Principe de la stratification dans un ballon

Le phénomène de stratification est la conséquence du phénomène physique suivant : la masse volumique d'un fluide dépend de sa température. Plus précisément, lorsque la température d'un fluide augmente, sa masse volumique diminue.

Ainsi de l'eau à 10°C à une masse volumique de 999.79kg/m³, alors que pour de l'eau à 60°C, c'est 983.13kg/m³. La densité de l'eau varie donc avec sa température, plus l'eau étant froide, plus elle sera dense. Ainsi on peut dire simplement qu'un litre d'eau froide est plus lourd qu'un litre d'eau chaude : l'eau froide à 10 °C est 1.6% plus lourde que l'eau chaude à 60°C.

Cette propriété permet aux eaux chaudes et froides dans un volume tel un ballon d'eau chaude, mais aussi un lac ou un océan, de rester séparées en couches distinctes (strates) d'où est issu le terme de « stratification », les couches les plus froides au bas, puis progressivement jusqu'aux strates d'eau les plus chaude au-dessus. En outre, l'eau étant plutôt isolante, les échanges de température entre strates de différentes températures sont faibles, permettant au phénomène de stratification de durer dans le temps, si tant est que l'eau ne soit pas agitée.

Cette organisation en couches de différentes températures permet ainsi pour un ballon d'eau chaude sanitaire (chauffe-eau électrique, préparateur ECS, chauffe-eau solaire, thermodynamique, ballon tampon de chauffage, …) de toujours pouvoir soutirer de l'eau la plus chaude, la canne de puisage raccordée à l'alimentation en eau chaude du bâtiment prenant toujours l'eau au point le plus haut du ballon, l'eau froide de renouvellement pénétrant dans le bas du ballon sur une canne disposant d'un brise jet pour éviter le mélange des couches et la diminution de la température.

Pour connaitre la quantité d'eau chaude disponible dans un ballon, il faut disposer d'au moins une sonde de température en bas du ballon et une sur le haut : si les températures sont sensiblement égales, la totalité du ballon est à une température uniforme ; en revanche si les températures sont sensiblement différentes, il est impossible de savoir où se trouve la limite entre eau chaude et froide, et donc d'estimer la quantité d'eau chaude disponible (certains ballons disposent à cette fin de prises de température uniformément réparties sur toute la hauteur du ballon).

Le schéma ci-contre décrit le processus de chauffe du ballon d'eau chaude à une température uniforme. Il ne montre cependant uniquement 2 étapes de progression en température, par paliers de 15°C. L'écart entre la partie froide et la partie réchauffée (15°C pour notre animation) dépend de la puissance délivrée par le serpentin ou la résistance. Plus cette puissance sera forte, plus l'écart sera élevé, et moins d'étapes seront nécessaires pour chauffer le ballon à la température désirée.

Stratification versus serpentin

L'eau chaude étant disponible dès le début en s'accumulant par strates, un ballon d'eau chaude par technologie de stratification permet un confort d'eau chaude sanitaire supérieure (réchauffage du ballon plus rapide, débits plus importants) avec une taille de ballon inférieure.

animation d'une stratification dans 2 ballons d'eau chaude en série

En résumé :

• Pendant le chauffage d'un ballon initialement à température uniforme, le haut du ballon est toujours à une température plus élevée ou égale à celle du bas du ballon.
• Il faut que la partie la plus froide du ballon soit chauffée avant que la partie chaude puisse monter en température.
• La stratification existante dans un ballon n'est pas supprimée par un tirage d'eau chaude.
• S'il y a tirage et chauffage simultanés, la stratification est aussi préservée car l'eau la plus chaude reste en haut, l'eau entrante (la plus froide) rentre au plus bas, et entre eux se trouve la zone contenant l'eau en cours de réchauffement.
• Pour conserver la stratification, il faut prélever l'eau chaude en haut du ballon, et faire entrer l'eau froide en bas du ballon et le plus doucement possible (brise jet) pour éviter qu'elle vienne mélanger la stratification et obtenir de l'eau plus ou moins tiède.
• Avec le temps, des échanges de chaleur se produisent à la frontière entre eau chaude et froide, mais ces échanges restent localisés et lents. La stratification est globalement stable à l'échelle de quelques jours. C'est un gros avantage car elle permet de garder l'eau chaude à température d'usage sans qu'elle soit refroidie par l'eau froide entrante.
• Il peut être assez difficile de connaitre la quantité d'eau chaude restante dans un ballon.

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