois, le foyer restera clos lors de l’arrêt du brûleur.

Cas particuliers : les accumulateurs gaz à chauffe rapide

Un compromis entre préparateur instantané gaz et accumulateur gaz peut être trouvé dans les appareils dits “accumulateur à gaz à chauffe rapide”.

Ils peuvent travailler en toute autonomie, ce qui permet de séparer les fonctions chauffage et production ECS.

Leur foyer est ouvert, donc de l’air ambiant, attiré par la dépression de la cheminée, va balayer l’appareil et refroidir l’eau stockée en permanence. La flamme s’allumera régulièrement,… rien que pour maintenir l’eau en température.

Exemple. Voici la fiche catalogue de l’appareil ci-dessous : Capacité : 185 l Quantité d’eau disponible en 1 heure : 385 l avec Delta T° = 35 K Puissance utile : 9,18 kW Puissance enfournée : 10,2 kW Consommation d’entretien : 5,04 kWh/24 h Température des fumées : 171°C Sur base des données catalogue, on obtient un assez bon rendement instantané de combustion : 9,18/10.2 = 90 % Mais par contre on annonce une consommation d’entretien de 5,04 kWh/24 h. Imaginons que seulement 150 litres d’eau à 45°C soient utilisés. Cela représente une énergie utile de : 0,150 m³ x 1,163 kWh/m³.K x (45 – 10) K = 6,1 kWh Le rendement de stockage devient 6,1 / (6,1 + 5,04) = 55 % Soit un rendement global de 55 % x 90 % = 49,5 % !!! Bien sûr, on a utilisé l’appareil en mode accumulation pure… Si, par contre, on lui fait tirer 2 000 litres d’eau chaude sur la journée, le rendement se rapproche des 90 % annoncés.

Préférer les appareils à condensation

Condenser la vapeur contenue dans les fumées de l’appareil au gaz ? Bien sûr, puisque l’eau arrive à 10°C dans le bâtiment ! Du moins, à première vue car le ballon est globalement maintenu à une consigne de 60°C …

Les constructeurs ont donc logiquement utilisé la stratification régnant le réservoir : les fumées sont refroidies jusqu’à condenser dans un échangeur qui se termine dans la partie froide du ballon.

En soutirage continu, le fabricant annonce un rendement de combustion de 105 % sur PCI.

À noter que l’utilisation d’un ventilateur (obligatoire puisque les fumées froides ne montent plus toutes seules…) garantit de très faibles pertes par balayage à l’arrêt du brûleur.

Calorifuge soigné, rendement de combustion élevé, pertes à l’arrêt maîtrisée,… le parent pauvre de l’HVAC a enfin ses lettres de noblesse !

Il existe différentes technologies de pompe à chaleur (PAC) pour la préparation de l’eau chaude sanitaire.

Emplacement de la prise de chaleur (= la “source froide”)

Il est important de placer l’évaporateur de la pompe à chaleur (PAC) dans un milieu chargé de chaleur “gratuite” ! Il n’y a pas de sens à le placer dans un local qui doit être chauffé…

Le placement dans une cave est toujours sujet à réflexions. Faut-il récupérer les pertes de l’installation de chauffage, pertes par des tuyauteries mal isolées par exemple ? La réponse nous semble non. Le refroidissement de la cave par la PAC ne ferait qu’augmenter les pertes du réseau… Si une PAC est placée dans une vieille chaufferie, et qu’une rénovation ultérieure supprime ces pertes, c’est l’investissement dans la pompe à chaleur qui s’en trouve pénalisé…

Le bon réflexe consiste d’abord à limiter les pertes. Et à chercher une véritable source de chaleur “gratuite”

• l’air extrait du bâtiment,
• l’eau du circuit des tours de refroidissement d’une installation de conditionnement d’air,
• l’air rejeté par un process quelconque,
• l’air humide d’une buanderie, d’une piscine,
• l’air d’un local où rayonne un condenseur de machine frigorifique (ici aussi, c’est discutable puisque le condenseur devrait d’abord être déplacé, mais un manque de place ou une nuisance acoustique peuvent justifier ce choix).
• …

On cite un volume de local de 25 m³ au minimum par kW de puissance compresseur installée, mais nous préférons analyser la puissance de la source de chaleur.

Cet emplacement doit être compatible avec le souhait de ne pas s’éloigner des points de soutirages d’eau chaude (cuisines, sanitaires, …). À défaut, il faudra soit utiliser un système “split”, soit un appareil muni d’un raccord pour gaine de ventilation.

La réflexion doit inclure l’hiver et l’été, et donc éventuellement prévoir un orifice donnant sur l’extérieur pour la période estivale. Si l’appareil n’est pas en service pendant la période de chauffage, les critères ci-dessous doivent être adaptés.

On évitera les locaux :

• D’entreposage de vivres : la température de surface de l’évaporateur se trouvant généralement au-dessous de la température de rosée de l’air ambiant, celui-ci sera déshumidifié, ce qui peut altérer la conservation des légumes, des fruits, et des bouchons des bouteilles de vin !

• Très poussiéreux qui pourraient provoquer le colmatage rapide de l’évaporateur, par collage sur les lamelles humides.

• D’entreposage des solvants, car le ventilateur peut les diffuser et accroître le risque d’explosion.

• Exposés à un risque de gel, car les conduites pourraient geler en période d’arrêt (dans ce dernier cas, on privilégiera les PAC de type split, avec échangeur statique par exemple, où le transport de chaleur est assuré par le fluide frigorigène lui-même).

Emplacement du condenseur de la PAC

La chaleur de la PAC est fournie au condenseur de la machine. Pour les appareils avec intégration du condenseur dans le ballon d’eau chaude, les exigences suivantes sont requises :

• Respect du choix du fluide frigorigène conformément aux législations en vigueur.

• Aucune addition d’adjuvants quelconques au frigorigène.

• Utilisation de lubrifiants ne présentant aucun danger pour le consommateur d’eau potable.

• Aucun point ou joint soudés, assemblage vissé, … au niveau de l’échangeur entre le fluide frigorigène et l’eau potable.

• Une sécurité élevée contre les dommages par la corrosion.

• Un dispositif automatique de dégazage qui empêchera un dégagement de frigorigène sous forme gazeuse dans les locaux par la conduite d’eau potable.

Il nous semble que le système où le transfert de chaleur est réalisé par un condenseur extérieur disposé tout autour de l’accumulateur d’eau chaude est plus adéquat, toute infiltration du frigorigène étant alors impossible. De plus, suite à la surface importante de l’échangeur, le dépôt de tartre est exclu.

Il existe également des pompes à chaleur pour l’eau chaude sanitaire placée sur le retour de la boucle de circulation. Ce choix permet :

• De sous-dimensionner l’accumulateur (ou tout au moins de ne pas adopter des suppléments de sécurité) puisque la PAC est en réserve.

• De préchauffer le ballon durant la nuit à une température minimale.

• D’arrêter la chaudière en été et de fournir l’eau chaude sanitaire par la seule PAC.

Fonctionnement de jour

Réchauffage de la boucle par la PAC.

1. Circulateur de boucle.
2. Circulateur de nuit.
3. et 4  Clapets anti-retour.

Fonctionnement de nuit

Chauffage du ballon par la PAC.

Utilisation d’eau chaude.

L’ensemble de ces arguments intéressants permettent-ils d’amortir le coût de l’investissement dans un double équipement de production de chaleur ? C’est le calcul à faire !

Appoint ?

Pour diminuer la température de condensation de la PAC (et donc augmenter sa performance), il faut concevoir la PAC comme une source de chaleur de préchauffage jusque 35°C ou 45°C, par exemple. L’appoint serait donné par une deuxième source de chaleur, dans un deuxième ballon en série. Ce n’est pas forcément une résistance électrique pour ne pas diminuer la performance énergétique globale du projet…

Bien souvent on se contente d’un système d’accumulateur mixte, mais la stratification des températures n’est pas parfaite (la résistance chauffera une certaine part du ballon, s’il n’y a pas de grilles de stratification dans le ballon). Plus important, il faut se rendre compte que le ballon de préchauffage est à une température idéale de prolifération de la légionelle. Ce n’est pas grave pour autant qu’il soit suivi d’une réserve à haute température dans laquelle l’eau reste durant un temps suffisamment long (3 heures à 60°C, par exemple, ou 1 heure à 70°).

ll faut donc s’assurer que le débit d’eau de pointe ne génère passage trop rapide dans le 2ème ballon, sans assurer le temps de destruction des bactéries.

Dimensionnement

Le dimensionnement d’un préparateur d’eau chaude sanitaire avec pompe à chaleur est sensiblement identique au dimensionnement d’un chauffe-eau électrique traditionnel.

Pour favoriser le fonctionnement de nuit de la PAC (bas tarif), une majoration du volume de stockage est préconisée. Mais s’il s’agit d’une PAC sur l’air extérieur, cette technique de chauffage de nuit doit être étudiée de plus près car la température de nuit étant plus faible, c’est le COP, coefficient de performance de la pompe à chaleur, qui diminue. Il faut donc comparer (sur base de la documentation du constructeur) la baisse du COP et la baisse du tarif électrique.

Ce raisonnement est aussi fonction du type de source froide : une récupération de chaleur sur l’air extrait se fera essentiellement en journée, par exemple.

Consommation

Le bilan énergétique est directement fonction du COP, coefficient de performance de la pompe à chaleur.

Un COP de 3 signifie que pour 1 kWh électrique consommé au compresseur, on obtiendra 3 kWh au condenseur, c.-à-d. dans le ballon d’eau.

Il est difficile d’obtenir des informations neutres à ce sujet. De nombreux paramètres influencent le bilan final : la température de l’eau sanitaire, la température de la source, le fluide de transfert,… La température de l’eau chaude sanitaire est un facteur prépondérant : comment l’appoint est-il fourni ? comment la gestion de la légionelle va-t-elle influencer ce bilan ?

Ci-dessous, voici l’évolution du coefficient de performance telle que présentée dans une étude suisse réalisée en 1994 pour le compte de l’Office fédéral des questions conjoncturelles (programme RAVEL).

Rappelons que le facteur numéro 1 de consommation restera la quantité d’eau chaude consommée !

Et les légionelles?

À l’heure actuelle, le choix d’une pompe à chaleur comme préparateur d’eau chaude sanitaire devient délicat vu sa difficulté à atteindre des températures de l’ordre de 55  °C minimum nécessaires à la lutte contre la prolifération des légionelles.