PRIORITÉ 5 : EAU CHAUDE SANITAIRE (ECS)

  Avant de choisir une solution de chauffage de l'eau, il faut bien évaluer ses besoins.

Consommation type d'ECS (Eau Chaude Sanitaire)

L'ADEME a analysé les consommations en ECS des français, et proposé deux comportements type d’une famille avec 2 enfants

• la famille ECO
• la famille GASPI

Une grande partie de l’eau que nous consommons est chauffée à 40°C.

Cette ECS comprend les deux tiers de la consommation totale en réalité, avec 80 m3 par an pour la famille ECO :

• la moitié en eau chaude (53%): douches et bains principalement, lavage du linge et de la vaisselle
• un tiers en chaud et froid (34%)
• un demi-tiers en eau froide (13%)

Passer d’un comportement de famille GASPI à celui d’une famille ECO, c’est possible, la preuve : ma consommation entre 2010 et 2013.

Avec un peu moins de bains, plus de douches, en limitant le volume des réservoirs des toilettes et en faisant attention à ne pas laisser trop d’eau couler de façon générale, de nouvelles habitudes se mettent en place, et les efforts du début disparaissent rapidement. 

Les différents types de chauffe-eau

De la même façon que nous avons les radiateurs électriques et les pompes à chaleur pour chauffer l’air ambiant, nous avons les cumulus électriques et les chauffe-eau thermodynamiques pour chauffer l’eau sanitaire, à la différence près qu’un chauffe-eau a deux fonctions, chauffer et stocker alors que le chauffage de l’air ambiant n’assure pas de stockage.

Chauffe-Eau électrique dit « cumulus » ou « boiler »

Un cumulus est en quelque sorte une grosse bouilloire électrique. Il est constitué principalement d’une cuve pour stocker l’eau, et d’une résistance plongée dans l’eau qui produit de la chaleur par effet Joule lorsqu’on y fait passer un courant électrique.

Les résistances sont de deux types, blindées ou thermo plongées

En complément, nous avons :

• un thermostat pour commander la résistance, lancer le chauffage et arrêter le courant électrique lorsque la température de consigne est atteinte
• une couche de matériau isolant autour de la cuve pour limiter les déperditions thermiques
• un revêtement intérieur de cuve pour repousser le moment auquel la cuve sera percée, mise hors d’usage par la corrosion de l’acier
• un élément de sécurité pour éviter les surpressions

• éventuellement une cathode pour limiter les problèmes de corrosion

A chaque prélèvement d’eau chaude, la cuve se remplit du même volume d’eau froide pour garder un niveau constant et la température moyenne de l’eau baisse dans le ballon. Si vous laissez branchée la résistance en continu, celle-ci va réchauffer cette eau froide jusqu’à atteindre la température de consigne. Si le chauffe-eau est installé pour chauffer en heures creuses, la température restera plus basse que la consigne jusqu’à la nuit suivante.

Considérons une température de consigne de 55°C et un ballon de 200 litres. Le volume total d’eau chaude utilisable pour une utilisation courante sera de 320 litres, en théorie. C’est ce que l’on appelle le V40, volume d’eau disponible à 40°C.

Considérant le rendement de l’installation, si une résistance électrique à un rendement parfait de 1 (toute l’énergie électrique consommée étant transformée en chaleur), il n’en est pas de même pour un chauffe-eau. En effet, si l’isolation du chauffe-eau est médiocre, une grande quantité de calories stockées dans l’eau chaude sera malheureusement évacuée par les parois du ballon. Avec des pertes de 20%, le volume d’eau à 40°C disponible n’est plus que de 256 litres au lieu des 320 litres attendus, le rendement ne sera alors plus que de 0,8 et non de 1.

Il faut donc choisir un chauffe-eau avec un V40 élevé.

Coût du chauffage par cumulus (analyse de facture)

Ma consommation d’eau froide annuelle s’élève à 116 m3 en 2013, dont les deux tiers ont été chauffés à 40°, soit 116 x 0.66 = 77 m3.

Pour chauffer 77 m3 d’eau à 15°C, sachant qu’il faut 1 kWh pour élever 1 m3 d’eau de 1°C, et que mon cumulus a un rendement de 0.8, j’ai consommé (40-15) x 77 / 0.8 = 2407 kWh.

Pour un prix du kWh de nuit d’environ 0.08 € par kWh, la facture annuelle de chauffage d’ECS par cumulus est de 2407 x 0.08= 193 €

Chauffe-Eau Thermodynamique (CET standard)

Les CET sont des pompes à chaleur qui puisent les calories dans l’air par l’intermédiaire d’un fluide frigorigène, comme le réfrigérateur ou le congélateur de votre cuisine.

Il existe des variantes sur la façon de prélever les calories : 

Le CET sur air ambiant

Ce type de CET puise l’air de la pièce, et rejette l’air refroidi par la pompe à chaleur dans cette même pièce. En bref, vous chauffez l’air de la pièce avec un moyen de chauffage, pour ensuite transmettre ces calories à l’eau par l’intermédiaire du CET. Conséquence : des surconsommations d’énergie.

Si vous placez votre CET sur air ambiant dans un endroit non chauffé (dans un garage, voire dans un appentis extérieur), vous aurez d’autres inconvénients : des pertes thermiques plus importante de l’eau stockée car l’écart de température entre l’eau stockée et l’air extérieur sera plus important, d’une part, et un rendement dégradé de la pompe à chaleur. Même constat, des surconsommations.

Le CET sur air extrait

Ce type de CET puise l’air à l’extérieur de la maison, et rejette à l’extérieur l’air refroidi par la pompe à chaleur. En installant le ballon de stockage dans la maison, et avec cette tuyauterie qui le connecte à l’extérieur, vous êtes dans une meilleure configuration. Il existe 2 systèmes, avec pac intégrée au ballon, ou avec ventilateur installé à l’extérieur et ballon à l’intérieur, modèle dit « split » (traduction de l’anglais : séparé)

Néanmoins, l’air dans lequel sont prélevées les calories aura la température extérieure, et le rendement de la pompe à chaleur s’en trouvera affecté, particulièrement en hivers.

Le CET sur air extrait de VMC simple flux

Ce type de CET puise en partie l’air sur le circuit de la ventilation mécanique contrôlée, ce qui permet d’afficher une meilleure performance, la source froide étant à une température plus élevée

L’idée est bonne, mais l’intégration de deux systèmes, le CET et la VMC, conduit à un surcoût de l’installation, et à des contraintes d’utilisation, les flux devant être coordonnés pendant la phase de chauffe. Il est difficile de profiter du tarif heures creuse avec ce type de CET

Le CET géothermique

Ce type de CET puise ses calories dans le sol

Le CET solaire

Ce type de CET contient un évaporateur solaire. Ses performances sont légèrement supérieures à celle du CET sur air extrait, avec un COP annuel de 1.45 à 1.75 (tests réalisés par l’Ademe, voir l’article sur le coût du CET)

Appoint par une résistance électrique

Il se trouve que les CET contiennent une résistance électrique en supplément de la pompe à chaleur. Cette résistance a pour fonction de chauffer l’eau lorsque la température de l’air est trop faible.

En un mot, sans que vous ne le sachiez, votre magnifique CET s’est transformé en cumulus !

Chauffe-Eau Thermodynamique (CET au CO2)

Une nouvelle génération de CET permet de produire une température d’eau plus élevée que les CET standard, s’affranchissant ainsi de la résistance d’appoint.

Il utilise le dioxyde de carbone (CO2) au lieu du classique fluide frigorigène. Sa partie thermodynamique, exclusivité du fabricant japonais Sanden, est fournie aux entreprises Aldès et Teccontrol en France, qui assemblent et vendent les CET complets.

Un CET au CO2 est environ 2 fois plus cher qu’un CET standard dont le prix moyen observé par l’Ademe est de 3500 € TTC, pose inclue. Nous compterons 6000 € pour un CET au CO2, le prix hors pose étant de 4000 €.

Avec une durée de vie de 15 ans, l’amortissement d’un CET sera ainsi de 233 € par an pour un CET standard et de 400 € par an pour un CET au CO2, mais ce dernier affiche de bien meilleures performances à l’utilisation, ce qui le rend finalement plus économique. Nous verrons cela par la suite.

Coût du chauffage par CET sur air ambiant

Le rendement est exprimé par le COP, Coefficient de Performance.

Pour un chauffe-eau, le COP varie en fonction :

des déperditions thermiques par les parois du ballon de stockage, liées à la température de stockage et à la température de l’air ambiant autour du ballon. Plus l’écart est important, plus les déperditions sont importantes. La taille du ballon a aussi son influence, plus sa surface est importante, plus les calories s’échappent

du mode de prélèvement intermittent de l’eau chaude, qui agit sur le rendement du compresseur en fonctionnement continu, et sur la température moyenne de stockage en fonctionnement jour-nuit, température moyenne qui descend progressivement à chaque prélèvement au court de la journée

de la température de l’air extérieur à la maison, qui fait chuter le rendement du CET sur air extérieur, ou qui augmente la consommation du local chauffé pour satisfaire au besoin d’un CET sur air ambiant

COP normatif

Les COP sont mesurés selon une méthode définie par une norme d’essai. Les normes évoluent au cours du temps, pour refléter au mieux l’usage final du consommateur. Ainsi la norme d’essai EN16147 indique un protocole d’essai qui conduit au COP dit « normatif ». Il est obtenu en faisant fonctionner le chauffe-eau pendant 24 heures avec une simulation de prélèvements multiples pour une famille de 4 personnes, air à 20°C, eau froide à 10°C, consigne du ballon à 50°C. Ce protocole intègre ainsi la qualité d’isolation du ballon et l’efficacité du système de production de chaleur.

COP nominal

Pour mémoire, le protocole de la norme précédente ne se faisait que sur une durée de 1 heure, ce qui conduisait bien sûr à un COP plus fort, de plus de 60% plus importante en fait selon les mesures Costic 2009. Il est appelé COP « nominal », que certains fabricants utilisent encore pour gonfler leurs performances.

COP annuel

Le COP « annuel » est issu de mesures réalisées tout au long de l’année. Selon la fiche technique « chauffe-eau thermodynamiques individuels » de l’Ademe, février 2013, il est inférieur au COP normatif de 50%. Des mesures faites sur site, toujours par l’Ademe, mais sur trois ans entre 2010 et 2012, montrent un COP annuel entre 0.96 et 1.4 pour un CET sur air extrait.

Mais ce COP d’environ 1.2 ne reflète toujours pas la réalité, car il ne prend pas en compte la dépense d’énergie réalisée pour chauffer le local dans lequel est installé le CET !

COP réel

Rappelons-nous, un CET ne produit pas de chaleur pour chauffer l’eau, il ne fait que prélever les calories de l’environnement pour les transférer à l’eau par l’intermédiaire d’un fluide frigorigène. L’ensemble de l’énergie ayant servi à chauffer un ballon doit ainsi être ajoutée à la consommation du CET, soit (40-15) x 77 = 1926 kWh en reprenant les 77 m3 d’ECS par an, soit celle d’un cumulus sans les pertes thermiques car elles ont déjà été prises en compte précédemment.

Pour faire simple, vous doublez la consommation, avec un COP réel d’environ 0.5, la moitié prise pour chauffer le local, la moitié prise pour activer la pompe à chaleur.

Coût total d’utilisation

Nous venons de voir que la consommation d’un CET consommait 1926 x 2 = 3852 kWh, soit une facture électrique de 3852 * 0.08 = 308 €.

Coût du chauffage par CET sur air extrait

Souvenez-vous qu’un CET est muni d’une pompe à chaleur et d’une résistance électrique. Sachant que le rendement d’une PAC s’effondre lorsque la température de l’air est trop basse, le COP sur air extrait sera inférieur à 1.2, valeur du COP annuel d’un CET sur air ambiant. Par contre, une telle installation ne nécessitera pas de chauffage d’air ambiant. Prenons un COP de 1.1 par hypothèse.

Le coût pour chauffer 77m3 sera alors de (40-15) x 77 / 1.1 x 0.08 = 140 €
8.9Coût du chauffage par CET au CO2 sur air extrait

Les COP annoncés par le fabricant de CET au CO2 sont les suivants :

• COP normatif : 3.42
• COP annuel : 2.4

Le coût pour chauffer 77m3 sera alors de : (40-15) x 77 / 2.4 * 0.08 = 64 €

Comparatif des budgets annuels de chauffage d’ECS

Le tableau suivant donne des ordres de grandeur du coût annuel, en incluant toutes les dépenses lié au matériel, c’est-à-dire

• le coût de l’installation divisé par sa durée de vie
• les coûts de maintenance des CET

Sachant qu’une visite de contrôle de l’installation frigorigène coûte au moins 100 €, mais que l’entretien annuel par un professionnel n’est pas obligatoire, j’ai compté 5 interventions sur une durée de vie de 15 ans dans le tableau suivant, soit tous les 4 ans en début de vie, et tous les ans en fin de vie : à 4 ans, 8 ans, 12 ans, 13 ans et 14 ans, soit un total de 500 €.

Notez qu’il est fortement recommandé de faire vérifier votre installation par un professionnel, pour le contrôle des sécurités en particulier. Si vous choisissez néanmoins cette formule, l’entretien annuel doit tout de même être réalisé par vos soins : nettoyage du ventilateur, vérification de l’absence de fuite.

Si par précaution vous souhaitez réaliser l’entretien par contrat avec un professionnel, il faudra compter au moins 14 x 100 = 1400 € sur la durée de vie de 15 ans du CET.

Il apparait clairement que le cumulus est la solution la plus intéressante d’un point de vue strictement financier. Pour modérer cet avantage, il faut intégrer le fait que prix de l’électricité augmente. Ainsi le coût total du cumulus passerait de 260 € à 300 € pour une hausse de 20% de l’électricité, ce qui reste toujours largement avantageux.

En considérant l’aspect écologique, et pour répondre aux critères des dernières réglementations thermiques, ce sont les CET sur air extrait qui doivent être choisies, mais l’investissement est conséquent, ce qui double le budget annuel, quoiqu’un CET standard n’offre pas un avantage décisif sur le nombre de kWh consommés. Le CET au CO2 est donc à privilégier, même si le coût d’installation est plus élevé, il est compensé par une consommation deux fois moindre.

Enfin, les CET sur air ambiant sont à proscrire.

Les bonnes pratiques pour un bon rendement

Hormis le choix de la technologie du système de chauffage, le rendement final directement impacté par les pertes thermiques du ballon pendant le stockage de l’eau chaude.

L’isolation

Les ballons sont isolés thermiquement par le fabricant, mais l’épaisseur d’isolant est faible, d’environ 4 cm. De ce fait, un ballon n’est jamais très bien isolé et les pertes thermiques font chuter le rendement (d’environ 10%). Conclusion :

• renforcer l’isolation du ballon en l’enroulant dans une forte épaisseur de laine de verre, par exemple

La température de l’eau

Les pertes thermiques pendant le stockage sont directement liées à l’écart de température entre l’intérieur et l’extérieur du ballon. Il faut donc :

• abaisser la température de l’eau au minimum de ce qui est acceptable d’un point de vue sanitaire, soit entre 45°C et 50°C

• déplacer le chauffe-eau dans le volume chauffé, si c'est possible

Dimensionnement du ballon

En installant un ballon de 300 litres quand vous ne consommez que 200 litres, vous entretenez le chauffage de 100 litres à l’année, donc :

• Dimensionner la taille du ballon au plus juste des besoins, soit 150 à 200 litres pour une famille de 4 personnes

Fonctionnement en heures creuses

hormis le fait que le tarif en heures creuses est plus intéressant qu’en heures pleines, il est judicieux de :

• Réserver la période de chauffe uniquement en fin de nuit et de prélever l’eau chaude au petit matin. Vous ne stockez ainsi qu’un minimum d’eau chaude, celle qui reste après les douches ou bain du matin.