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7 Production de chaleur

7.1 Echangeurs de chaleur

Dans les systèmes thermiques, les échangeurs de chaleur servent à transférer la chaleur d’un fluide à un autre fluide plus froid. Dans le même temps, les caloporteurs impliqués sont découplés par d’autres matières. Les échangeurs de chaleur pour la production d’eau chaude répondent à des exigences différentes en ce qui concerne le transfert optimal de la chaleur, la protection contre la corrosion et les accès pour la maintenance en cas d’entartrage. Selon l’emplacement et le caloporteur, on distingue différents types de construction. Les échangeurs de chaleur internes sont montés dans l’accumulateur d’eau chaude. Quant aux échangeurs de chaleur externes, ils interviennent dans de grandes installations et sont installés à l’extérieur de l’accumulateur d’eau chaude. Pour des raisons hygiéniques, on préférera les échangeurs de chaleur externes (directive SSIGE W3/C3). En outre, ils assurent une meilleure stratification dans les accumulateurs d’eau chaude.

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Echangeurs de chaleur

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Echangeur de chaleur à tubes lisses

2

Echangeur de chaleur à tubes à ailettes

3

Echangeurs de chaleur à plaques (vue éclatée)

Les échangeurs de chaleur à tubes lisses servent à transférer la chaleur d’un gaz ou de mélanges gazeux dans des fluides.

Les échangeurs de chaleur à tubes à ailettes ont des tubes dont la surface est optimisée pour répondre aux exigences spécifiques du transfert de chaleur.

Les échangeurs de chaleur à plaques sont constitués de plaques pourvues de canaux des deux côtés, de telle sorte que chaque plaque est parcourue par le fluide caloporteur sur un côté et, sur l’autre côté, par le fluide froid en contre-sens (principe du contre-courant).

7.2 Appareils de chauffage à résistance

Les appareils de chauffage à résistance exploitent le phénomène physique selon lequel un courant électrique produit de la chaleur par son passage dans un conducteur électrique.

Dans les chauffe-eau à accumulation, des éléments de chauffage électrique servent au post-chauffage. Les chauffe-eau instantanés utilisent, quant à eux, un système de chauffage à fil nu. L’élément de chauffage est constitué d’un fil métallique au contact direct avec l’eau de boisson. La faible masse des fils métalliques permet un chauffage rapide. Et comme les fils métalliques s’allongent sous l’effet du chauffage, le calcaire de l’eau peut difficilement s’y déposer. Il n’est plus autorisé d’utiliser des appareils de chauffage à résistance pour chauffer entièrement à l’électricité les chauffe-eau à accumulation.

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Appareils de chauffage à résistance

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Elément de chauffage électrique

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Système de chauffage à fil nu (vue en coupe)

7.3 Pompe à chaleur

Une pompe à chaleur utilise les calories de transformation lors du changement d’état d’un réfrigérant à basse pression de vapeur. La chaleur, de l’air ambiant par exemple, passe par l’évaporateur jusqu’au réfrigérant, qui passe alors de l’état liquide à l’état gazeux. Ce faisant, le réfrigérant absorbe la chaleur de l’air ambiant. Dans le compresseur, le réfrigérant continue de se réchauffer suite à une pression croissante, pour ensuite entrer dans le condenseur. Dans le condenseur, le réfrigérant restitue la chaleur absorbée (latente) pour chauffer l’eau. Le réfrigérant retrouve son état liquide. Ensuite, la pression du réfrigérant est baissée encore plus par le détendeur, de telle sort que le réfrigérant retrouve sa température d’origine et arrive dans l’évaporateur. Le cycle de l’évaporation et de la condensation reprend depuis le début. Le compresseur est entraîné par un moteur électrique.

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Principe de fonctionnement de la pompe à chaleur air/eau

La pompe à chaleur génère beaucoup plus d’énergie thermique que la consommation correspondante d’énergie électrique. Le rapport entre énergie électrique consommée et chaleur restituée est exprimé par le coefficient de performance COP. Le coefficient de performance COP est une valeur instantanée. Le coefficient de performance annuel est plus pertinent car il indique le rapport entre la consommation d’énergie et le rendement calorifique sur une année.

Les pompes à chaleur permettent de réduire fortement les émissions de CO2, jusqu’à 80 % par rapport à un chauffage au fioul et jusqu’à 70 % par rapport à un chauffage au gaz (source: Géothermie Suisse).

Les pompes à chaleur se distinguent dans leur conception selon leur source thermique. Il en existe trois types, leur désignation se rapportant à la source thermique utilisée.

Type

Photo

Description

Pompe à chaleur air/eau

Une pompe à chaleur air/eau utilise comme source thermique la chaleur de l’air ambiant qui, moyennant un ventilateur, est introduite dans le cycle réfrigérant de la pompe à chaleur.

La pompe à chaleur air/eau peut être installée à l’intérieur comme à l’extérieur d’un bâtiment.

Pompe à chaleur saumure/eau (sol/eau)

Une pompe à chaleur saumure/eau utilise comme source thermique la chaleur du sous-sol (géothermie). La chaleur est introduite dans le cycle réfrigérant de la pompe à chaleur par une sonde géothermique enfouie dans le sol, à une profondeur pouvant atteindre 400 m.

Pompe à chaleur eau/eau

Une pompe à chaleur eau/eau utilise comme source thermique la chaleur de l’eau de surface ou de l’eau souterraine. La chaleur passe p. ex. par un système de conduites pour être introduite dans le cycle réfrigérant de la pompe à chaleur.

Types de pompes à chaleur

7.4 Installation solaire thermique

Les installations solaires thermiques sont des systèmes qui convertissent l’énergie du rayonnement solaire en chaleur. Comme elles utilisent exclusivement de l’énergie renouvelable, ces installations sont particulièrement durables. Composées de capteurs solaires individuels, les installations solaires peuvent être montées sur des toits, façades ou hors des secteurs urbanisés. Les installations solaires thermiques peuvent être équipées de diverses capteurs solaires:

  • Capteurs plans thermiques

  • Capteurs tubulaires sous vide (vacuum)

Le principe des installations solaires thermiques reste le même, indépendamment du type de capteur solaire.

Les capteurs absorbent une grande partie de l’énergie solaire, ce qui a pour effet de les chauffer. Cette chaleur absorbée est transmise à un fluide caloporteur du circuit solaire puis est véhiculée jusqu’à un accumulateur de chaleur par une pompe solaire. Cette chaleur assiste à son tour la production d’eau chaude et le chauffage. On économise ainsi des coûts de chauffage, et l’utilisation d’énergie non renouvelable s’en trouve réduite.

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Installation solaire thermique

Le schéma montre une installation solaire servant au préchauffage de l’eau chaude. Elle est constituée d’un accumulateur d’eau industrielle, auquel s’ajoutent un échangeur de chaleur interne et une production d’eau chaude avec un échangeur de chaleur externe pour le préchauffage de l’eau. Un échangeur de chaleur externe supplémentaire sert au réchauffement ultérieur, avec par exemple à l'aide d'une pompe à chaleur. La pompe de charge est à vitesse régulée.

Protection contre les brûlures: Un mitigeur thermostatique empêche les brûlures en réduisant la température de l’eau chaude à la température maximale définie, ceci par l’ajout d’eau froide ou d’eau de boisson issue de la circulation d’eau chaude.

7.5 Installation photovoltaïque (power-to-heat)

Les installations photovoltaïques (installations PV) sont des systèmes qui transforment l’énergie du rayonnement solaire en électricité. Les installations PV peuvent servir à la production d’eau chaude en les associant à des pompes à chaleur ou à des chauffages à résistance, ce pour accroître la consommation propre (power-to-heat).

7.5.1 Utilisation power-to-heat avec chauffage à résistance

Pour les petites installations PV ou une utilisation power-to-heat occasionnelle, on peut mettre en place un élément de chauffage.

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Utilisation power-to-heat avec chauffage à résistance

Une commande (symbole orange) active au besoin l’élément de chauffage (symbole bleu) pour assurer le post-chauffage de l’eau de boisson.

7.5.2 Utilisation power-to-heat avec pompe à chaleur

Lorsque l’installation PV fait l’objet d’une utilisation power-to-heat régulière, on peut utiliser une pompe à chaleur associée à un échangeur thermique installé dans un accumulateur d’eau chaude.

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Utilisation power-to-heat avec pompe à chaleur

Une commande (symbole orange) active au besoin la pompe à chaleur (symbole bleu) pour assurer la production d’eau chaude sanitaire.