Le chauffe-eau thermodynamique (CET)

Le chauffe-eau thermodynamique est un équipement dédié uniquement à la production d’eau chaude sanitaire (ECS). Il ne permet donc pas la production de chauffage. Le CET est composé de plusieurs éléments :

• Une pompe à chaleur air / eau récupère et valorise les calories contenues dans l’air grâce à l’évaporateur situé en partie haute afin de chauffer l’eau à l’aide d’un échangeur à grande surface d’échange (ou condenseur) placé en partie basse. Le transfert de chaleur est assuré par le changement de phase d’un fluide frigorigène circulant dans un circuit thermodynamique.
• Un ballon de stockage d’un volume variable.
• Une résistance électrique placée au-dessus du condenseur, qui intervient en appoint.

Le CET est jusqu’à 2 à 3 fois plus efficace qu’un cumulus électrique classique, permettant de réduire sensiblement les consommations d’énergie primaire d’un logement. Son COP, fonction notamment de l’origine et de la température de la source froide (air ambiant, air extérieur, ou air extrait d’une VMC) mais également de la zone climatique, se situe généralement entre 2 et 4.

Pour répondre à l’ensemble des besoins thermiques d’un logement, il doit être couplé à un appareil de production de chauffage tel qu’une chaudière à condensation gaz naturel.

1. L’air entrant est aspiré par le haut de l’appareil à l’aide d’un ventilateur.
2. Il passe ensuite dans un évaporateur, cédant ainsi ses calories à un fluide frigorigène.
3. Lors de son passage dans le compresseur, le fluide frigorigène augmente sa pression et sa température.
4. Le fluide traverse le condenseur ; le changement de phase étant exothermique, la chaleur libérée est transférée à l’eau stockée dans le ballon.
5. Le fluide passe enfin dans le détendeur où il se refroidit.

Un appoint électrique (une résistance de 1,5 à 3 kW) est systématiquement inclus dans le dispositif, afin d’augmenter la température de l’eau chaude si nécessaire et/ou de répondre à une demande en ECS plus importante. A noter qu’un appoint hydraulique est également possible par un échangeur raccordé à un générateur (une chaudière à condensation par exemple).

Le CET peut récupérer les calories présentes dans l’air depuis trois sources différentes. Ce choix donne lieu à 3 types de montage. Ces 3 sources d’air sont :

• L’air ambiant du local technique où est installé le CET
• L’air puisé à l’extérieur du logement
• L’air extrait de la ventilation mécanique contrôlée (VMC) du logement

Le CET produit de la chaleur grâce à une pompe à chaleur aérothermique air/eau. Cette pompe à chaleur peut puiser les calories dans divers environnements :
 

• Installation aérothermique avec puisage d’air ambiant

Dans ce montage, l’air est puisé et extrait dans une pièce du logement où se trouve le CET, entraînant un refroidissement de l’air ambiant.

Il est conseillé de le mettre en œuvre lorsque le local où se situe le CET a une surface supérieure à 10 m² (ou un volume de 20 m³) non chauffée et suffisamment ventilée avec une hauteur sous plafond supérieure à 2,10 m. En raison  de ces contraintes, ce montage n’est pas préconisé.

• Installation aérothermique avec puisage d’air extérieur

Dans cette configuration, l’air extérieur aspiré par un ventilateur alimente via une gaine la pompe à chaleur avant d’être rejeté : l’air du local où a été installé le CET n’est pas impacté.

Afin d’optimiser son fonctionnement, l’appareil doit :

• Etre équipé d’un dispositif de dégivrage à l’évaporateur
• Limiter les longueurs des conduits de raccordement aéraulique

Cette installation nécessite de percer deux trous (de 160 mm de diamètre au minimum) en façade donnant sur l’extérieur ou de prévoir deux débouchés en toiture, le tout sans dégrader l’étanchéité à l’air du bâtiment.

A noter : en parallèle de ce montage, il existe la version du CET en éléments séparés (bi-bloc), plus complexe à mettre en œuvre. Dans ce cas, aucun réseau aéraulique n’est à prévoir ; néanmoins, une liaison frigorifique entre l’unité extérieure et le ballon doit être réalisée selon les prescriptions du fabricant (notamment sur la longueur maximale de la liaison) et par une entreprise disposant de l’attestation de capacité dont l’intervenant doit détenir l’attestation d’aptitude. La puissance calorifique de la PAC étant élevée, cette configuration est à privilégier dès lors que les besoins en ECS sont conséquents.

• Installation aérothermique avec puisage d’air extrait d’une ventilation mécanique contrôlée (VMC)

Ce montage permet d’utiliser et de valoriser l’énergie fatale présente dans l’air vicié. La température de l’air extrait étant stable et plus élevée que celle de l’air extérieur et les débits d’extraction généralement suffisants, le rendement de cette solution est intéressant et constant dans le temps.

Une fois l’énergie récupérée, l’air vicié est ensuite refoulé à l’extérieur du logement. L’air du local où est installé le CET n’est donc pas impacté.

Il est important de vérifier et d’adapter le débit d’extraction d’air de la VMC avec le débit d’air nécessaire au fonctionnement du CET.

La performance du CET dépend des éléments suivants :

En particulier :

• La température extérieure (dans le cadre d’un puisage d’air extérieur)
• La température et le volume de la pièce (dans le cadre d’un puisage d’air ambiant)
• Le taux de renouvellement de l’air (dans le cadre d’un puisage de l’air extrait)

En général : 

• Le niveau d’isolation :
  • Du ballon lui-même
  • De la pièce dans laquelle le ballon est installé
• Le mode de régulation, parmi les 5 modes existants :
  • Mode thermodynamique : seule la PAC du système est mobilisée pour produire l’ECS. Le risque est de ne pas répondre aux besoins si la température de la source froide est trop basse.
  • Mode automatique : fonctionnement de la PAC en priorité et de la résistance électrique en appoint
  • Mode accéléré : actionné manuellement pour répondre à une pointe spécifique
  • Mode absence
  • Mode anti-légionnelle (option) : il permet des montées en température afin de détruire les légionnelles.

• La quantité d’ECS consommée ; un faible taux d’utilisation induit une dégradation importante de la valeur du COP. Les pertes de stockage représentent en effet un poids relativement important dans le bilan énergétique du système ; de plus, si le volume d’ECS consommé est faible, l’appoint à apporter lors du cycle de production sera également faible d’où un rendement dégradé.
   
• La température de consigne : bien que la température de consigne soit réglable, il est conseillé de stocker l’ECS à une limite basse de 55°C pour limiter le développement de légionnelles.

Aussi, la mise en place d’un système avec asservissement temporel permet aux habitants de bénéficier des tarifs heures pleines / heures creuses, et donc d’optimiser les coûts énergétiques de la maison. Cette option n’est pas adaptée à toutes les configurations, notamment quand les puisages sont supérieurs à la quantité d’eau disponible.

COP des différents modèles suite à l’instrumentation : 

• Modèle 1:  3,0
• Modèle 2 :  3,5
• Modèle 3 :  2,8

En complément, lors de la rédaction des guides « RAGE », une campagne de mesures a été réalisée. Le graphique ci-dessous montre les performances de 17 installations étudiées.

Ce rapport rappelle qu’un COP inférieur à 1,5 n’est pas jugé comme normal, et s’explique en partie par un surdimensionnement.

Le dimensionnement, défini dans le cahier des charges LCIE 103-15/B de la marque NF Electricité Performance, doit être déterminé à partir de la quantité d’ECS que peut produire le CET en mode thermodynamique pour une durée de fonctionnement donnée et en fonction de la source froide et du nombre de personnes composant le foyer.

Un ballon de 300 litres peut ainsi répondre aux besoins d’un foyer composé de 4 à 6 personnes environ.

Exemple :
Dans le cas d’un CET puisant sur l’air extérieur : pour satisfaire au confort des usagers d’un logement T4 ayant des besoins journaliers de 315 litres d’ECS à 40 °C, le volume de stockage Vn minimal doit être de 225 litres avec une montée en température normative maximale de 9 heures.

Dans la configuration d’un CET sur air extrait, le volume de stockage Vn minimal doit être de 175 litres avec une montée en température normative maximale de 13 heures afin de satisfaire au même confort que précédemment.

Pour rappel, les plages de températures de fonctionnement pour les 2 sources froides principales sont les suivantes :

• -5°C / +35°C,  pour le CET sur air extérieur
• +15°C / +35°C , pour le CET sur air extrait

Dans le cas d’un CET sur air extérieur, et dès lors que la température extérieure est inférieure à -5°C, la production d’ECS est assurée uniquement par la résistance.

Une résistance électrique de 1,5 à 3 kW est systématiquement incluse dans le dispositif, afin :

• D’augmenter la température de l’eau chaude lorsque la demande est importante
• D’assurer la continuité de la fourniture d’ECS (en fonction des plages de températures de fonctionnement de la PAC)
• De réaliser un choc thermique anti-légionnelle

Il est recommandé de recourir à un installateur certifié QualiPAC pour procéder à l’installation du chauffe-eau thermodynamique.

Quelle que soit la configuration de l’installation, elle doit respecter les exigences de la norme NF C 15-100 ainsi que les préconisations du fabricant.

De manière générale, il faut obligatoirement prévoir les éléments suivants :

• Un siphon d’écoulement
• Raccordement à la terre
• Alimentation électrique spécifique
• Un disjoncteur différentiel de 30 mA
• Un dispositif d’évacuation des condensats produits par la PAC

Les schémas suivants précisent les distances préconisées pour les sorties d’air, à l’arrière de l’habitation ou en toiture :

Gauche : grilles murales non protégées de la pluie : les ailettes doivent être orientées vers le bas
Droite : grilles murales protégées de la pluie : les ailettes doivent être orientées de sorte que les flux s’opposent.

Les dimensions du CET varient selon les modèles. Toutefois, il est nécessaire de respecter certaines distances de dégagement spécifiées par le fabricant. Elles permettent entre autres un accès facile à l’appareil pour son entretien, et la mise en place de la tuyauterie.

Les espaces minimaux à réserver autour du CET sont spécifiées dans le NF DTU 60.1 P1-1-3. Elles sont de :

• 10 cm entre le dessus de l’appareil et le plafond
• 12 cm entre l’appareil et une paroi verticale
• 40 cm entre le dessous de l’appareil et le sol si l’appareil est installé au mur

Par ailleurs, il doit être possible de retirer les parties amovibles du CET (résistance électrique, filtre à air, capot de protection, etc.) sans le déposer : il doit donc être installé en conséquence.

L’emplacement de la prise et le rejet d’air doit respecter les indications suivantes :

• Les orifices d’air en façade ou en toiture doivent être positionnés à l’abri des vents dominants.
• Les bords inférieurs de la prise et du rejet d’air doivent être placés à une hauteur minimale de 0,50 m au-dessus du sol fini. 
• L’espace autour des orifices d’air doit être libre.
• L’espacement entre la prise et le rejet d’air doit être conforme aux spécifications du fabricant pour minimiser le risque de recirculation d’air. A défaut, une distance minimale de 1,50 m doit être respectée entre les bords extérieurs des orifices d’air ou une solution corrective (écran d’interposition) doit être mise en place.
• La prise et le rejet d’air ne doivent pas être installés sur un mur pouvant devenir une paroi intérieure lors d’une potentielle extension de l’habitation.
• Aussi, la prise d’air doit être protégée de toute source de pollution particulière (automobile, végétale et organique, etc…).

Le rejet d’air doit être disposé à une distance minimale de :

• 0,40 m de toute baie ouvrante
• 0,60 m de toute entrée d’air de ventilation
• 1,50 m des lieux de passage ou terrasses afin d’éviter tout risque de formation de gel lorsque la température de l’air rejeté devient négative.

En parallèle et pour réduire les nuisances éventuelles, l’implantation du CET doit tenir compte du voisinage mais aussi des pièces sensibles du logement équipé (chambres, séjour, etc.) Pour limiter la propagation des bruits solidiens, il est recommandé d’installer le CET sur plots ou sur une dalle antivibratile.

Un entretien régulier du chauffe-eau est fortement conseillé. Il permet de maintenir des performances élevées. Les actions de base de cette maintenance sont les suivantes :

Le prix d’un CET seul se situe en moyenne entre 1 500 et 2500 € HT.

• Atlantic
• Chaffoteaux
• Chappée
• De Dietrich
• ELM Leblanc
• Hitachi
• Saunier Duval
• Tresco
• Viessmann