Energie renouvelable pour l'eau chaude

Les éléments naturels directement disponibles, comme l’air, le sol, le soleil, le bois, peuvent être utilisés pour le chauffage des locaux, de l’eau et pour produire de l’électricité. L’intérêt de les utiliser pour l’eau est d’associer les besoins aux moyens. Car les défauts principaux des énergies renouvelables (ENR), en particulier dans les installations individuelles, est de produire par intermittence, ou pas assez, et d’afficher un rendement souvent médiocre. Or il est relativement facile d’estimer les besoins en eau chaude d’un logement, d’en déduire le niveau de production nécessaire et d’adapter l’installation ENR en conséquence. Cette production peut être indépendante ou couplée à l’installation de chauffage. Pour les solutions exclusivement dédiées à l’Eau Chaude Sanitaire, le chauffe-eau thermodynamique et le chauffe-eau solaire individuel (CESI) figurent parmi les mieux adaptées.

Il existe trois types de chauffe-eau thermodynamiques :

• Les appareils sur air extérieur absorbent l’énergie en dehors du logement. Leurs performances sont liées aux conditions atmosphériques, avec une limite basse aux alentours de -5 °C. En dessous, la pompe à chaleur peut encore fonctionner, mais avec un rendement très faible.

• Pour améliorer ces performances, la deuxième catégorie de chauffe-eau puise l’air dans la pièce où l’appareil se trouve et le rejette de même ou à l’extérieur. Le rendement est meilleur et moins sensible aux conditions atmosphériques. Mais le chauffe-eau refroidit considérablement la pièce, qui ne doit pas être chauffée, isolée du reste de la maison, tout en ayant un volume suffisant, aéré de manière indépendante, pour servir de réserve d’énergie.

• Le troisième type de chauffe-eau thermodynamique est raccordé à l’air extrait d’une VMC simple flux. Il concurrence les procédés de ventilation double flux. D’autre part, les débits classiques nécessaires au fonctionnement de la PAC, environ 400 m³/h, sont généralement supérieurs aux exigences de ventilation réglementaires. Le système repose donc sur un compromis. Il est également possible d’utiliser une PAC géothermique pour chauffer l’ECS. Ce procédé est généralement couplé au chauffage de la maison. Les performances d’un chauffe-eau thermodynamique sont déterminées par la puissance de sa PAC, exprimée par son COP (COeficient de Performance), une valeur d’essai sous conditions normalisées permettant, en principe, de comparer les appareils. Il faut également tenir compte du temps de montée en température (petite pompe + gros volume = beaucoup de temps), de la température de l’air utilisé, de l’eau à chauffer et de la chaleur de consigne souhaitée. Il faut enfin très bien calculer les besoins des occupants. Ainsi, pour un volume journalier réellement puisé inférieur au quart de la quantité d’Eau Chaude Sanitaire disponible (plus importante que le volume strict du ballon), la dégradation des performances peut atteindre 50%. En ce qui concerne l’installation, les consignes sont celles d’un ballon électrique, auxquelles se rajoutent celles des raccordements éventuels de prises et rejets d’air. Notez que le fonctionnement de la PAC produit des nuisances sonores (ventilation, compresseur…).

Le chauffe eau solaire individuel (CESI) capte la chaleur du soleil via un échangeur extérieur et la transmet à l’eau stockée dans le ballon. Comme dans le cas précédent, il ne peut généralement pas assurer la totalité des besoins à lui seul, en toutes circonstances. Par exemple, en plein hiver, par temps froid et sous les nuages pendant plusieurs jours, les performances d’un CESI brillent par leur absence. L’installation est donc complétée par un appoint, électrique ou chaudière.

Le CESI à thermosiphon fonctionne sans circulateur, en utilisant simplement les différences de densité du liquide caloporteur qui remonte lorsqu’il chauffe. Il faut donc placer le ballon au-dessus du capteur. Ce type d’installation est courant dans les DOM, où l’énergie disponible est abondante et permanente. Le ballon de stockage est même placé en toiture (CESI monobloc). Le procédé est également faisable en métropole, dans le Sud, en exploitation saisonnière (résidence secondaire, village vacances…).

Le CESI à circulation forcée s’affranchit des contraintes de placement en intégrant une pompe de circulation qui se déclenche dès que la température du capteur dépasse celle du ballon. Les contraintes d’installation sont plus simples à traiter et le fonctionnement du CESI est adapté à tous les climats moyennant quelques ajustements.

Le CESI auto-vidangeable est une évolution du modèle précédent. À l’arrêt du circulateur, le capteur se vide. Le liquide est stocké dans un tampon et remplit de nouveau le capteur au redémarrage de la pompe. Ce système, plus complexe, apporte la réponse la plus pertinente aux risques de gel et de surchauffe puisque, dans ces conditions extrêmes, le capteur de toiture est vide.

Pour couvrir les besoins en ECS (Eau Chaude Sanitaire) en toutes circonstances, il existe trois systèmes d’appoint, séparé, intégré dans le ballon, ou en relève de chaudière.
En appoint séparé, le complément est assuré par un ballon indépendant, celui d’une chaudière ou un chauffe-eau électrique classique. L’eau du CESI vient alimenter le réservoir d’appoint. Le procédé est relativement économique à l’installation, surtout avec un appoint électrique. Il est moins performant avec une chaudière qui aura tendance à maintenir toute seule la température de son ballon.
En appoint intégré, le maintien en température, par une résistance électrique et/ou une chaudière gaz, est assuré directement dans le ballon du CESI. L’installation est plus simple car le CESI intègre déjà la résistance ou fait partie d’un ensemble complet avec la chaudière.
En relève de chaudière, l’eau est d’abord préchauffée par le CESI, en partie ou en totalité, puis transférée à une chaudière sans ballon qui assure le réglage de la température de consigne. Ce procédé de CESI optimisé associe l’apport solaire à une chaudière performante, à condensation par exemple, ce qui permet de conjuguer confort et économies de fonctionnement. En neuf, il permet d’intégrer l’obligation de recours aux ENR, exigée par la réglementation thermique, dans une solution globale. L’ensemble se situe toutefois dans les solutions les plus chères et la couverture des besoins par le CESI est plus faible que dans les autres solutions.