Optimisation de la production d'eau chaude

Le sommaire des infos et concepts des maisons passives
Les besoins comparés de chauffage et d’eau chaude sanitaire

« L’énergie la moins chère est celle qu’on ne consomme pas ». Cette tautologie est la règle mise en œuvre lorsque les économies d’énergie sont réalisées grâce à l’efficacité énergétique. Les maisons passives en sont l’aboutissement dans le domaine de la construction. Résultant en grande partie de l’isolation, sans pont thermique, elle n’est toutefois pas la seule solution qui puisse être mise en œuvre pour réaliser des économies d’énergie et d’argent. La citation pourrait être complétée pour devenir :

« Les énergies les moins chères sont celles qu’on ne consomme pas et celles qui sont GRATUITES »

Cette lapalissade, si évidente à la lecture, n’est pourtant pas toujours mise en œuvre dans les faits, sauf, encore une fois, dans les maisons passives dans lesquelles c’est systématiquement le cas. Les apports gratuits de chaleur, résultant de leur occupation mais aussi des rayons directs du soleil, sont intégrés au concept et donc aux calculs thermiques. Ce ne sont d’ailleurs pas les seules énergies gratuites prises en compte puisque la récupération d’énergie est aussi de rigueur. L’échangeur de la VMC capte l’énergie de l’air extrait, à moindre frais, afin de préchauffer l’air neuf en hiver et de le rafraîchir en été. Il faut toutefois remarquer que si, en cours de fonctionnement, les apports et la récupération d’énergie sont gratuits ou quasiment gratuits, ils nécessitent généralement, contrairement à l’énergie non consommée, un investissement initial qui peut être important.

Limitation drastique de la consommation d’énergie, apports gratuits et récupération d’énergie, sont tous simultanément mis en œuvre dans le concept passif pour optimiser les économies, pour limiter la pollution et, cerise sur le gâteau, pour améliorer le confort. Les besoins liés au chauffage sont tellement réduits, même au cœur de l’hiver, que ceux nécessaire à la production d’eau chaude sanitaire peuvent largement représenter plus du double. Il faut donc limiter les besoins d’eau chaude au maximum, avec le même objectif que pour le chauffage, en améliorant simultanément le confort et en atténuant la pollution.

Les options d’économie d’énergie pour l’eau chaude

Plusieurs solutions, individuelles ou couplées, peuvent être mises en œuvre pour limiter les besoins d’énergie nécessaire au chauffage de l’eau :

  • La réduction de la longueur des réseaux
  • La suppression des boucles d’eau chaude
  • La limitation de la consommation d’eau grâce à l’utilisation d’appareils hydroéconomes,
  • La récupération de chaleur des eaux grises grâce à un échangeur,
  • Le recours à l’énergie solaire,
  • La récupération de l’énergie encore contenue dans l’air extrait par la VMC.
Il est à noter que le couplage de toutes ces solutions minimiserait au maximum le besoin d’énergie de fonctionnement mais que, tant du point de vue du coût d’investissement que de celui de l’énergie grise, cette compilation ne serait probablement pas la solution optimale.

La réduction de la longueur des réseaux

La réduction de la longueur des réseaux est un problème de conception. Il n’y a aucun moyen d’action au-delà de cette phase indispensable à tous les projets. Réduire les longueurs des réseaux c’est modérer les pertes d’eau nécessaire à l’obtention de la bonne température parce qu’il faut d’abord vider l’eau froide qu’ils contiennent et parce que la vitesse d’augmentation de la température des canalisations est réduite par les pertes de chaleur sur le parcours du réseau, de la chaudière au robinet. Réduire la longueur des réseaux, c’est donc aussi limiter l’énergie qui est perdue et donc en définitive le besoin de chaleur pour la production de l’eau chaude.

La suppression des boucles d’eau chaude

La recherche du confort maximum étant le but de tout individu, l’attente de l’eau chaude au robinet peut être quasiment supprimée par la mise en place de boucles d’eau chaude dont le circuit passe à proximité immédiate de tous les robinets. Ce circuit dans lequel circule en permanence de l’eau chauffée représente des pertes très importantes parce qu’elles sont continues. Ces déperditions de chaleur peuvent provoquer un risque de surchauffe en été, notamment dans les bâtiments performants qui conservent la chaleur intérieure même pendant cette période. Ne pas prévoir de boucle d’eau chaude lors de la conception, c’est limiter la taille des réseaux de distribution et donc les pertes inutiles d’énergie.

La limitation de la consommation d’eau

La limitation mécanique du besoin d’eau, froide comme chaude, est le moyen le plus simple, le plus efficace et le moins cher pour réaliser des économies. Les appareils hydroéconomes, qui assurent cette fonction, permettent de réduire la consommation d’eau de 40 à 60 %. Lorsqu’elle est chauffée, la consommation d’énergie est réduite dans les mêmes proportions. Les conséquences sur le confort sont inexistantes puisque les divers procédés donnent le sentiment que rien n’a changé, et parfois même, que le débit et la pression sont meilleurs.

L’économie se fait à l’insu de l’utilisateur
qui perçoit un confort identique ou supérieur à celui qu’il ressentirait normalement

Les systèmes ne nécessitent aucune source d’énergie et fonctionnent sur un principe totalement passif. Le fait qu’ils améliorent le confort devrait limiter les effets rebonds qui conduiraient à consommer plus pour compenser un défaut de ce point de vue. Le fait qu’ils permettent des économies pourrait, par contre, avoir un résultat inverse, en incitant à consommer plus parce qu’il n’y a que peu de frais à la clé. Les deux doivent vraisemblablement se compenser pour réaliser de sérieuses économies.

Très peu onéreux, les économiseurs d’eau qui permettent de cumuler réduction de la consommation d’eau et d’énergie sont nombreux. Ils agissent sur la pression, le débit et le mixage de l’air avec l’eau qui donne l’impression d’une plus grande quantité d’eau que la réalité n’en atteste. Les appareils hydroéconomes comportent :

  • Les réducteurs de pression à installer sur le circuit général d’adduction d’eau potable
  • Les robinetteries adaptées
  • Les aérateurs à effet Venturi
  • Les régulateurs et limiteurs de débit
Ces produits seront prochainement décrits dans l’article sur les économiseurs d’eau de la rubrique composants pour maisons passives.

La récupération de chaleur sur les eaux grises

L’un des concepts des maisons passives est la récupération de chaleur grâce à un échangeur. Ce concept peut être appliqué à tout fluide caloporteur. C’est le cas de l’eau comme de l’air.

Comme il l’a été précisé plus haut dans cet article, les principales sources de consommation d’eau chaude sont le bain et la douche. Les deux ont toutefois des fonctionnements totalement différents. Dans les deux cas, les eaux usées qui sont rejetées après usage sont dénommées « eaux grises » par opposition aux eaux-vannes des WC appelées » eaux noires ».

Pour prendre le bain, il est nécessaire de remplir la baignoire avec de l’eau chaude. Une partie de la chaleur initiale de l’eau, en partie transformée en chaleur de l’air et vapeur d’eau pendant la durée du bain, est récupérée par la bouche d’extraction de la VMC. Après usage, l’eau usée, encore chaude, est jetée vers l’égout. Sa chaleur n’est pas récupérable instantanément puisqu’il faudrait qu’il y ait échange avec un apport d’eau neuve qui ne peut exister simultanément que par le fait du hasard.

Dans la douche le problème est totalement différent. L’eau froide se substitue, en permanence et avec le même débit, à l’eau chaude prélevée. Débit d’eau usée et débit d’eau neuve sont équivalents, comme doivent l’être de débit d’air vicié extrait et le débit d’air neuf d’une VMC. Un échangeur de chaleur peut alors être interposé entre les deux flux d’eau comme c’est le cas avec l’air de la VMC double flux.

Plusieurs modèles d’échangeur sur les eaux grises existent. Certains peuvent récupérer près de 60 % de la chaleur rejetée vers l’égout. Ils seront prochainement décrits dans l’article sur les récupérateurs de chaleur sur les eaux grises de la rubrique composants pour maisons passives.

Le recours à l’énergie solaire

Les économiseurs d’eau et les récupérateurs de chaleur sur les eaux grises réduisent intelligemment la consommation d’énergie nécessaire à la production de l’eau chaude mais ils ne la produisent pas. La seule solution pour en bénéficier est donc de chauffer, en volume suffisant, l’eau potable mais froide qui alimente le bâtiment. N’importe quelle source d’énergie peut être utilisée, mais la seule qui n’a pratiquement aucune incidence sur la pollution est l’énergie solaire. Elle permet le chauffage de l’eau grâce à l’installation de capteurs thermiques généralement placés sur le toit de la construction. Dans ce cas, aucune énergie n’est utilisée pour produire la chaleur. Le seul système actif est la pompe qui fait circuler le liquide caloporteur des capteurs vers la cuve de stockage de l’eau chaude.

Les rayons du soleil, qui participent au chauffage des maisons passives en traversant les vitrages bien orientés au sud, peuvent également produire, gratuitement et sans pollution, plus de 60 % de l’eau chaude qui est indispensable aux occupants.

La récupération de chaleur sur l’air extrait

Le problème des capteurs solaires résulte du fait que le soleil n’est pas forcément toujours présent et que, dans ce cas, il ne peut pas y avoir production d’eau chaude. Il faut donc trouver une solution plus pérenne et plus efficace qui permette de la stocker ou de la produire à la demande. Seuls les systèmes de production actifs d’eau chaude permettent d’atteindre ce niveau de confort.

En mettant en œuvre, sur la douche, un appareil hydroéconome et un système de récupération de chaleur, tout système de production d’énergie pourra être utilisé. L’effet joules des chauffe-eau électriques traditionnels pourrait même être envisagé puisque, dans ce cas, l’énergie nécessaire serait réduite au quart de ce qu’elle serait sans ces équipements d’économie, soit moins de 9kWhu/m2SHab/an. Pour plus d’efficacité, le chauffe-eau électrique direct pourrait toutefois être remplacé par un chauffe-eau thermodynamique de faible puissance dont le COP, le COefficient de Performance, supérieur à 3 grâce à la récupération de chaleur sur l’air extrait, réduirait la consommation d’électricité dans les mêmes proportions. Le besoin d’énergie utile serait alors proche de 3kWhu/m2SHab/an.

Dans le cas des maisons passives, les systèmes compacts multifonctions, qui récupèrent l’énergie encore contenue dans l’air extrait après passage dans l’échangeur de la VMC, sont une solution particulièrement efficace pour chauffer l’eau. L’usage simultané d’un échangeur de chaleur sur les eaux grises des douches peut être envisagé parce qu’il produit un effet équivalent à l’augmentation du volume d’eau chaude disponible qui, dans certains cas, peut être trop limité.

Le critère du besoin maximum en énergie primaire des maisons passives

Si la production d’eau chaude n’a aucun impact sur le besoin de chauffage, et donc sur la qualité de la construction, elle provoque, par contre, un risque important sur le niveau de la consommation d’énergie primaire globale. La minimisation du besoin d’énergie utile pour la produire est un élément déterminant du critère du besoin global en énergie primaire et donc de la certification Passivhaus.

Il est rappelé que le coefficient français de conversion de l’énergie électrique en énergie primaire est de 2,58. Le coefficient Passivhaus est le coefficient européen. Il est égal à 2,6. La faible différence n’a aucune incidence sur les constats suivants.

À partir de janvier 2013, toutes les constructions françaises devront être conformes à la RT2012. Le choix définitif des équipements en maison passive devra alors être également réalisé en fonction de cette réglementation.

Sans équipement d’économie, Les besoins pour la production d’eau chaude, tel que précisé dans l’article éponyme, sont de 38kWhu/m2SHab/an. Dans le cas d’un chauffe-eau électrique à effet joules, fréquemment dénommé cumulus, le besoin en énergie primaire, déterminé en multipliant l’énergie utile par le coefficient de conversion, est proche de 100kWhep/m2SHab/an. Cette solution n’est ni conforme à la RT2012, ni au label Passivhaus. Bien que beaucoup moins problématique, ce serait également le cas avec une autre source d’énergie dont le coefficient de conversion français est pourtant de 1.

Avec appareillage hydroéconome et récupérateur de chaleur, la consommation est réduite à 9kWhu/m2SHab/an. Le besoin en énergie primaire est alors proche de 23kWhep/m2SHab/an. Seuls les calculs thermiques permettront de dire si
La consommation moyenne d’eau

La consommation moyenne d’eau en France, telle que précisée par l’observatoire des statistiques est de 150 litres d’eau par jour et par personne, avec une croissance marquée du nord au sud du territoire métropolitain et une tendance globale à la baisse depuis quelques années. Elle est répartie par ordre croissant entre boisson, cuisine, voiture et jardin, vaisselle, linge, sanitaires et hygiène corporelle. Bains et douches, qui constituent ce dernier usage, représentent près de 40 % de la consommation moyenne d’eau, soit 60 litres par jour et par personne, et la quasi-totalité du besoin en eau chaude.

Le besoin moyen d’énergie de production de l’eau chaude

Les mesures physiques attestent que l’énergie Q nécessaire pour chauffer un volume de matière est proportionnelle :
• au volume à chauffer : V exprimé en m3
• à la masse volumique de la matière : ρ exprimée en kg/m3
• à la chaleur spécifique de la matière, aussi appelée chaleur massique : C exprimée en kWh/kg•K (Watt heure par kilogramme et par Kelvin) (0K = -273°C, 0°C = 273K)
• à la différence entre la température initiale et la température finale à atteindre : ∆t exprimée en Kelvin (K)
Q = V ρC ∆t
• La quantité d’énergie Q est exprimée en kWhu/j/personne.

Les caractéristiques de la consommation d’eau sont les suivantes :
• Le volume d’eau quotidien à chauffer par personne est V = 60 l/j/personne = 0,06 m3/j/personne.
• La masse volumique de l’eau est ρ = 1 000 kg/m3.
• Sa chaleur spécifique est C = 4 186 J/kg•K = 4 186 Ws/kg•K = 1,1628 Wh/kg•K = 1,1628/1000 kWh/kg•K
• Le couple ρCeau =  1,1628 kWh/m3•K peut directement être intégré dans la formule
• En prenant en compte une température moyenne annuelle d’eau froide de 10°C et une température utile d’eau chaude de 40°C, l’écart de température ∆t = 30 °C = 30 K

Le besoin d’énergie nécessaire au chauffage quotidien de l’eau, calculé à partir de la formule, est de 2,093kWhu/j/personne. Multiplié par 365, il détermine un besoin annuel est de 764kWhu/an/personne.

La surface habitable moyenne par occupant étant généralement de 20 à 30 m2, le besoin spécifique d’énergie pour le chauffage de l’eau peut atteindre et même dépasser les 38kWhu/m2SHab/an à comparer au besoin maximum de chauffage des maisons passives qui est de 15kWhu/m2SHab/an.

La consommation d’énergie finale qui intègre, en sus, les pertes liées à la production, au stockage éventuel et à la distribution, peut être bien supérieure au besoin en énergie utile. Elle dépend notamment du type d’énergie utilisé et de la méthode production mise en œuvre.

La nécessité de réduire les besoins pour la production de l’eau chaude
  • La comparaison des besoins utiles montre que le chauffage de l’eau nécessite au minimum 2,5 fois plus d’énergie que le chauffage d’une maison passive. Agir seulement pour réduire le chauffage serait donc une aberration. Il est indispensable de mettre en œuvre des moyens qui permettent de réduire fortement le besoin d’eau chaude ou, au minimum, de l’énergie nécessaire à sa production.
  • L’optimisation de la production d’eau chaude sanitaire

  • doit obligatoirement accompagner

  • l’optimisation économique des maisons passives

  • En résumé :
  • Sans équipement d’économie, le besoin moyen d’énergie nécessaire pour la production de l’eau chaude est 2 à 3 fois supérieur au besoin de chauffage d’une maison passive
  • Dans les maisons passives, la réduction des besoins énergétiques pour la production des l’eau chaudes est indispensable au même titre que celle mise en œuvre pour la réduction du chauffage.


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