16-3 - Vaut-il mieux un chauffe-eau solaire ou une chauffe-eau thermodynamique ?


Exemple de maison passive - © J-M Pupille - Architecte
Exemple de maison passive - © J-M Pupille Architecte

Les besoins d'eau chaude

Production passive de l'eau chaude


Dans une maison passive, le chauffage est réduit de manière drastique grâce à l'optimisation thermique de toutes des caractéristiques du bâtiment. Contrairement aux constructions classiques, il devient tellement faible que la plus grande partie de la consommation d'énergie est destinés à satisfaire d'autres besoins tout aussi indispensables à notre confort. Parmi eux, la production d'eau chaude sanitaire, l'ECS, est celle qui devient, de très loin, la plus importante. Après le chauffage, c'est donc sur cette consommation qu'il faut agir.

Le soleil est la principale source d'énergie de chauffage des maisons passives grâce aux fenêtres triples vitrages qui, en plus des fonctions normales de protection du climat extérieur et d'éclairage, sont les radiateurs qu'elles n'ont pas par ailleurs. Il est évidemment possible que ce soit aussi le cas pour leur production d'eau chaude. Le seul type d'appareil écologique qui assure le chauffage de l'eau en utilisant en très grande majorité cette ressource gratuite, inépuisable, répartie et non polluante est un Chauffe-Eau Solaire individuel souvent simplement dénommé par son acronyme, CESI.

Un CESI est constitué d'une cuve qui stocke l'eau chauffée grâce à des capteurs thermiques le plus souvent placés en toiture. Il existe de nombreuses concepts de chauffe-eau solaire ainsi que de nombreuses variantes de cuve et de capteurs. L'objectif de cet article n'est pas de les décrire mais plutôt de constater leurs performances ou du moins celles que les meilleurs d'entre eux sont capables d'atteindre.

Les bases de la comparaison


Un CESI est chargé de produire au mieux l'ECS grâce au soleil. Ce type d'appareil n'est pas parfait parce qu'il dépend du climat local et surtout de la météo. Il ne peut en effet pratiquement jamais couvrir la totalité des besoins quand l'ensoleillement est insuffisant, en cas de ciel nuageux ou de brouillard, et lorsqu'il est totalement absent, par temps gris, lorsqu'il pleut ainsi que la nuit. Dans de telles circonstances, un système de chauffage d'appoint est pratiquement toujours indispensable pour couvrir la totalité des besoins d'eau chaude au moment ou ils sont nécessaires. Cette énergie complémentaire peut venir de n'importe quel type de chauffage complémentaire, du plus simple au plus compliqué. Une résistance électrique, un poêle, un systèmes thermodynamique peuvent tous faire l'affaire.

Un CESI chauffe l'eau toute l'année dés qu'il fait soleil. Il le fait naturellement bien mieux en été qu'en hiver, au niveau de la mer plutôt qu'en altitude, ou encore dans le sud de la France plutôt que dans le nord. Avec quelle efficacité moyenne est-il en capable de le faire? Est-il efficace sur le plan énergétique en comparaison avec les systèmes classiques ou thermodynamiques de production d'eau chaude?

En présence de soleil, un CESI ne fait que transporter la chaleur grâce au fluide caloporteur qui circule en boucle ouverte ou fermée, généralement grâce à un circulateur mais parfois aussi par thermosiphon, entre les capteurs exposés au soleil dans lesquels il est chauffé, et l'échangeur situé dans la cuve, ou directement dans cette dernière, dans laquelle il relâche la chaleur précédemment captée. Il doit donc être possible de définir un "COefficient de Performance Equivalent" à celui d'un système thermodynamique. Ce COP, défini comme le rapport entre l'énergie thermique fournie par l'appareil et l'énergie nécessaire à son fonctionnement, celle du circulateur éventuel ainsi que celle de l'appoint, permettrait de comparer instantanément, sans le moindre doute, la performance d'un CESI à tout système de production d'eau chaude. il permettrait ainsi de choisir le plus performant, le moins cher à l'investissement ou à long terme, ou encore le meilleur rapport qualité prix en connaissance de cause. Cette comparaison est actuellement impossible de manière simple.

L'énergie des CESI

Rappel de physique


La quantité d'énergie Q qui peut être contenue dans 1m3 d'eau est proportionnelle :

  • à la chaleur volumique de l'eau : 1,16kWhu/m3•K et
  • à la différence entre la température initiale de l'eau et sa température finale : ∆t exprimée en Kelvin ou °C

Q = 1,16 ∆t

Cette formule indique que la chaleur qui peut être stockée ou transportée par l'eau est de 1,16kWh pour chaque m3 et chaque degré d'écart entre sa température initiale et sa température finale, entre, par exemple, celle de l'eau qui arrive dans les capteurs et celle de l'eau bien plus chaude qui en ressort.

L'énergie de chauffage récupérée


La quantité d'énergie récupérée en moyenne annuelle par les capteurs thermiques d'un CESI est caractérisée par le Taux de Couverture Solaire. Le TCS est le rapport entre l'énergie thermique uniquement produite grâce aux capteurs solaires et l'énergie totale consommée pour produire l'eau chaude sur une période d'un an. Le TCS d'un CESI de qualité peut atteindre voir dépasser 85%. Quand ce n'est pas le cas, il suffit de rajouter des capteurs pour améliorer les performances.

L'énergie de fonctionnement


Quand le soleil est présent, la seule énergie nécessaire à un CESI est l'énergie électrique nécessaire à la pompe éventuelle qui fait circuler le fluide caloporteur entre les capteurs thermiques qui récupèrent la chaleur du soleil et la cuve qui la stocke. En l'absence de soleil, l'énergie nécessaire est celle qui provient du système d'appoint.

Calcul du SCOP équivalent d'un CESI


Le SCOP est le COefficient de Performance Saisonnier d'un appareil thermodynamique. C'est le rapport entre l'énergie de chauffage qu'il produit et l'énergie électrique qu'il consomme en moyenne annuelle. Ce coefficient, qui n'est pas disponible pour les systèmes non thermodynamiques, leur confère un avantage commercial totalement injustifié par comparaison aux appareils qui comme eux se contentent de transporter la chaleur sans énergie calorique payante.

La proportion d'énergie solaire gratuite, celle produite par le soleil, Qs, par rapport à la totalité de l'énergie nécessaire à la production de l'ECS, Qt, permet de définir le Taux de Couverture Solaire. Le TCS peut être déterminé, en moyenne annuelle, en fonction du type et des caractéristiques du ou des capteurs, de leur surface, de leur orientation, de leur inclinaison, de la situation géographique, de l'altitude, de la cuve, de sa taille, de ses déperditions spécifiques, de son positionnement, du nombre d'utilisateurs, de la consommation d'eau prévisionnelle… Ce sont des logiciels spécifiques qui permettent d'obtenir précisément ce résultat en fonction des caractéristiques globales du CESI certifiées par des organismes indépendants des fabricants. Une fois connu, le TCS permet de calculer le SCOP…

En suivant les définitions ci-dessus :
  • Le Taux de Couverture Solaire est le rapport entre l'énergie thermique uniquement produite par les capteurs solaires et l'énergie totale consommée : TCS = Qs / Qt donc Qs = Qt * TCS.
  • La quantité d'énergie finale manquante est Qf = Qt - Qs = Qt - Qt * TCS = Qt (1 - TCS). C'est la somme de l'énergie nécessaire au chauffage complémentaire, au fonctionnement des auxiliaires, le circulateur et le régulateur, aux pertes de chaleur et aux défauts du système mis en œuvre.
  • Le SCOP est le rapport entre l'énergie moyenne annuelle produite par le CESI, Qt, et l'énergie finale nécessaire pour obtenir l'ECS, Qf, celle payée au compteur pour le faire fonctionner, soit SCOP = Qt / Qf = Qt / Qt (1 - TCS) = 1 / (1 - TCS)
Avec un TCS de 85%, le SCOP équivalent d'un CESI est 1 / (1 -0,85) = 1 / 0,15 soit environ 6,7 !!!

Performances des CETI


Un Chauffe-Eau Thermodynamique Individuel bénéficie, comme tout système thermodynamique, d'un coefficient de performance. Les appareils de ce type ne sont utilisés en grand nombre que depuis quelques années, notamment depuis la publication de la RT2012 qui ne permet plus l'utilisation des chauffe-eaux électriques classiques seuls du fait de leur énorme consommation. Les retours d'expériences de tiers indépendants des fabricants démontrent que contrairement aux annonces de ces derniers, les COP réels sont au mieux de l'ordre de 2,2 en moyenne annuelle parce que lorsqu'il fait trop froid, une résistance électrique assure l'appoint comme dans un CESI lorsque le soleil fait défaut. Pour enfoncer un peu le clou, il faut préciser que leur durée de vie est de l'ordre 8 ans à comparer à celle des CESI qui peut être supérieure à 20 ans, et même atteindre 30 ans pour les meilleurs d'entre eux, notamment ceux qui sont autovidengeables.

Performances comparée


Le COP minimum d'un CESI peut être supérieur à 6 alors que le COP maximum d'un CETI est généralement de 2,2 ! La conclusion est évidente : il n'existe pas un seul système de production d'eau chaude thermodynamique équivalent à un chauffe-eau solaire de qualité. Le SCOP d'un CESI peut être 3 fois supérieur à celui d'un CETI, voire même plus en augmentant simplement la surface de captage.

Certes un CESI de ce niveau, avec deux capteurs, parfois 3, vaut environ 2 fois le prix d'un CETI à l'investissement. Le frein à l'achat provoqué par l'écart du prix initial est important. Il ne devrait pourtant pas en être un, car, à moyen comme à long terme, le plus cher des deux n'est pas celui qui coûte le plus cher à l'achat. Il suffit de calculer la valeur mensuelle cumulée de remboursement de leurs financements sur une durée inférieure à leur durée de vie et de prendre en compte le prix de l'énergie finale en fonction des économies qu'ils procurent pour s'en rendre compte. Ce sera l'objet d'un prochain article.

En plus des avantages financiers considérables à long terme, les frais d'entretien et les intérêts écologiques de certains CESI sont, de très loin, les meilleurs. Il est, entre autres, bien plus facile de réparer une fuite d'eau qu'une fuite de gaz réfrigérant ou de remplacer un circulateur qu'un compresseur. Enfin l'eau ou le glycol d'un CESI n'a pas d'impact sur le réchauffement climatique alors que les gaz frigorigènes utilisés dans les CETI ont un pouvoir de réchauffement global, PRG, de 700 à 12000 fois plus néfaste que le gaz carbonique.

Les CESI sont parmi les systèmes de production d'ECS les plus performants.
Il n'existe pas d'appareil, et il n'existera probablement jamais d'appareil
plus performant qu'un CESI pour produire l'eau chaude


Chauffe-Eau Solaire Individuel HélioFrance

Récupérer l'énergie devrait être obligatoire


Comme déjà indiqué pour d'autres appareils, cet article démontre, encore une fois, qu'il est largement préférable de récupérer l'énergie solaire ou l'énergie fatale que d'utiliser l'énergie payante. C'est d'autant plus vrai que cette énergie est inépuisable, disponible en permanence, à toute heure et par tous les temps qu'elle soit gratuite et à la disposition de tout le monde, qu'elle ne pollue pas, qu'aucun approvisionnement n'est nécessaire et qu'il n'existe pas d'énergie plus facile à utiliser. Elle ne présente que des avantages. La seule condition pour en bénéficier est d'installer l'appareil qui convient. Encore faut-il que cet usage se développe malgré les freins développés par les lobbyistes de tout poil naturellement plus enclins à vendre de l'énergie dans leur propre intérêt financier qu'a la faire économiser dans l'intérêt de tous les autres.

Performance réelle et RT2012


Nous ne pouvons pas faire autrement que de nous répéter. Au regard des informations vérifiables ci-dessus n'est-il pas pour le moins surprenant que les calculs RT2012, dont le moteur de calcul est invérifiable, privilégient les systèmes thermodynamiques aux systèmes solaires? Comme pour les VMC double flux, comment peut-on justifier ce fait qui va à l'encontre de l'intérêt de chacun, tant en termes d'économies que de pollution? Où sont passés l'intérêt climatique et pire la crédibilité de la RT2012? C'est vous de juger.

Si les CESI ont un COP équivalent sans équivalent pour la production de l'eau chaude, que pourrait-on dire d'un équipement qui, sans la produire réellement, fournit de l'eau chaude sans qu'on ne lui fournisse la moindre énergie payante pour qu'il fonctionne? Essayez de faire le calcul d'un COP équivalent dans ce cas! Vous verrez très vite qu'aucun autre système n'est à la hauteur de ce que permettent les RCED les plus performants. Imaginez alors la performance globale en couplant CESI et RCED!

Jean-Michel Pupille - Architecte D.P.L.G.


En résumé :

  • Le SCOP peut s'adapter à un CESI.
  • Le SCOP d'un CESI de qualité peut être supérieur à 6.

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