Comment ça marche : La production d’eau chaude sanitaire

Publié le 10.01.2019

Collège

Filières professionnelles, domaine de l’énergie

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Les systèmes de chauffage central, en plus de chauffer l’eau des radiateurs, permettent de produire de l’eau chaude pour les besoins de la vie domestique. Cette eau chaude sanitaire (ECS) est soit produite instantanément, soit stockée dans un « ballon » et utilisable à volonté. Il existe aussi des systèmes de chauffe-eau indépendants, dont les plus innovants utilisent les pompes à ou l’énergie solaire.

Image d’un chauffe-eau avec un avis recommandant de le faire réviser chaque année.

Le chauffe-eau conventionnel

Les modèles classiques de chauffe-eau autonomes utilisent l’électricité ou le gaz

Dans les systèmes instantanés, le brûleur ou la résistance est activé à chaque demande d’eau. Ils ne sont adaptés qu’à la fourniture en un seul point, pour des petites quantités. Mais les pertes thermiques sont limitées, l’eau étant tout de suite utilisée.

Les chauffe-eau les plus innovants utilisent une pompe à chaleur ou des panneaux solaires thermiques (ou les deux).

Dans les systèmes avec ballon indépendant, appelé cumulus (généralement de 75 à 300 litres), l’eau est chauffée progressivement puis stockée dans un réservoir calorifugé, ce qui provoque des pertes. L’alimentation peut être réglée pour chauffer l’eau dès que la température souhaitée baisse ou pour profiter des tarifs « heures creuses » de l’électricité.

Les rendements de ces chauffe-eau (c’est-à-dire la quantité de chaleur restituée par rapport à l’énergie primaire consommée) sont très variables selon les installations. Pour les chauffe-eau électriques à cumulus, le rendement peut tomber jusqu’en dessous de 30 %. Les chaudières à gaz à condensation ont un rendement supérieur à 60 %, voire 90 % pour les modèles les plus perfectionnés¹.

Le chauffe-eau solaire individuel(CESI)

Un chauffe-eau solaire est équipé de capteurs (voir photo ci-dessous) qui reçoivent la chaleur du soleil. Il peut s’agir :

De panneaux vitrés recouvrant un tuyau en serpentin où circule un . La vitre crée un qui piège la chaleur. Ces panneaux ressemblent de loin à des panneaux photovoltaïques mais sont plus mats et unis.

De thermo-tubes où le vide a été réalisé. Le fluide caloporteur passe dans un tuyau qui fait un aller-retour dans le tube. En général, une vingtaine de tubes sont rassemblés côte à côte. Ils sont plus efficaces, notamment en hiver, mais plus fragiles face aux intempéries.

Capteurs chauffe-eau solaire

Au sortir des capteurs, le fluide caloporteur (qui peut être de l’air ou souvent un mélange d’eau et de glycol) circule dans un circuit fermé qui transite par le ballon dont il augmente la température. Il existe trois types de chauffe-eau solaire :

Le système à pompe électrique (voir schéma 1). Une petite pompe - appelée circulateur – force la circulation du fluide caloporteur. Dans ce cas le ballon peut être situé n’importe où dans la maison. C’est le système le plus utilisé en Europe

La production d’eau chaude sanitaire

Le système à . Il n’y a pas de pompe et le ballon doit être situé plus haut que les capteurs afin que le fluide caloporteur circule naturellement de bas en haut².

Le type monobloc. C’est un système à thermosiphon, mais la réserve d’eau se situe en extérieur, juste au-dessus des capteurs. Du fait du poids important du ballon d’eau, le monobloc est plutôt installé au sol ou en terrasse. L'isolation du ballon doit être performante et donc coûteuse. Il est surtout utilisé dans les pays chauds.

Dans les latitudes tempérées, l’énergie solaire ne couvre pas les besoins annuels (70 à 80 % dans le meilleur des cas dans le sud la France). Il faut donc une énergie d’appoint, souvent apportée par une résistance électrique. Il faut aussi veiller au risque de surchauffe lors d’un ensoleillement très fort.

Le chauffe-eau thermodynamique(CET)

Un chauffe-eau thermodynamique fonctionne avec une pompe à chaleur. Le système récupère les calories de l’air ambiant (aérothermique) ou du sol (géothermique) pour chauffer l'eau sanitaire.

Dans les installations aérothermiques monobloc (voir schéma 2), les plus répandues, la pompe à chaleur est associée au ballon. L’idéal est de prélever les calories dans un local où l’on ne vit pas (comme un garage) pour ne pas avoir l’inconvénient du refroidissement de la pièce. Si l’habitation dispose d’une ventilation mécanique contrôlée (VMC), l’air rejeté peut être récupéré par la pompe à chaleur.

Schéma d'un chauffe eau aérothermique

Comme pour les climatiseurs, certaines installations sont de type « split » c’est-à-dire que la pompe à chaleur récupère les calories de l’air extérieur. Ils sont de ce fait plus sensibles à la température extérieure et peu efficaces en dessous de -5 °C.

Le compresseur de la pompe à chaleur doit être alimenté par l’électricité et, comme les chauffe-eau solaires, les CET nécessitent un appoint, généralement électrique, pour assurer l’eau chaude toute l’année.

Les CET géothermiques sont très performants, adaptés aux climats froids, mais ils sont plus coûteux et exigent d’avoir une surface libre autour de la maison pour installer le capteur géothermique, c’est-à-dire des tuyaux enterrés.

Certains systèmes dits « héliothermiques » combinent une pompe à chaleur et des panneaux qui puisent l'énergie de l'air extérieur et du soleil.

Sources :

Voir ADEME -https://www.ademe.fr/expertises/batiment/passer-a-laction/elements-dequipement/leau-chaude-sanitaire
La dilatation avec la température fait que plus un fluide s'échauffe, plus il se dilate. Il devient moins dense que le fluide froid et aura tendance à remonter.