CHAUFFE-EAU THERMODYNAMIQUES Une production d’ECS peu énergivore

Dans un bâtiment de plus en plus thermogène, les efforts en matière d’économies d’énergie doivent se porter sur la production d’ECS. Dans ce cadre, les chauffe-eau thermodynamiques s’inscrivent bien dans la lignée de la stratégie fixée par le Grenelle.

L’offre en matière de chauffe-eau thermodynamique est d’ores et déjà très large, tant sur le plan des techniques proposées que sur celui des marques présentes sur le marché (on en dénombrait plusieurs dizaines sur la dernière édition du salon Interclima Elec). Et la diffusion de cette technologie devrait encore progresser dans l’année à venir, soutenue notamment par son éligibilité attractive au crédit d’impôts. En effet, l’arrêté du 31 décembre 2009 précise que ce dernier donne droit à 40 % sur l’acquisition d’un chauffe-eau thermodynamique sous réserve d’un COP minimum de 2,2. La norme EN 255-3, retenue pour bénéficier du crédit d’impôt, se base sur une température d’air de 15 °C et un chauffage de l’eau de 15 °C à 45 °C.

Économies d’énergie et préservation de l’environnement

Un chauffe-eau thermodynamique est un chauffe-eau à accumulation intégrant un ballon de stockage d’un volume se situant généralement entre 200 et 300 l, ainsi qu’une pompe à chaleur, système thermodynamique permettant une capture de l’énergie thermique depuis une source froide (l’air, l’eau, le sol…), pour un transfert et une restitution vers une source chaude (ici l’eau chaude sanitaire). Cette technologie, qui permet économies d’énergie et préservation de l’environnement, s’appuie sur un fluide frigorigène dont le changement d’état (liquide ou gazeux) s’accompagne d’un transfert de calories : puisées dans la source froide, celles-ci réchauffent le fluide frigorigène gazeux dans l’évaporateur. Le fluide passe ensuite dans le compresseur où sa température ­augmente encore, avant que, via le condenseur, il ne cède ses calories à l’eau du ballon. Puis, il se refroidit et passe de l’état gazeux à l’état liquide. Le détendeur permet ensuite au fluide de recommencer un nouveau cycle dans l’évaporateur, amorçant le passage du fluide de l’état liquide à l’état gazeux.

L’appoint électrique se déclenche uniquement en cas de besoin. D’ailleurs, pour consommer le moins d’énergie possible, certains chauffe-eau peuvent fonctionner au maximum à tarif réduit en se mettant en route dès le début des heures creuses en Pac seule. Ce n’est qu’après un temps d’analyse que l’appoint électrique est autorisé si besoin est.

De son côté, la pompe à chaleur intégrée au chauffe-eau thermodynamique offre dans la plupart des cas :

•une puissance de chauffage comprise entre 0,6 et 2,6 kW ;

•une puissance électrique de quelques centaines de Watts ;

•un COP compris entre 3,2 et 4 (le COP est un indicateur qui est fortement dépendant de conditions de température d’air extérieur) ;

•un fluide frigorigène de type R 134a, R407C ou R 404 A (plus rare) ;

•une température d’eau maxi sans appoint comprise entre 55 et 65 °C ;

•une température d’air entre -10 °C et 45 °C ;

•un temps de chauffage compris entre 8 et 9 heures.

Quatre variantes pour l’échangeur

François Durier, directeur scientifique du Cetiat, dénombre quatre géométries possibles de condenseurs :

Cas n°1 : un serpentin s’enroule autour du ballon dans lequel circule le fluide frigorigène qui vient de la pompe à chaleur ;

Cas n°2 : le condenseur n’est plus à l’extérieur, mais à l’intérieur du ballon, dans le fluide frigorigène. Le Réglementent sanitaire départemental type exige dans ce cas qu’il y ait un échangeur double paroi, ainsi qu’un détecteur de fuite. En effet, il proscrit toute fuite du fluide frigorigène ou de l’huile qui l’accompagne dans l’eau sanitaire. Une simple paroi est possible, mais nécessite alors l’autorisation de l’AFSA.

Cas n°3 : un échangeur placé à l’extérieur du ballon chauffe l’eau du serpentin situé dans le ballon.

Cas n°4 : le condenseur est intégré à un module Pac séparé.

Le COP ayant tendance à chuter par des températures extérieures très froides, un appoint s’avère nécessaire, quelle que soit la technologie adoptée. Ce secours peut être constitué par :

•une résistance électrique de 1,5 à 3 kW en CE individuel (c’est le cas le plus fréquent),

•un serpentin alimenté par la chaudière,

•un serpentin alimenté par des capteurs solaires (cas le plus onéreux).

Source froide : plusieurs provenances possibles

La source froide de départ peut avoir diverses origines :

•l’air ambiant intérieur d’un volume non chauffé. Le local destiné à l’installation de l’appareil doit faire au minimum 20 m3, fournir un débit d’air de 200 à 450 m3/h et être hors gel. Si ce n’est pas le cas, l’aspiration et le refoulement de l’air doivent se faire soit dans une pièce adjacente de volume suffisant, soit directement à l’extérieur du bâti (lorsque le modèle le permet). Le chauffe-eau refroidissant et déshumidifiant l’air du local, il est important que ce dernier ne soit pas chauffé. La solution optimale est une pièce de service contenant de l’énergie gratuite produite par de l’électroménager (congélateur, machine à laver le linge…) ou une chaudière : une cave, une chaufferie ou une lingerie sont donc des pièces idéales pour une récupération active de la chaleur, en mettant à disposition davantage d’énergie gratuite. Ici, le chauffe-eau thermodynamique est doté la plupart du temps d’un ventilateur. Mais il existe une alternative, notamment utilisée en Australie, et mettant en œuvre un évaporateur constitué de plaques d’échange avec l’air ambiant, mais sans ventilateur.

•L’air extérieur : on gaine l’appareil et on cherche l’air extérieur. Il n’y a plus de problèmes de refroidissement, mais cette technologie nécessite une entrée et une sortie d’air dans l’habitat.

•Le sol : on fait circuler de l’eau glycolée ou du fluide frigorigène dans des capteurs géothermiques horizontaux (on sera en détente directe dans ce dernier cas). Il faut compter environ 25 m² de capteurs pour une maison individuelle standard.

•L’air extrait par la VMC : le débit d’air est de 250 m3/h. Cette technique peut aussi fonctionner pour le collectif avec une VMC hygro. On dispose alors d’un chauffe-eau thermodynamique individuel, avec un ballon par logement, raccordé sur l’extraction d’air du ballon. Enfin, ce système peut également être utilisé en applications tertiaires en récupérant 2 500 à 5 000 m3/h pour des bureaux ou des hébergements ou 10 000 m3/h pour des cuisines professionnelles. La Pac n’est pas intégrée au ballon.

•L’eau de retour d’un plancher chauffant basse température (PCBT) : le générateur de chauffage alimente le plancher, tandis que le chauffe-eau l’est à son tour par le retour du même plancher. L’été, la chaleur issue du rayonnement solaire dans la pièce est récupérée, offrant ainsi un rafraîchissement intérieur.

•Les capteurs atmosphériques ou aérosolaires : cette technique, qui profite du rayonnement solaire, met en jeu un évaporateur extérieur statique (sans ventilateur). Le chauffe-eau à capteur aérosolaire est issu d’une technologie nouvelle qui associe le captage solaire direct et indirect, et la thermodynamique. L’ensoleillement moyen d’une journée peut être nul et varie jusqu’à 10 heures suivant les saisons. Or, un capteur solaire classique ne fonctionne plus dès que le soleil se cache et n’est donc opérationnel que pendant quelques mois de l’année. Le reste du temps, il fonctionne grâce à une résistance électrique ou à une autre énergie, ce qui nuit à son efficacité et à sa rentabilité. La Pac à capteur aérosolaire fonctionne toute l’année, les jours de soleil comme la nuit, et même en hiver. En effet, en absence de rayonnement, le système fonctionne en extrayant la chaleur de l’air ambiant comme une Pac-air classique, par convection naturelle. Par temps ensoleillé, un revêtement opaque sur l’évaporateur agit comme un capteur solaire simple, apportant ainsi un supplément de chaleur activant l’évaporation. Ce système est intéressant de par sa simplicité et sa souplesse. L’entrée de la Pac peut facilement, grâce un échangeur de chaleur simple, utiliser l’air ambiant comme source thermique supplémentaire, ou mieux l’air extrait par une VMC pour une meilleure efficacité et la valorisation des pertes thermiques du bâtiment. Le principe : un fluide frigorigène circule dans le capteur. Il s’évapore grâce au contact avec l’air extérieur et aux calories qu’il récupère. Arrivant à l’état gazeux au compresseur, celui-ci le comprime et le fait passer à l’état liquide chaud à haute pression. Traversant un échangeur immergé dans la partie basse du ballon, le fluide restitue la chaleur au contact de l’eau sanitaire. Il est ensuite détendu et se dirige vers les capteurs pour former un nouveau cycle. Cette solution est moins économique que celle qui fait appel à la VMC dans la mesure où cette dernière est obligatoire : on ne fait donc que se servir d’un matériel déjà existant. Ce n’est pas le cas avec des capteurs solaires qu’il faut rajouter.

Systèmes compacts et pistes d’innovations

Arrivant en force, les systèmes compacts intègrent en un seul produit les fonctions ventilation, chauffage et production d’ECS en rassemblant une pompe à chaleur sur air extrait pour le chauffage d’un ballon ECS et un récupérateur de chaleur statique air extrait/air neuf. Un ballon d’eau de chauffage peut aussi compléter le chauffage de l’air soufflé, soit en alimentant un échangeur supplémentaire sur l’air soufflé, soit en alimentant des émetteurs de chaleur à eau chaude. Le ballon d’ECS comporte un appoint généralement électrique, de puissance variable suivant les produits. Certains industriels proposent aussi de coupler ce système compact à d’autres éléments, tels qu’un puits canadien pour le préchauffage de l’air neuf ou des capteurs solaires pour contribuer au chauffage du stockage.

Chaque système compact est, suivant sa technologie, destiné à une maison passive ou à une maison à faible consommation d’énergie.

Pour François Durier, si les produits existants offrent déjà de très nombreuses possibilités et configurations, on peut encore envisager d’autres pistes d’améliorations ou d’innovations avec de nouvelles sources froides (eaux usées, l’air des combles ou d’un vide-sanitaire…),

de nouveaux fluides frigorigènes tels le CO2 (très utilisé par les Japonais), des conceptions différentes d’appareils (à ballons réduits et cycles thermodynamiques améliorés…) et des systèmes couplés de ventilation-chauffage-production d’ECS encore plus performants.