Les différentes productions Eau Chaude Sanitaire

Il existe principalement 5 façons de produire de l'eau chaude sanitaire (ECS) avec une chaudière, et ce avec plus ou moins de confort (débit, temps d'attente de l'eau chaude, stabilité de la température d'eau chaude) et de gaspillage d'eau lié notamment au temps d'attente de l'eau chaude jusqu'au point de puisage. On trouve ainsi (par ordre de performance globale) la production d'eau chaude :

• avec une chaudière instantanée
• avec une chaudière à micro-accumulation (ou semi-instantanée) : technologie « warm start »
• avec une chaudière à mini-accumulation (ou semi-accumulation)
• avec une chaudière à production ECS hybride
• avec une chaudière associé à un ballon ECS

Avantages / Inconvénients de chaque solutions

Chaudière à production instantanée

Comme le nom l'indique, une production ecs instantanée fournit à la demande et immédiatement de l'eau chaude à une température définie par l'utilisateur, et ce de manière continue et illimitée. Lorsque l'utilisateur ouvre un robinet d'eau chaude, un détecteur de débit informe la chaudière qu'il faut qu'elle produise de l'ecs. Mais ceci peut prendre plus ou moins de temps (l'échangeur de chaleur doit monter en température, des organes s'enclencher, …) demandant à faire couler de l'eau et à patienter avant de disposer d'eau chaude. Ce type de production est donc à privilégier en habitat individuel ou collectif avec des logements équipés d'une seule salle de bains, car avec des logements plus « luxueux », les chauffe-bains gaz ou les chaudières mixtes individuelles à production ecs instantanée montrent rapidement leurs limites, le confort d'utilisation et les économies d'eau n'étant alors plus au rendez-vous.

L'eau étant chauffée instantanément, sa température, pour une puissance de chaudière donnée, est proportionnelle au débit. Plus il est élevé, moins l'eau est chaude car moins elle aura le temps de chauffer et inversement. Le débit généralement disponible sur une chaudière de 26kW est faible (de l'ordre de 11 à 13 litres/mn) et ne permet pas de faire face à une demande importante simultanée d'eau chaude sanitaire. Selon la puissance de la chaudière, il peut être difficile de remplir une baignoire, et chaque variation de débit, par exemple lorsque quelqu'un tire simplement une chasse d'eau dans le logement, va entraîner une modification de la température d'eau, la fameuse douche écossaise ! Pour y remédier, on peut installer un chauffe-eau électrique de petite capacité (15 à 30L) au plus près du point de puisage qui fera office de tampon.

Principe

L'eau est réchauffée à l'intérieur soit d'un serpentin traversant un corps de chauffe ou d'un échangeur de chaleur constitué d'une série de plaques en acier inoxydable (d'où le nom d'échangeur à plaques). L'eau du circuit chauffage (primaire) et l'eau du circuit sanitaire (secondaire), y circulent à contre-courant. L'échangeur est alimenté en eau de chauffage par un circuit comportant un circulateur et, du côté du départ de la chaudière, une vanne trois voies. Cette vanne est commandée de façon hydrostatique par un dispositif déprimogène (système à dépression) ou un débistat lorsqu'il y a puisage d'eau sanitaire.

La chaleur échangée entre les fluides par l'intermédiaire des plaques permet un réchauffement « instantané » de l'eau sanitaire. Le débit d'eau chaude est directement lié à la puissance de l'échangeur. Le fluide du circuit primaire circule à l'intérieur des plaques grâce à une pompe (circulateur), alors que l'eau sanitaire est simplement poussée par la pression d'eau de ville à l'intérieur de l'échangeur à plaques. Enfin une régulation ajuste (au mieux !) en continue la température de l'eau chaude sanitaire produite. L'eau étant chauffée à des températures très élevées dans l'échangeur à plaques, tout le calcaire contenu dans l'eau va aller se précipiter dans cet échangeur, rendant celui-ci très sensible à l'entartrage dans les régions où l'eau est calcaire. Il convient donc de protéger l'installation par un anticalcaire.

Ce principe présente aussi des inconvénients liés à des phénomènes physiques transitoires qui se répercutent au niveau de la température de l'eau puisée. Ainsi lors d'une variation du débit d'eau au cours d'un puisage, ou après un bref arrêt du puisage, l'accumulation d'énergie dans l'échangeur entraîne une augmentation de température (sensation d'eau trop chaude). Ou bien, aux débits proches du débit seuil de déclenchement, de nombreux cycles d'allumage/extension du brûleur vont entraîner une instabilité de la température d'eau chaude (sensation de chaud/froid). Enfin, les débits minimaux prévus pour le déclenchement de la chaudière sont bien souvent trop élevés pour des besoins de faible débit comme pour le lavage des mains ou le rasage.

Avantages et inconvénients

• Avantages : investissement plus faible, encombrement réduit

• Inconvénients : confort sanitaire limité, sensible à l'entartrage

Chaudière à accumulation

Les chaudières à accumulation sont généralement synonyme de grand confort sanitaire. Elles disposent d'une réserve importante d'eau chaude sanitaire, qui peut-être soit intégrée, soit déportée. En outre l'eau peut être réchauffée de 2 manières différentes. L'avantage est de disposer immédiatement et à grand débit de l'eau chaude pour remplir par exemple votre baignoire.

L'accumulation induit une légère diminution de la consommation et un allongement de la durée de vie des pièces, en évitant des démarrages/arrêts fréquents de la chaudière, sachant que tout comme un moteur de voiture, c'est au démarrage du brûleur que son rendement est le plus mauvais. En réchauffant une plus grande quantité d'eau, le temps de cycle du brûleur sera allongé. En revanche, si la capacité du ballon est surdimensionnée par rapport aux usages du logement (ex. nombre de personnes), une légère perte d'énergie peut survenir (déperditions du ballon) suivant l'emplacement de la chaudière, mais qui sera dans tous les cas largement comblée par le confort sanitaire obtenu.

Avec une réserve intégrée, ces chaudières à accumulation sont bien sur un peu plus volumineuses qu'une chaudière instantanée ou micro-accumulée, mais de moins en moins : elles sont aujourd'hui très compactes, généralement d'une largeur de 60cm pour un ballon d'une cinquantaine de litres, et peuvent donc s'intégrer par exemple sans problème mais dans des éléments de cuisine intégrée.

Principe

L'eau contenue dans le ballon étant réchauffée en permanence par la chaudière dès que la température de l'eau passe en dessous d'une certaine consigne, pour le confort sanitaire, la taille du ballon importe peu. Le plus important est d'abord le débit pouvant être assurée par la chaudière. Ainsi attention : une chaudière avec un ballon de 80L peut vous délivrer un débit ecs plus faible qu'une chaudière avec un ballon de 46L ! Pour information le débit d'eau chaude d'une chaudière est donné selon la norme européenne EN 13203 (ΔT 30°C), soit avec une entrée d'eau froide à 10°C (température de l'eau moyenne en hiver) pour atteindre les 40°C, et non avec une température de 15°C (température moyenne de l'eau distribuée en été) soit un ΔT de seulement 25°C (attention à bien lire les documentations techniques des chaudières !).

Il y a deux façons de réchauffer l'eau stockée dans ces ballons. La première solution consiste à faire circuler l'eau sanitaire contenue dans le ballon pour l'envoyer se faire réchauffer, à la manière d'une chaudière instantanée, dans un échangeur sanitaire. La seconde technique utilise un ballon réchauffeur (ou préparateur ecs) qui intègre un serpentin dans lequel l'eau du circuit primaire va circuler pour réchauffer le volume d'eau. Cette solution est moins sensible à l'entartrage, mais il est quand même recommandé, si votre région est calcaire, de traiter votre eau, ce qui permettra de garder des performances optimales à la chaudière et d'éviter des problèmes. Enfin, il est a noté qu'à puissance équivalente, une chaudière à accumulation avec serpentin assurera un débit sanitaire plus faible qu'un modèle avec échangeur sanitaire, le temps de réchauffage avec un serpentin étant plus important.

Avantages et inconvénients

• Avantages : confort optimal, consommations réduites, organes moins sollicités

• Inconvénients : encombrement, investissement plus important

Micro-accumulation / Mini-accumulation

Avant tout, il faut faire bien attention aux termes employés par les fabricants ou les installateurs, souvent par abus de langage ou pour un discours commercial un peu plus avantageux du produit ! Car les termes micro-accumulation et mini-accumulation (ou semi-accumulation) sont bien souvent amalgamés pour désigner toutes les chaudières sous l'unique désignation « micro-accumulée ». Or si on doit être précis (et dans les faits), il n'en est rien, le terme « micro » (10^-6) désigne pourtant bien une grandeur inférieure à quelque chose de « mini » (10^-3). Ainsi, la micro-accumulation contient généralement moins d'eau que la mini-accumulation, et il convient d'être attentif à ce que désigne réellement le terme « micro-accumulation » sur la documentation d'une chaudière ...

Chaudière à mini-accumulation ou semi-accumulation

Ce type de solution « mixte » représente un bon compromis. Les chaudières à mini-accumulation (ou encore dites « semi-instantanée » ou « semi-accumulée ») sont des chaudières instantanées sur lesquelles on a greffé soit un petit ballon tampon (toute petite réserve d'environ 2 à 10 litres) ou qui utilise comme sur les chaudières Frisquet une réserve d'eau contenu dans un long serpentin en cuivre d'une contenance d'environ 3L d'eau. L'avantage est que dès l'ouverture d'un robinet, l'eau chaude sort de la chaudière sans attente, et ce dans un encombrement similaire à une chaudière instantanée. Mais une fois la réserve épuisée, la chaudière redevient une chaudière instantanée. Cette chaudière permet de répondre aux puisages de faible débit (lavage de mains, dents …) sans mettre obligatoirement en route la chaudière, et aussi grâce au tampon de mieux réguler la température de l'eau chaude en sortie et éviter le phénomène de douches écossaises. Cette solution permet de trouver un juste équilibre entre stockage et puissance nécessaire.

Les chaudières mini-accumulée sont principalement adapté aux installations ayant une chaudière de puissance limitée ou lorsqu'un échangeur à plaques instantané ne suffit plus à délivrer de lui-même un débit d'eau chaude sanitaire important par moment. Le réservoir permet de remédier au manque d'eau chaude au démarrage mais n'agit pas sur le débit spécifique de la chaudière.

Principe chaudière à mini-accumulation

L'eau dans le mini ballon est maintenue en température soit par la chaudière qui se déclenche lorsque la température tombe en dessous d'un certain seuil. Ou bien par une petite résistance de quelques watts (environ 25W) qui est suffisante pour compenser des déperditions thermiques de l'ordre de 20 à 100W. C'est le système « Microfast » chez Saunier Duval. L'intérêt de cette résistance électrique de faible puissance est d'éviter d'allumer le brûleur et donc de délivrer une puissance de plusieurs kilowatts alors que le besoin est de l'ordre de quelques dizaines de watts. Car toute la puissance qui ne sera pas utilisée par le ballon est alors perdue à travers les parois de la chaudière et par les gaz de combustion. Le réchauffage par résistance est donc plus économe en énergie, avec une régulation de la température à l'intérieur du ballon bien plus fine avec un apport d'énergie juste nécessaire pour compenser les pertes thermiques.

Principe chaudière semi-accumulée

Pour les chaudières semi-accumulées, l'échangeur sanitaire (généralement en cuivre, matériau excellent conducteur de chaleur) est directement immergé dans le corps de chauffe de la chaudière. L'eau y est chauffée, maintenue en température, et la réserve importante contenu dans l'échangeur permet d'obtenir de l'eau chaude immédiatement, sans débit minimum de puisage, à température stable par l'intermédiaire d'un régulateur de température automatique de température en sortie de chaudière. Ce système permet aussi d'obtenir un sur-débit au démarrage de 30% en plus du débit spécifique : ce sur-débit correspond à un confort supplémentaire pendant environ 1 minute 30, laps de temps moyen de la plupart des puisages usuels. Cette intégration évite aussi les complications d'un échangeur séparé.

Avantages et inconvénients

• Avantages : encombrement faible, confort sanitaire sans attente et sans variation de température, économies de gaz et d'eau, augmentation de la longévité de la chaudière

• Inconvénients : investissement légèrement supérieur qu'une chaudière instantanée

Chaudière à micro-accumulation

Les chaudière à micro-accumulation se distinguent des chaudières à mini-accumulation par le fait qu'elle ne contiennent pas de petite réserve d'eau dédiée. Il s'agit de la technologie aussi appelé « warm start » qui consiste à obtenir un préchauffage d'une faible quantité d'eau sanitaire contenue soit à l'intérieur de l'échangeur à plaques ou soit du corps de chauffe de la chaudière. A cette fin, une chaudière à micro-accumulation doit régulièrement démarrer pour maintenir en température son échangeur à plaques ou son corps de chauffe, engendrant donc plus d'usure (et donc de frais d'entretien) et de bruit de fonctionnement. Et dans tous les cas, nous sommes plus sur une quantité d'eau de l'ordre de 0,5 - 0,8 litre dans un échangeur à plaques de chaudière.

En outre, compte tenu qu'il n'y a pas de volume d'eau chaude entre l'entrée et la sortie d'eau chaude, il n'y a pas de lissage des variations de la température d'eau chaude, pouvant entraîner un inconfort (sensation de chaud / froid = « douche écossaise ») en cas de nouveau puisage sur un autre point d'eau par exemple (voir la vidéo ci-dessous).

Avantages et inconvénients

• Avantages : chaudière légèrement moins chère qu'une chaudière à mini-accumulation

• Inconvénients : variation de température possible (inconfort), usure plus rapide de la chaudière, plus de bruit

Micro-accumulation versus mini-accumulation

Chaudière à production ECS hybride

Certaines chaudières allient avec efficacité les avantages de l'instantané et de l'accumulé. C'est le cas par exemple du système « IsoDyn² » breveté par Saunier Duval qui intègre 2 ballons séparés de 21L chacun garantissant la meilleure utilisation de l'eau chaude sanitaire (téléchargez le brevet Saunier Duval IsoDyn).

Pour un petit puisage comme une douche de 30 à 40 litres, la chaudière fonctionne en mode instantané et l'eau chaude est produite en fonction des besoins sans apport complémentaire des ballons. Pour de plus gros puisages et satisfaire aux débits de pointe, tel un bain de 150 à 200 litres par exemple, les deux ballons vont apporter le complément d'eau chaude nécessaire à la production instantanée. Une fois les ballons vidés, ils vont aussi mettre moins de temps à se réchauffer qu'une chaudière associée à un ballon échangeur. En effet, la chaudière va alors fonctionner en circuit fermé et régénérer les deux ballons en environ 5 minutes, soit 6 fois plus rapidement qu'une chaudière associée à un ballon échangeur de 150L.

Principe

Cliquez pour agrandirLe procédé de fonctionnement de l'installation consiste donc à puiser de l'eau chaude à un débit Qs recherché (voir schéma ci-dessus). Deux cas peuvent se présenter selon que le débit Qs d'eau chaude prélevée est supérieur ou inférieur au débit Q de la pompe 4 assurant le réchauffage de l'eau dans la chaudière.

Dans le cas où le débit Qs est inférieur à Q, toute l'eau froide de remplacement passe dans la chaudière et l'eau chaude correspondante est fournie au ballon par la canne d'alimentation 1 dont l'embouchure se trouve en partie haute, ce qui permet à cette eau chaude de ne pas se mélanger pas au volume stocké dans le ballon, de passer quasiment directement dans la canne de prélèvement 2 située elle aussi en partie haute, et de renouveler totalement ou partiellement l'eau des ballons au fur et à mesure du puisage : en effet, le débit de production de la chaudière Q étant supérieur au débit demandé par l'utilisateur, de l'eau est aussi puisée dans les ballons depuis la canne 3. En outre la zone de micro-accumulation créée entre les cannes hautes 1 et 2 des ballons permet un lissage de la température.

Dans le cas où le débit Qs d'eau prélevée est supérieur au débit Q de la pompe 4, la partie d'eau froide en surplus du débit admis par la pompe 4 alimente la canne 3 qui débouche à la base du ballon. L'eau chaude puisée par la canne 2 provient alors en partie de l'eau chaude émise par la chaudière par la canne 1, et en partie par l'eau chaude stockée dans les ballons. Ainsi l'utilisateur peut disposer pendant un certain temps d'un volume d'eau chaude supérieur au volume contenu dans le ballon, grâce à la capacité supplémentaire apportée parallèlement par la chaudière.

Lorsque l'utilisateur arrête de puiser de l'eau chaude (le cas représenté sur le schéma), la pompe 4 continue le réchauffage des ballons et s'arrête lors la température de consigne est atteinte.

Avantages et inconvénients

• Avantages : grande quantité d'eau chaude disponible (230L d'eau chaude à 40°C régénérable en 5 minutes) dans un encombrement réduit, stabilité de la température, risque d'entartrage réduit sans point chaud dans le ballon à la différence des ballons à serpentin

• Inconvénients : encombrement et investissement légèrement supérieur à une chaudière micro-accumulée

Pour bien choisir sa production d'eau chaude sanitaire

Pour choisir garantir une eau chaude sanitaire confortable et la mieux adaptée à ses besoins, avec une arrivée rapide de l'eau chaude au robinet, en quantité suffisante à tout moment, à une température souhaitée stable, il est nécessaire de respecter ces quelques principes de base :

• choisir la chaudière avec le débit d'eau chaude nominal en L/mn correspondant aux besoins du logement et fonction des équipements à alimenter simultanément.
• choisir ensuite de préférence une chaudière disposant au moins d'une « vraie petite accumulation » pour le confort et une stabilité de la température.
• positionner la production d'eau chaude sanitaire au plus près des points de puisages et si possible dans une pièce tempérée.
• dimensionner avec précision le réseau de tuyauteries sanitaires.
• éviter les déperditions thermiques dans le réseau d'eau chaude en calorifugeant la tuyauterie.
• installer un bouclage sanitaire ou un petit ballon électrique (15 à 30L) pour les puisages très éloignés, afin d'économiser de l'eau et ne pas attendre.
• bien entretenir régulièrement son générateur d'eau chaude sanitaire !

Intérêt d'un ballon ECS intégré et quelle capacité ?

Concernant le volume du ballon et de la réserve d'eau chaude pour une chaudière résidentielle, le choix va essentiellement dépendre de 4 éléments :

• nombre de personnes présentes en moyenne dans le logement ;
• nombre d'équipement/puisages d'eau chaude simultanés possibles ;
• débit eau chaude pour chacun de ces équipements alimentés en ECS ;
• lieu d'installation de la production d'eau chaude sanitaire.

Prenons l'exemple de 3 cas de figure assez représentatifs et fréquents :

• famille 4/6 personnes avec 2 salles de bains : 3 puisages simultanés possible (ex. 1 bain + 1 douche + 1 évier cuisine)
• couple recevant parfois de la famille avec 1 salle de bains + 1 salle d'eau : 3 points de puisage simultanés
• personne seule recevant parfois de la famille, avec 1 salle de bain : 2 points de puisage simultanés

Tout d'abord, il est important de ne pas se focaliser uniquement sur le nombre de personnes potentielles à un instant donné dans le logement : ainsi, quand bien même le couple recevrait 10 personnes de plus dans son logement pour un événement, il ne pourra toujours y avoir que 3 puisages simultanés ! Donc ce qui compte avant tout, c'est le débit ou encore la production instantané en ECS qu'est capable d'assurer la chaudière en L/min pour un ΔT=30° (norme EN13203 - entrée EF=10°C - sortie EC=40°C) permettant de couvrir les besoins simultanés d'eau chaude sanitaire. Cette valeur est communiquée par le fabricant dans la fiche technique de l'appareil (attention bien vérifier pour comparer qu'elle est donnée pour un ΔT 30°).

A titre d'information, les valeurs données dans le tableau ci-dessous sont des débits moyens d'utilisation des appareils sanitaires :

Le débit ECS est fonction de la puissance prévue par le fabricant. La tableau ci-dessous donne quelques valeurs indicatives de débit en production instantanée (la présence d'un ballon pouvant augmenter le débit communiqué par le fabricant) selon la formule :

P = 0.07 x Q x ΔT , avec Q en L/min et P en kW

FOCUS : calcul du débit eau chaude pour un équipement sanitaire

Le débit d'eau chaude « Q_ecs » que doit assurer un générateur pour un équipement sanitaire (robinetterie, mitigeur, douchette, ...) possédant un débit théorique « Q » peut se calculer ainsi :

Q_ecs = Q . (T - T_ef) / (T_ecs - T_ef)

 

Q_ecs : débit nécessaire en ECS en L/min
Q : débit en eau mitigée de l'équipement en L/min
T : température de l'eau mitigée au point de puisage (± 40°C)
T_ef : température de l'eau froide sanitaire (± 10°C)
T_ecs : température ECS en fin de réseaux (± 55°C)

Exemple : si votre douchette est donnée par le fabricant pour un débit max de 9L/min (sous 3 bar), et que vous souhaitez une eau à 40°C pour vous doucher, la chaudière doit être en mesure d'assurer en continu une production d'ECS de :

Q_ecs = 9 x (40 - 10) / (55 - 10) = 6L/min

Si on augmente légèrement la température de stockage (ou de production) de l'eau chaude, en demandant par exemple à la chaudière de produire de l'eau à 65°C, avec une perte de 5°C sur la distribution, le débit nécessaire n'est plus que de :

Q_ecs = 9 x (40 - 10) / (60 -10) = 5,4L/min

 

Ceci reste des calculs théoriques. Même si une douchette est donnée pour un débit maxi de 9L/min, la structure du réseau de distribution du bâtiment (pertes de charge) fait que bien souvent la pression disponible à l'équipement sanitaire fera chuter ce débit donné généralement pour 3 bars : en effet, même si votre pression statique est de 3 bars, lors de l'ouverture d'un robinet, la pression va déjà chuter. Et dans tous les cas, le débit d'eau total (EF + EC) disponible pour le logement ne sera tout simplement pas suffisant ! Donc ne vous fiez pas totalement aux débits maxi donnés par les fabricants sur leurs robinetterie : vous serez généralement en dessous ...

Attention, les fabricants de chaudières communiquent généralement dans leur documentation un débit normalisé (norme EN 13303) pour une eau froide à 10°C et une température ECS de 40°C (ΔT30°) : on ne mélange quasiment plus d'eau froide à la robinetterie ! Ainsi, il faut s'assurer que ce débit répond à la somme des débits mitigés de vos équipements ! Si le fabriquant indique un débit de 18L/min selon EN13303, et que vous avez 2 douchettes économie d'eau de 6L/min plus un mitigeur d'évier de cuisine à 6L/min, la chaudière est en mesure de couvrir l'ensemble des besoins si ils se présentaient simultanément, or une éventuelle typologie de réseau de distribution pouvant favoriser un point de puisage par rapport aux autres.

Ainsi pour la famille de 4 à 6 personnes, bien qu'une chaudière mini-accumulée ou semi-accumulée de qualité (ex. Frisquet Hydromotrix, Saunier Duval ThemaPlus) de 25 à 35kW de puissance sanitaire puisse assurer sans problème le débit nécessaire à l'alimentation de l'ensemble des points de puisage en simultané, surtout si le logement est équipé de robinetteries économiques (ex. avec « mousseur ») ou intégrant un système « venturi » (adjonction d'air à l'eau pour diminuer le débit - autour de 6L/min - tout en conservant une sensation de pression), il est quand même recommandé d'opter pour une réserve d'eau intégrée à la chaudière plus importante : d'environ 40 à 50 litres pour une production avec échangeur à plaques, d'environ 80 à 130 litres pour une production par serpentin (préparateur). Ceci permettra notamment de réduire les cycles de démarrage/arrêt de la chaudière pour le réchauffage du ballon, préservant un peu plus les organes de celle-ci (longévité) et réduisant aussi légèrement la consommation d'énergie.

En revanche pour le couple de 2 personnes ou la personne seule, et ce même si ils accueillent de temps à autre des personnes supplémentaires, une chaudière avec mini-accumulation peut largement suffire, avec une eau chaude produite en fonction de la consommation quotidienne, en évitant ainsi de stocker de l'eau inutilement dans un ballon trop important, ballon qui va d'ailleurs se refroidir plus rapidement dans une ambiance non tempérée (ex. dans un garage non chauffé) : plus son volume est en effet important, plus la surface en contact avec l'air est aussi importante. Il est donc parfois plus « intelligent » même pour une famille de 4 personnes d'opter pour une chaudière avec simplement une semi-accumulation (quitte à choisir un modèle plus puissant pour rattraper le débit du modèle avec accumulation) si la chaudière est positionnée dans un local dont les températures peuvent être très basses en hiver.

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