Applications et solutions - Eau chaude

8.1 Chauffe-eau à accumulation

Dans le cas du chauffe-eau à accumulation, l’eau de boisson est chauffée dans un réservoir et est maintenue à la température requise jusqu’à son utilisation. Les chauffe-eau à accumulation permettent d’approvisionner plusieurs points de soutirage pour des débits volumiques importants et à des températures de sortie constantes. Le chauffage de l’accumulateur ne nécessite qu’une faible puissance, dès lors que la température requise est atteinte à chaque soutirage. La taille de l’accumulateur est déterminée en grande partie par la valeur max. du besoin en eau chaude et le temps de chauffe.

En raison de la stagnation de l’eau de boisson dans l’accumulateur, les chauffe-eau à accumulation requièrent les mesures suivantes pour garantir l’hygiène de l’eau de boisson:

• Matériaux de construction adéquats

• Dimensionnement correct du volume de l’accumulateur pour un renouvellement rapide de l’eau

• A la sortie de l’accumulateur, la température de l’eau chaude doit être garantie à au moins 60 °C

Le maintien en température de l’accumulateur implique des pertes, appelées pertes de maintien, qui ne peuvent être évitées qu'en partie grâce à l'isolation thermique de l’accumulateur. D'autres pertes de chaleur sont causées par les conduites de la distribution d’eau chaude.

8.1.1 Chauffe-eau à accumulation et chauffage direct

La transformation de l’énergie en énergie thermique a lieu dans l’accumulateur, p. ex. par un brûleur à gaz ou un élément de chauffage électrique. Dans les immeubles constamment habités et dans les constructions neuves, il n’est pas permis d’utiliser uniquement de l’énergie électrique pour la production directe de chaleur dans des accumulateurs.

8.1.2 Chauffe-eau à accumulation et chauffage indirect, avec échangeur de chaleur interne

La transformation de l’énergie en énergie thermique s’opère à l’extérieur de l’accumulateur. La transmission de la chaleur à l’eau de boisson est assurée par un échangeur de chaleur situé dans la partie basse de l’accumulateur. Cela induit une stratification dans l’accumulateur, où les températures augmentent degré par degré du bas vers le haut (stratification par paliers). Une fois que l’accumulateur est entièrement chauffé, l’eau chaude est prête à l’usage.

Ce type de chauffe-eau s’utilise bien avec une eau de boisson calcaire, et il est simple au niveau de la technologie et de la règlementation. La stratification dans l’accumulateur comporte généralement une grande zone froide et de mélange.

8.1.3 Chauffe-eau à accumulation chauffé indirectement avec un échangeur de chaleur externe

Le chauffe-eau à accumulation avec échangeur de chaleur externe est doté d’une pompe de charge qui fait transiter l’eau froide de la partie basse de l’accumulateur par l’échangeur de chaleur, pour ensuite stocker l’eau chauffée dans la partie supérieure de l’accumulateur. On obtient ainsi une stratification de charge. Les capteurs de température qui enregistrent les zones de température dans le réservoir peuvent être déplacés verticalement. La hauteur de la couche d’eau chaude, autrement dit la réserve d’eau chaude dans l’accumulateur, peut ainsi être adaptée aux besoins en eau chaude. Ce type de chauffe-eau présente les avantages suivants:

• La température utile est atteinte après un court laps de temps.

• Le temps de chauffe de l’accumulateur est réduit.

• L’eau de boisson dans l’accumulateur est fréquemment remplacée.

• Les pertes de maintien sont plus faibles.

• Les zones froides et de mélange sont réduites au minimum.

• Les chauffe-eau sont d’une maintenance facile.

Ils ont comme désavantage d’être encombrants et de nécessiter un équipement de protection supplémentaire contre l’entartrage.

Le schéma montre une installation de chauffage d’eau avec échangeur de chaleur externe, un accumulateur d’eau chaude avec chargement à stratification et cycle de chargement avec robinet trois voies et pompe de charge sans vitesse régulée. Autres variantes pour le chargement de l’accumulateur:

• Réglage de l’ajout d’eau par le mélangeur thermique

• Pompe à vitesse régulée (réglage du débit volumique)

• Soupape d’étranglement

8.1.4 Chauffe-eau à accumulation avec accumulateur tampon (accumulateur mixte)

Lorsqu’il y a un accumulateur mixte, l’accumulateur d’eau chaude se trouve logé dans l’accumulateur tampon. La chaleur de l’eau de chauffage qui s’y trouve est transmise dans l’accumulateur tampon à travers la paroi du réservoir de l’accumulateur d’eau chaude. Pour chauffer l’eau de chauffage, on peut envisager n’importe quel type d’énergie.

Le schéma montre une installation solaire avec accumulateur mixte et deux échangeurs de chaleur internes qui assurent une stratification favorable dans l’accumulateur. Un échangeur de chaleur interne supplémentaire est utilisé pour le réchauffage à l'aide d'une autre source d'énergie.

Comme les installations solaires peuvent générer des températures maximales élevées dans l’accumulateur tampon, il faut prévoir une protection anti-échaudage. Un mitigeur thermostatique empêche les brûlures en réduisant la température de l’eau chaude à la température maximale définie, ce par l’ajout d’eau froide ou d’eau de boisson issue de la circulation d’eau chaude.

8.1.5 Raccordement en série de chauffe-eau à accumulation

Pour accroître la production d’eau chaude, on peut raccorder en série les chauffe-eau à accumulation conventionnels. Les chauffe-eau à accumulation raccordés en série présentent les caractéristiques suivantes:

• Simplicité des passages de conduites

• Après le chauffage, la température de l’eau chaude est identique dans tous les accumulateurs.

• Eau chaude à température de sortie constante

Dans les bâtiments où l’on exige un haut niveau de sécurité d’approvisionnement, le raccordement en série ne convient pas toujours puisque tous les accumulateurs sont hors service durant des travaux de maintenance. Les solutions munies de dérivations et de vannes ne sont pas recommandées en raison du risque d'altération de l'hygiène de l'eau de boisson.

De manière générale, le raccordement en série de chauffe-eau à accumulation n’est pas recommandé. Ce type d’installation risque d’induire un comportement différent des accumulateurs individuels, p. ex. des accumulateurs qui se vident à des heures différentes. En présence d’une redondance de l’approvisionnement, on peut toutefois envisager un raccordement en série dans des bâtiments à besoin important en eau chaude et nécessitant un haut niveau de sécurité d’approvisionnement (un hôpital p. ex.). La planification de ce type d’installations de chauffe-eau nécessite cependant une grande expertise.

8.1.6 Stratification

En raison des propriétés physiques de l’eau, l’eau chaude des accumulateurs présente une stratification plus ou moins importante en zones de températures:

• L’eau chauffée perd en densité et monte progressivement dans l’accumulateur.

• Faible conductivité thermique, donc faible échange thermique entre zones de température.

La stratification est due essentiellement à la nature de la transmission thermique, selon que l’échangeur de chaleur est à l’intérieur ou à l’extérieur. Les zones de mélange sont minimales lorsque le rapport du diamètre et de la hauteur de l’accumulateur est de 1:3. La stratification a des effets sur l’approvisionnement des points de soutirage et l’efficacité énergétique. Une stratification défavorable entraîne des temps de chauffage longs, un faible rendement de l’échangeur de chaleur et, dans le pire des cas, une eau à température insuffisante aux points de soutirage.

Le volume de couverture de pointe se trouve au-dessus du capteur d’entrée. Pour les immeubles résidentiels, le volume de couverture de pointe correspond à une pointe horaire. Selon l’immeuble (p. ex. construction industrielle), le volume de couverture de pointe doit être défini pour une période autre qu’une heure.

Le volume de commande est situé entre le capteur d’entrée et le capteur de sortie. C’est dans cette partie que s’opère le réchauffage.

Le volume d’attente est la somme du volume de couverture de pointe et du volume de commande.

8.1.7 Protection contre la corrosion

8.1.7.1 Anode de protection

Les anodes de protection sont utilisées pour la protection cathodique contre la corrosion de constructions métalliques qui se trouvent dans de l’eau ou dans le sol.

Les accumulateurs d’eau chaude sont en général constitués d’un récipient en acier dont l’intérieur est revêtu d’une couche d’émail protectrice. A la fabrication de cette couche, on ne peut cependant exclure l’apparition de fissures. Dans cette couche d’émail, il suffit de minuscules fissures pour que se forment des éléments galvaniques et donc des courants de corrosion, l’eau chaude dans l’accumulateur ayant une action électrolytique. L’anode de protection en magnésium non noble se dissout à la place de l’acier (d’où le nom d’«anode sacrificielle»). Les ions de magnésium dissous se déposent dans les fissures de l’acier inoxydable du récipient (cathode) et forment une couche protectrice. Les qualités hygiéniques de l’eau ne sont pas altérées par les ions de magnésium dissous dans l’eau.

8.1.7.2 Anode à courant vagabond

L’anode à courant vagabond protège les ballons en acier à revêtement en émail contre la corrosion électrochimique. En présence de minuscules fissures dans le revêtement en émail, l’anode à courant vagabond fournit le courant de protection issu d’une source de courant externe (protection contre le courant de fuite). Contrairement à l’anode sacrificielle, l’anode à courant vagabond ne nécessite pas de maintenance.

8.1.7.3 Protection contre les courants vagabonds

Les courants vagabonds peuvent provoquer de la corrosion dans les chauffe-eau à accumulation. Il existe plusieurs solutions pour protéger les appareils contre les courants vagabonds.

Pour des informations détaillées à ce sujet, consulter le document «Thématiques corrosion» de Nussbaum, 👉 Thématique 261.0.053.

8.2 Chauffe-eau instantanés

Le chauffe-eau instantané chauffe l’eau de boisson uniquement lors du soutirage au robinet. Durant cette opération, un échangeur de chaleur transfère l’énergie thermique requise à l’eau. Sur un chauffe-eau instantané électrique, c’est un système de chauffage à fil nu qui fait fonction d’échangeur de chaleur.

L’énergie thermique requise est fonction du débit volumique, à savoir de la quantité d’eau chaude tirée du robinet. Les chauffe-eau instantanés à régulation électronique règlent le débit volumique, ce qui permet d’obtenir une température de sortie constante. La figure suivante montre la courbe caractéristique d’un chauffe-eau instantané. La température atteinte par les débits volumiques importants est moins forte que pour les petits débits.

Lorsque les débits volumiques sont faibles, il y a un risque de surchauffe du chauffe-eau instantané, et donc de brûlure pour l’utilisateur. C’est pourquoi un chauffe-eau instantané n’allume son élément de chauffe que lorsque le débit volumique atteint une valeur minimale (point d’activation). Pour les chauffe-eau instantanés à commande hydraulique, autrement dit via le débit volumique, il ne faut pas utiliser d’eau préchauffée en raison d’un risque de surchauffe.

De par sa conception, un chauffe-eau instantané peut fonctionner sans pression ou être résistant à la pression. Caractéristiques des chauffe-eau instantanés:

• Faible gabarit

• Très faible risque de contamination par des légionelles

• Faible perte de chaleur (appareil et conduite d’eau de boisson)

Les chauffe-eau instantanés (de même que ceux à régulation électronique) ont comme inconvénients des fluctuations au niveau de la température d’écoulement et du débit volumique. A cela s’ajoute le fait que leur consommation électrique est relativement élevée.

8.3 Station ECS instantanée

Une station ECS permet d’obtenir une eau chaude sur plusieurs points de soutirage d’un bâtiment. L’énergie thermique utilisée provient du réservoir tampon du chauffage central, sans stockage d’eau chaude. Un échangeur de chaleur (centralisé ou décentralisé) installé à l’étage transmet l’énergie thermique du réservoir tampon à l’eau de boisson durant le soutirage de l’eau chaude (principe du passage).

Le schéma montre une station ECS sans conduites d’eau chaude maintenues chaudes.