Un poêle bouilleur pour le chauffage et l'eau chaude sanitaire (suite)

Comme promis, voici la suite de la description de notre installation.

Je vais vous décrire cette fois-ci la partie ECS (Eau Chaude Sanitaire).

Etant dans une région ensoleillée nous avons l'intention de mettre des panneaux solaires (thermiques et non pas photovoltaïques) pour chauffer notre eau chaude et tant qu'à faire, profiter de notre poêle pour la chauffer pendant les périodes avec moins de soleil.

Cependant, les systèmes existant dans le commerce sont très onéreux et leur retour sur investissement (économique ou écologique) est très long (quand il n'est pas inexistant).

Le principe est souvent celui-là:

C'est à dire un ballon spécifique (généralement d'une grande capacité: 300 à 500L) avec 2 serpentins-échangeurs et généralement une résistance d'appoint. Ce type de ballon est très cher (>1000 €). De plus le système nécessite des circulateurs et des vases d'expansion pour chaque circuit. Le circuit "solaire" est généralement remplis de mélange eau/glycol (pour éviter le gel). Ce mélange doit être vidangé et remplacé fréquemment (tous les ans ou tous les 2 ans).

Je me suis d'abord posé la question de "pourquoi autant d'échangeurs", pourquoi ne peut-on pas utiliser directement l'eau sanitaire pour circuler dans les panneaux. Il y a 3 réponses à cela:

    - 1 - Le gel:  dans notre pays, la température tombe fréquemment en dessous de zéro, c'est un véritable danger pour les capteurs solaires s'ils sont remplis d'eau.

    - 2 - Le calcaire:  le fait de faire circuler de l'eau en circuit fermé réduit fortement les dépôts de calcaire dans la tuyauterie et dans les capteurs.

   - 3 - La pression de service: la pression du réseau d'eau est généralement élevée (souvent autour de 3 bars). Les risques de fuite sont donc plus grands et si un capteur se met à fuir et qu'on ne le voit pas, ça peut fuir longtemps et coûter cher à l'utilisateur.

Je me suis donc creusé la tête pour éliminer ces trois problèmes afin de pouvoir utiliser un ballon sans échangeur et réduire considérablement le coût de l'installation et surtout de pouvoir le faire en auto-construction ou en DIY (pour ceux qui préfèrent les anglicismes).

J'ai supprimé le premier des problèmes (le gel) en faisant un petit sacrifice: le système solaire ne fonctionnera pas pendant la période de gel. C'est un sacrifice qui est pour moi largement acceptable. Tout d'abord c'est la période ou l'apport solaire est le plus faible (ça coïncide avec les jours les plus courts, le soleil bas dans le ciel et des rendements des panneaux faibles dû à la température extérieure basse) et deuxièmement, le poêle tourne à cette période. Cela ne me coûtera que quelques bûches de plus. Le système aura donc une vidange automatique (ou manuelle) en cas de gel.

Le second problème (le calcaire)  peut facilement être supprimé en faisant une installation en PER à la place du cuivre (le calcaire ne s'accroche pas sur le PER), c'est de toute façon ce que j'avais prévu étant donné le coût actuel du cuivre et la facilité de mise en oeuvre du PER. Reste le problèmes des capteurs qui auront forcément des parties en cuivre (pour favoriser l'échange thermique). Là, je pense que la seule solution est de les concevoir en anticipant la maintenance (possibilité de les remplir de vinaigre et de les vidanger facilement par exemple). De plus, j'ai la chance d'avoir une eau très peu calcaire.

Pour le troisième problème, il n'y a pas de solution miracle. S'il y a une fuite, ça coulera forcément sans s'arrêter. Mais bon, il n'y a pas plus de danger qu'avec le réseau habituel d'eau. Il faut relativiser, on utilise bien des tuyaux en plastique pour connecter les lave-linges et lave-vaisselle qui sont branchés en permanence toute l'année et les incidents sont rares. Par contre, on peut réduire les risques en installant par exemple un réducteur de pression sur le circuit (ce qui fera faire de grosses économies d'eau au passage), en vérifiant son compteur d'eau de temps en temps et en contrôlant visuellement les canalisation régulièrement.

J'arrive donc à l'explication technique: comment j'ai transformé mon ballon électrique basique en "ballon-solaire-bois". Je procède par étapes pour ceux qui ne maîtrise pas tout concernant l'ECS:

Un ballon électrique est une réserve d'eau chaude isolée comme sur le schéma ci-dessous. Je n'ai pas dessiné l'isolant, c'est généralement une mousse polyuréthane d'une épaisseur au moins égale à 5 cm. Le ballon est généralement un cylindre disposé en hauteur afin de facilité la "stratification". En effet, quand un ballon chauffe, l'eau chaude (moins dense) monte et reste en haut du ballon. Vous avez donc des températures différentes aux différentes hauteurs du ballon. En ayant un ballon positionné horizontalement, les échanges thermiques entre l'eau froide et l'eau chaude sont plus grands (car la surface de contact est plus grande). L'eau a donc tendance à devenir plus vite "tiède" dans un ballon horizontal; ça n'a pas pour effet d'augmenter la facture (car il n'y a pas de pertes vers l'extérieur) mais ça réduit l'autonomie.

Le ballon est donc rempli par le bas et vidé par la haut pour obtenir l'eau la plus chaude (et le plus rapidement possible). Une résistance est mise en route automatiquement quand la sonde descend en-dessous d'une certaine température (généralement réglable) et éventuellement avec un contacteur spécifique si vous avez un abonnement EDF heures creuses/heures pleines.

C'est bien beau tout ça, mais l'eau ça se dilate quand ça chauffe et pas qu'un peu. Etant donné que pour des raisons réglementaires vous avez au moins un clapet anti-retour sur votre installation; votre eau ne peut pas repartir dans le réseau de la ville et la pression va augmenter dangereusement dans le ballon et dans votre circuit jusqu'à la fuite voir l'explosion. (les clapets anti-retour sont obligatoire pour des raisons de pollution, par exemple à la légionnelle...).

On rajoute donc (c'est obligatoire d'ailleurs) ce qu'on appelle un groupe de sécurité. C'est un petit élément placé au niveau de l'arrivée d'eau froide du ballon et qui a pour rôle de rejeter de l'eau à l'égout (ou dans un seau, ou dans le jardin pour des installations un peu plus à l'arrache). Certaines personnes rajoutent un vase d'expansion afin de réduire ces pertes d'eau (pour des raisons écologique ou économique). Je pense personnellement que ça n'a pas d'intérêt surtout s'il y a un réducteur de pression en amont. La quantité d'eau envoyée à l'égout est très faible (1 à 3 litres par jour d'eau froide) soit  moins d'un mètre cube par an. A 3€ le m3 d'eau, j'ai du mal à croire qu'on puisse rentabiliser ce genre d'achat, sans compter la place gâchée. C'est pour moi un des nombreux attrapes-nigauds des fabricants et autres casto-merlin qui surfent sur la vague du "développement durable". Je développerai un jour plus longuement mon avis sur la chose, car ce n'est pas l'objet de ce post, mais pour les personnes qui se soucient de l'état de la planète, je ne pense pas que la première chose à faire soit d'acheter des ampoules à économies d'énergie, du triple vitrage ou des vases d'expansion....

Voici donc le schéma avec le groupe de sécurité:

On peut aussi rajouter un mitigeur thermostatique. Ce mitigeur a pour rôle de réguler  la température de sortie de l'eau du ballon en mélangeant l'eau chaude avec un peu d'eau froide. Cela permet de garder la même autonomie du ballon tout en évitant les risques de brûlure et en gardant une température constante à la sortie (cette température est réglable sur le mitigeur, généralement de 35° à 55°). Je pense que c'est un élément important à mettre surtout avec les modifs que je vais faire par la suite (notamment le passage au solaire qui a pour conséquence d'avoir des températures hyper fluctuantes dans le ballon).

Nous rentrons maintenant dans le vif du sujet, c'est à dire la modification qui permet de transformer ce ballon en ballon tri-énergies (Solaire/bois/Electrique). 

J'ai récupéré sur une vieille chaudière gaz un échangeur comme celui-ci:

Il y en a dans toutes les chaudières, ils permettent de chauffer l'eau chaude sanitaire. Ils se présentent aussi souvent comme cela:

Ils sont facile à trouver d'occasion pour quelques dizaines d'euros ou gratuitement sur des chaudières HS.

Une fois que l'on a cette pièce, la transformation du ballon est très simple, il ne nous manque plus qu'un circulateur (trouvé d'occasion aussi sur Ebay pour 20 €) une électrovanne (7€ sur Ebay) et 4 flexibles et deux T en laiton (de chez casto-merlin, 10 et 3€ pièce). Il vaut mieux savoir bien faire les joints du premier coup car l'opération impose de vider le ballon puisque un des 2 T est placé entre le ballon et le groupe de sécurité.

 Voici l'electrovanne achetée

Voici donc le schéma du montage qui permet de chauffer l'eau avec le poële :

Le principe est très simple: l'eau la plus froide du ballon (en bas) est envoyée par le circulateur dans l'échangeur et réinjectée en haut du ballon. L’électrovanne est actionnée en même temps que le circulateur quand le poêle chauffe. Quand le circulateur n'est pas en route, cette électrovanne empêche l'eau froide de prendre le "chemin le plus court" quand on tire de l'eau chaude.

J'arrête pour aujourd'hui car j'ai les yeux qui piquent!

Au programme des prochains posts: la partie solaire, la partie asservissement/domotique avec Arduino, comment modifier la vitesse du circulateur avec quelques pièces de récup, où placer l'echangeur sur le circuit de chauffage, comment se servir de capteurs de t° sur le arduino et avoir de belle courbes sur Excel pour pouvoir analyser le fonctionnement, .... et des retours sur l'installation de plomberie (comment faire un bon joint et filasse, etc...)

A+

Edit du 18/01/2017:
Merci à Ludovic qui propose une amélioration dans les commentaire et que je vais vous présenter ci-dessous:
 Afin d'éviter que l'eau prenne le chemin le plus court quand on prend une douche et que le circulateur fonctionne (l'eau du secteur peut alors passer directement par l'échangeur et arriver dans la douche à trop basse température. J'avais réglé le problème en programmant le circulateur à des heures où je suis sûr qu'il n'y a pas de douche). Ludovic propose de mettre un mitigeur thermostatique réglé à 40°C de cette façon:

C'est à peu près le même fonctionnement qu'une vanne trois voies sur une chaudière ou un poêle bouilleur (voir mon post ici). L'eau tourne dans la petite boucle jusqu'à atteindre une température supérieure à 40°. Elle peut alors circuler en partie dans la grande boucle puis de plus en plus avec sa montée en température. 

Je vois un autre avantage à ce montage proposé par Ludovic: moins de mélange de l'eau dans le ballon. L'eau y arrive plus chaude et plus lentement.

Cependant j'y vois aussi un inconvénient: la baisse du rendement de l'échangeur. L’échangeur a un meilleur rendement quand l'eau qui y rentre est à basse température. J'ai fait des calculs avec le mien en mesurant les débits et les températures d'entrée et de sorties: quand l'eau du ballon y rentre à 18° et que l'eau du poêle est à 60°, l’échangeur fournit une puissance équivalente à 5000W. Alors qu'à la fin de la chauffe, quand l'eau du ballon arrive à plus de 40°, la puissance échangée est inférieure à 1500W. 

En se mettant dans cette configuration tout le temps (eau qui rentre dans l'échangeur à plus de 40°), on augmentera de façon considérable le temps pour chauffer le ballon (X 3 je pense) et on aura de l'eau tiède qui circulera dans les radiateurs.

Vous avez donc le choix connaissant les avantages et inconvénients de cette amélioration.

A+ 

Antoine