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Auteur : les anciens

Mars 2009 : Thibaud

Notes :

  • antidote appliqué. Thibaud
  • Style css des tableaux : Thibaud
  • winmerge appliqué. Thibaud

Éléments communs aux différentes technologies

Un préparateur d’eau chaude à accumulation est un réservoir dans lequel l’eau froide est chauffée puis accumulée. Cette fonction « accumulatrice » lui permet de répondre rapidement à une demande importante.
Les technologies se distinguent notamment en fonction du vecteur énergétique : gaz, électricité ou à eau chaude.

Cuve résistantes à la corrosion

L’eau est naturellement agressive suite à la présence de l’oxygène. Si dans un circuit de chauffage cette eau tourne sur elle-même et est considérée comme « morte », l’eau sanitaire est au contraire toujours renouvelée. Différents types de matériaux existent

  • L’acier St 37 galvanisé au bain, à chaud, mais cette technique est abandonnée aujourd’hui.
  • Le cuivre et les alliages de cuivre, qui semble doté d’une bonne résistance à la corrosion mais pour lequel nous manquons d’expérience. Il est couramment utilisé dans les pays scandinaves et en Angleterre.
  • L’acier inoxydable (acier CrNiMo), qui doit être suffisamment allié pour la construction d’un chauffe-eau. 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, plus fortement sollicitées, on adopte 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. L’acier est soumis à différents traitements préparatoires (traitement chimique ou sablage) pour assurer l’accrochage de l’enduit. Son usage est limité puisqu’il requiert de ne pas dépasser la température prescrite par le fournisseur (généralement 60°C).
  • Enfin l’acier St 37 émaillé. L’acier est du type pauvre en carbone. Différents traitements (chimiques ou mécaniques) sont nécessaires avant l’émaillage. Celui-ci est réalisé généralement par deux couches successives cuites au four à 890°C.

Protection cathodique contre la corrosion

Les revêtements émaillés comportent quelques pores après la cuisson. Pour exclure tout risque, les appareils émaillés sont munis d’une protection cathodique ou galvanique. Lors de la formation d’une pile électrique, c’est toujours l’anode qui se corrode. Le principe est donc de protéger l’acier (= la cathode) en le mettant en contact avec un métal moins noble que lui (= l’anode).
L’anode, plongée dans l’eau, est généralement en alliage de magnésium. Le fer « ennobli » reste intact et le magnésium sacrifié se dissout. L’anode devra être remplacée lorsque son usure dépasse 60 %.
Ce type d’anode est dégradable, mais il existe également des anodes électroniques (généralement en titane) fonctionnant sur le secteur, et qu’il ne faut en principe jamais remplacer. En cas de panne de courant, elles sont alimentées par une batterie rechargeable. Mais celle-ci n’a qu’une capacité de 1 à 2 jours. Cela suffit si le courant est coupé pendant la journée, parce que le boiler ne fonctionne que la nuit. Cela pourrait poser problème si le courant est coupé durant une période de vacances, par exemple. Le boiler ne serait plus protégé contre la corrosion.

Les pertes thermiques du ballon

Elles sont évaluées via sa constante de refroidissement Cr (puissance de déperditions du ballon) et sa constante d’entretien ce (pertes annuelles).
Mais les performances des ballons usuels sont généralement très proches de la valeur du ballon dit « surisolé » dans la norme française NF C 73-221.
Voici les critères proposés par l‘Ordonnance sur la procédure d’expertise énergétique des réservoirs d’eau chaude en Suisse (22/01/92) :

Capacité Pertes maximum admissibles
[kWh/24h]
Capacité Pertes maximum admissibles
[kWh/24h]
30 0,75 1 000 4,70
50 0,90 1 100 4,80
100 1,30 1 200 4,90
200 2,10 1 300 5,00
300 2,60 1 400 5,05
400 3,10 1 500 5,10
500 3,50 1 600 5,12
600 3,80 1 700 5,14
700 4,10 1 800 5,16
800 4,30 1 900 5,18
900 4,50 2 000 5,20

Le préparateur à accumulation gaz

Le préparateur à accumulation gaz est conçu pour chauffer et maintenir en température un certain volume d’eau variant de 75 à 200 litres.
Ce système permet de distribuer de grandes quantités d’eau chaude à plusieurs postes de puisage. L’eau est chauffée avant et durant les puisages. La reconstitution de la réserve d’eau chaude est rapide (entre 20 et 90 minutes, suivant les modèles).
Le réservoir est calorifugé et l’eau est ainsi maintenue à une consigne de 45 à 60°C.
Il existe des préparateurs « haut rendement » et des préparateurs à condensation.

L’accumulateur électrique

Le petit accumulateur décentralisé (contenance de 5 à 30 litres)

Prévu pour la fourniture d’un ou deux postes, il répond à des besoins ponctuels et supprime la nécessité de raccordement à une installation centralisée.
Certains appareils résistent à la pression (circuit fermé), d’autres sont à écoulement libre mais doivent être suivi d’une robinetterie permettant la dilatation de l’eau chauffée.
Il existe également des chauffe-eaux rapides, dotés d’une puissance de 120 à 200 Watts/litre et dont le temps de chauffe n’excède pas 45 minutes.

Il est possible de les encastrer (comme un réfrigérateur ou un lave-vaisselle).

L’accumulateur électrique prévu pour une préparation centralisée

La capacité d’accumulation est de plusieurs centaines de litres. Il est possible de le faire fonctionner en continu (alimentation électrique permanente) ou en accumulation en période tarifaire creuse (heures de nuit). Dans ce cas, le dimensionnement est basé sur la couverture des besoins quotidiens.
La puissance installée est de l’ordre de 10 à 12 Watts/litres (exemple : un ballon de 200 litres sera équipé d’une résistance de 2 ou 2,5 kW).

Il existe également des accumulateurs à double résistance électrique, un dans la partie inférieure assurant la charge nocturne à bas tarif, alors que l’élément chauffant supérieur couvre les demandes de pointe en eau chaude pendant la journée. L’enclenchement simultané des deux résistances n’est pas réalisé pour limiter la puissance cumulée.
Les thermostats installés sur les chauffe-eau sont préréglés (60 à 65°C) et le point de consigne ne peut pas toujours être modifié.
Pour permettre la dilatation de l’eau lors du chauffage, on trouve en amont du chauffe-eau un groupe de sécurité (un par appareil). Il comporte :

  • un robinet d’arrêt, pour couper l’arrivée d’eau froide dans le chauffe-eau (démontage),
  • un clapet de retenue, pour éviter le retour d’eau chaude dans la canalisation d’eau froide,
  • une soupape de sûreté, pour limiter la pression dans le chauffe-eau,
  • un dispositif de vidange, pour vidanger le réservoir.

  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.

En voici le fonctionnement. Au fur et à mesure que l’eau monte dans la cuve, la pression augmente. Un clapet de sécurité évacue l’excès de pression. Le trop-plein d’eau s’écoule par le tuyau de décharge. Un bouton ou une manette fixée sur le groupe de sécurité permet d’actionner manuellement le clapet.
En l’actionnant régulièrement (tous les mois, par exemple), on évite qu’il ne s’encrasse ou ne s’entartre.

Les corps de chauffe électriques

On rencontre essentiellement deux systèmes :
> Les résistances blindées (ou thermoplongeurs), barres chauffantes de 6 à 9 mm environ. Le fil électrique chauffant est noyé dans de l’oxyde de magnésium (MgO) très pur à haute densité, matériau qui est à la fois un très bon conducteur de la chaleur et un protecteur de l’oxydation du conducteur chauffant.
Avantages.

  • Moins de dépôt de calcaire suite aux dilatations et retraits successifs de la barre blindée.
  • Une faible masse et donc une transmission très rapide de la chaleur vers l’eau.
  • Un flasque de plus petite surface que celle d’une résistance céramique et donc une limitation des pertes énergétiques.
  • Une possibilité, lors de sa construction à froid, de préformer la barre en fonction de la forme du chauffe-eau et donc de réduire la zone froide du fond (mesure anti-légionelle).

Inconvénients.

  • La puissance élevée peut provoquer du bruit pendant la phase de réchauffage de l’eau.
  • Il est nécessaire de vider le réservoir pour remplacer le corps de chauffe.

> Les corps de chauffe en céramique, où les résistances
spiralées sont tirées dans les gorges des éléments en céramique, le tout étant introduit dans un tube de protection plongeur.
Avantages.

  • Une inertie relativement importante et donc une charge plus lente qui limite la production de bruit.
  • Un remplacement aisé de la garniture céramique contenue dans un tube plongeur sans devoir vidanger le ballon.
  • Un flasque plus grand, facilitant les travaux d’entretien.

Inconvénients.

  • La formation d’une couche calcaire sur le tube plongeur et donc une moins bonne transmission de chaleur.
  • Des pertes thermiques plus élevées par les flasques, et cela malgré l’isolation thermique en céramique à l’extrémité du flasque.
  • Zone morte plus importante au bas de la cuve, favorisant la stagnation d’eau à température faible et donc le développement de la légionelle.

Appareil à double corps de chauffe

Il existe des appareils équipés 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. L’enclenchement simultané des deux résistances n’est généralement pas autorisé en raison de la puissance cumulée.

L’accumulateur à échangeur intégré

Un serpentin de chauffage ou un faisceau tubulaire est intégré. C’est un échangeur de chaleur parcouru par un fluide caloporteur, généralement de l’eau chaude, parfois de la vapeur. Il offre la possibilité de préparer l’eau chaude via une chaudière (gaz, fuel, …), via un capteur solaire ou via une pompe à chaleur.
L’échangeur est généralement en acier inoxydable ou en tube d’acier émaillé.
L’échangeur peut également consister en un faisceau de tubes lisses ou à ailettes, fixé sur un flasque lui-même intégré au chauffe-eau ou monté sur celui-ci.

L’accumulateur mixte

L’accumulateur mixte dispose d’un double raccordement : un serpentin d’eau chaude et une résistance électrique.
Deux types d’alternance sont possibles :

  • Soit suivant la saison : chauffer par la chaudière en hiver et électriquement en été.
  • Soit suivant la complémentarité des sources : chauffage de base par capteur solaires/pompe à chaleur/récupérateur de chaleur et chauffage d’appoint électrique lorsque le niveau de température de consigne n’est pas atteint.

  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.

S’il s’agit d’un chauffage par pompe à chaleur ou par énergie solaire, la position de l’échangeur électrique doit  ors 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…
Une séparation totale en 2 ballons en série restera toujours préférable.

La stratification des températures

Lors de la charge, l’eau est chauffée, elle se dilate, sa densité diminue et elle se déplace vers le haut. Au-dessus de l’échangeur, l’eau chaude s’élève comme de la fumée au-dessus d’un feu.
Par contre, l’eau située au-dessous du corps de chauffe n’est pour ainsi dire pas chauffée et reste pratiquement froide.
Lors de la décharge du réservoir, l’eau chaude est progressivement remplacée par l’eau froide. Des perturbations peuvent se produire dans la stratification des températures. Or un « mélange » des températures intérieures est préjudiciable à la bonne utilisation du ballon.

Exemple.

Un ballon contient 200 litres à 60°C. Un puisage de 100 litres est réalisé. Il contient donc encore 100 litres à 60°C et 100 litres à 10°. Il peut être utilisé valablement.

Si des tourbillons ont entraînés le mélange de l’eau, c’est 200 litres à 35°C qui seront présents… Aucune énergie n’est perdue, mais l’eau est « inutilisable ». Un réchauffement sera nécessaire pour ramener l’eau à 60°C.

Cette situation (caricaturale) est surtout à éviter pour l’accumulateur électrique, car il appellera un appoint de jour, mais aussi pour un système traditionnel à eau chaude car il risque de relancer la chaudière suite au moindre soutirage.

Des perturbations de la stratification peuvent avoir lieu suite à :

  • une vitesse d’arrivée d’eau trop élevée,
  • une circulation interne quand l’isolation est insuffisante (refroidissement de l’eau le long des parois),
  • un retour de boucle de circulation trop froid,
  • une disposition horizontale du ballon.