Chargement...

Performances «mesurées» des chauffe-eau thermodynamiques

Par Nicolas Doré et Anne Lefranc du Service Bâtiment de l'ADEME
Centre de Sophia Antipolis - Ingénieurs spécialisés en systèmes énergétiques du bâtiment.

Chauffe-eau thermodynamique? Chauffe-eau de demain? Quelles sont les performances réelles des chauffe-eau thermodynamiques?

L'évaluation claire et pragmatique devait être effectuée par des mesures réelles de performances en laboratoire. Voici donc la synthèse fort intéressante des résultats de la campagne d'évaluation de chauffe eau thermodynamiques, travaux réalisés par le Costic avec le soutien de l'ADEME et de la FFB (dans le cadre du PRDM) à la demande de l'UECF.

1°) Présentation de l'étude


Les chauffe-eau thermodynamiques (CET) sont des équipements de production d'eau chaude sanitaire (ECS) associant un volume de stockage et une production de chaleur thermodynamique (ici, un cycle frigorifique à compression électrique).

Ces solutions connaissent depuis quelques années un engouement croissant. En 2008, les ventes sur le marché français étaient estimées à 5 600 pièces alors que les chauffe-eau thermodynamiques ne disposaient alors d'aucun dispositif particulier d'incitation. En 2010, l'augmentation des ventes a été encore accentuée par la mise en place pour ces équipements d'un crédit d'impôt, avec près de 8000 unités vendues. Demain, ces produits prendront très probablement une place de plus en plus importante, notamment du fait de l'évolution réglementaire (mise en place de la RT2012, Directive Ecodesign).

Ces travaux ont, notamment eu pour objectifs :

  • D'évaluer les performances de trois produits, en s'appuyant sur des essais menés en laboratoire ;

  • D'évaluer l'intérêt énergétique de ces solutions et notamment en comparaison avec le chauffe-eau électrique
    à effet Joule.

2°/ Mesures des performances énergétiques des CET en laboratoire


Il peut tout d'abord être rappelé les points suivants :

  • Les CET (chauffe-eau thermodynamiques) étant basés sur un système thermodynamique, la performance sera caractérisée par une notion de « COP (Coefficient de performance) ».

  • Comme pour tout système thermodynamique, les performances d'un CET varient notamment en fonction des températures de source froide et de source chaude, c'est à dire, pour un CET fonctionnant sur l'air, en fonction de la température de l'air sur lequel il puise les calories et de la température de l'eau stockée dans le ballon.

Pour un équipement de production d'ECS basé sur une logique de stockage, trois critères de performance peuvent être évalués :

  • La performance de la production de chaleur (caractérisée, par exemple, par l'énergie consommée lors d'une montée en température du ballon) ; cette performance « normative » a été évaluée dans le cadre du premier essai de cette étude. C'est cette valeur, déterminée selon la méthode d'essai EN 255-3, qui est, à l 'heure actuelle, retenue dans le cadre du Crédit d'Impôt.

  • La performance en usage quotidien (ou « COP journalier ») qui sera également influencée par la régulation du produit, ses pertes statiques et l'usage fait du matériel (consommation d'eau, réglage de la consigne). Cette performance a été évaluée dans cette étude, pour le second essai dit en « conditions réelles journalières».

  • La performance en moyenne annuelle (ou COP « saisonnier ») qui prendra en compte alors l'évolution de la température de l'air et de la température de l'eau froide sur l'année (cette mesure du COP ne fait pas l'objet de cette étude).

Pour un CET, annoncer un COP sans préciser la nature du critère retenu, ni les conditions de fonctionnement considérées est trop imprécis.

Au cours de cette étude, deux types d'essais ont été menés :

  • Un premier basé sur l'ancienne norme d'essai, en vigueur au moment des tests (EN 255-3) selon un protocole simplifié proposé par l'AFPAC. Le COP est calculé par le rapport entre l'énergie contenue dans l'eau d'un soutirage correspondant à la moitié du volume du ballon et l'énergie consommée pour la remise en température suivante (voir figure n°1).

  • Un second basé sur des profils de puisage réalistes et des phases de maintien en température. Le COP est alors calculé par le rapport de l'énergie contenue dans l'eau soutirée sur 24 h et l'énergie consommée sur la même période (voir figure n°2).

Graphique


Graphique

Trois produits choisis dans l'offre disponible aux débuts des essais et représentatifs des technologies employées ont été testés en laboratoire. Leurs caractéristiques techniques sont les suivantes :

Récapitulatif des caractéristiques des 3 CET testés

Modèle 1 Modèle 2 Modèle 3

Nature de la source froide

Air extérieur Air extérieur Air ambiant

Plage de température admissible pour la source froide

-5°C à + 35°C -5°C à + 35°C 8°C à + 35°C

Volume de stockage

285 l 255 l 300 l

Température d'eau maximale pouvant être atteinte par la PAC

55 °C 55 °C 60°C

COP annoncé par le constructeur

3.5 3.7 3.2

Conditions de la mesure du COP

Montée en température de 15 à 45°C
Température d'air : 15°C

Montée en température de 15 à 50°C
Température d'air : 15°C

Montée en température de 15 à 45°C
Température d'air : 15°C

Concernant les COP annoncés, on notera que :

  • Ces performances ne sont pas toutes exprimées pour des conditions strictement identiques mais tout de même assez proches. L'analyse d'un panel de constructeurs plus large montre une variété importante de ces conditions d'essai.

  • Les COP annoncés correspondent à une caractérisation de la performance de la production thermique, ici dénommé COP normatif.

2.1 Performance normative

Pour les essais menés avec un protocole assimilable aux essais normatifs, les résultats obtenus ont été les suivants :

COP mesurés selon le protocole établi à partir de l'EN255-3, à une température d'air de 20°C
Modèle 1 Modèle 2 Modèle 3
3.0 3.5 2.8

Il est à noter que les conditions d'essais ont été les mêmes pour les 3 matériels à savoir : une température d'eau froide de 19°C, une consigne de 50°C (sauf pour le modèle 1 pour lequel le réglage n'était pas accessible) et une température d'air de 20°C. Ces résultats ne sont pas directement comparables à ceux annoncés par les constructeurs (du fait de conditions différentes, notamment la température d'air), cependant on constate que les ordres de grandeur sont proches.

2.2 Performance en conditions réelles journalières

Pour le second type d'essai, qu'on qualifiera de « conditions réelles journalières », l'essai de référence pour chaque matériel testé est mené pour les conditions « cibles » suivantes : température d'air de 20°C, une consigne de 50°C (sauf pour le modèle 1 pour lequel le réglage n'était pas accessible), une température d'eau froide de 20°C et environ 140 l d'eau puisée sur un cycle de mesure de 24h (Cahier CSTB n°3134 de Juin 1999).

Nota : A l'époque des essais, le projet de norme EN16147 n'était pas connu, ces conditions d'essais ne sont exactement celles de la norme, néanmoins, elles restent très proches du profil « M ».

Pour les essais ainsi menés, les conditions d'essais et les résultats obtenus ont été les suivants :

Résultats des COP mesurés en conditions réelles journalières
Modèle 1 Modèle 2 Modèle 3
Température moyenne de l'air 22 °C 20 °C 20 °C
Volume d'eau puisé 147 l 135 l 137 l
Consigne modifiable Non Oui Oui
Température moyenne de l'eau puisée 53 °C 48 °C 47 °C
Température moyenne de l'eau froide 20 °C 20 °C 19 °C
COP 1,9 1,6 1,8

Etant données les différences de conditions d'essais inhérentes au fonctionnement des 3 modèles, on ne comparera pas directement les COP des 3 modèles entre eux.

Il est logique que les performances obtenues soient plus faibles que pour les essais normatifs dans la mesure où :

  • la température moyenne de l'eau de stockage est plus élevée dans cette situation que dans l'essai normatif ;
  • les pertes statiques du ballon de stockage sont prises en compte dans le second essai et pas dans le premier essai.

Selon le même protocole, nous avons étudié la sensibilité de ces résultats à différents paramètres que nous avons fait varier dans les plages suivantes :

  • températures de la source froide : 10, 15 et 20°C ;
  • réglage de la consigne : 50 et 60°C ;
  • profils de puisage : 130 l et 230 l.

Concernant l'influence de la température de source froide, le COP diminue logiquement quand la température d'air diminue. La variation de COP est de l'ordre de 2% de COP par degré.

Concernant la température de consigne, la conséquence d'une augmentation de ce réglage est différente selon les produits et notamment la logique de régulation et la température maximale que peut atteindre la PAC. Ce paramètre peut avoir un impact très important sur les performances. Dans le cas le plus défavorable, nous avons pu observer des CET ne fonctionnant plus que sur l'appoint électrique. Les performances obtenues sont alors celles d'un chauffe eau à accumulation à effet Joule.

Concernant l'influence du profil de puisage, on observe logiquement une augmentation du COP avec l'intensité d'utilisation. En effet, la température moyenne de l'eau diminue quand augmentent les soutirages et la part relative des pertes thermiques est plus faible. Entre les deux profils testés, la différence de performance est de l'ordre de 0,2 point de COP, soit 11% environ.

3°/ Comparaison avec le chauffe eau à effet joule

Dans la seconde partie de l'étude, les consommations énergétiques annuelles d'un CET sur air extrait ont été comparées à une solution à effet joule de catégorie B selon la marque NF électricité performance.

Sur la base des hypothèses suivantes :

  • consommation journalière : 136 l/j à 50°C sur une année
  • lieu : Trappes (Paris)
  • chauffe-eau à accumulation à effet Joule (NF électricité performance catégorie B)
  • CET sur air extrait avec un COP annuel de 1,8 (température de la source froide constante sur l'année > ou = à 20°C)

On donne la consommation totale d'énergie finale (kWh/an) suivant les 2 technologies étudiées :

Graphique

4°/ Conclusions

Cette étude a permis d'évaluer en laboratoire les performances de 3 chauffe-eau thermodynamiques et d'en estimer l'intérêt énergétique, notamment en comparaison avec le chauffe-eau électrique à effet Joule.

Les essais normatifs ont confirmé l'ordre de grandeur des performances annoncées. Cependant, les protocoles utilisés et la grandeur qui en est déduite sont éloignés de l'utilisation réelle de ces produits.

La seconde partie des essais cherchait à approcher ces conditions réelles d'utilisation. Les résultats obtenus montrent que ces performances sont assez sensibles à plusieurs facteurs d'influence : température d'air, volume puisé, réglage de la consigne. Ce dernier facteur peut être très pénalisant en termes de performances, si l'utilisateur n'y est pas attentif.

Dans les conditions d'essais de cette étude, un CET aérothermique sur air extrait est 2,5 à 3 fois meilleur du point de vue de la consommation énergétique qu'un chauffe-eau électrique à effet Joule.

Un CET sur air extérieur est quand à lui soumis aux variations des conditions extérieures (baisse des performances du cycle thermodynamique) qui dégradent la performance moyenne annuelle de ces systèmes.

Il existe encore des marges de progrès sur les performances et la connaissance de ces systèmes in situ. Des travaux pilotés et financés par l'ADEME sont en cours, avec d'une part le PACTE ECS qui devrait faire émerger des produits encore plus performants, à coûts constants et d'autre part par une campagne de mesures de CET in situ dont les résultats seront publiés en 2012.

Quelques recommandations peuvent être tirées de cette étude :

  • Poursuivre les efforts de recherche, toujours dans l'objectif d'améliorer les performances des CET (recherche de nouvelles sources froides, réduction des pertes statiques liées au stockage, choix du fluide frigorigène, etc.) ;
  • préciser les conditions de dimensionnement (volume de ballon notamment) et d'installation (réglage de la température de consigne des ballons, ne pas mettre le ballon de stockage du CET à l'extérieur...) afin de ne pas dégrader les performances des systèmes ;
  • harmoniser les conditions d'essai pour permettre une comparaison juste et équitable des différents modèles.

Au-delà des suites de cette étude, il conviendra d'inciter l'installation de CET « NF Electricité Performante chauffe-eau thermodynamiques autonomes à accumulation » par des professionnels qualifiés.

Par Nicolas Doré et Anne Lefranc
Service Bâtiment de l'ADEME - Centre de Sophia Antipolis - Ingénieurs spécialisés en systèmes énergétiques du bâtiment

→ SOURCES & LIENS

Logo ADEME

Logo COSTIC

Logo UECF

Commentaires

  • Olivier
    25/09/2017

    Ce serait mieux de publier la totalité de l'étude qui montre que le COP réel moyen est de 0.7 (slide 8). http://libtechnic.com/site_edipa2/4%20-%20Chauffe-eau%20thermo_ADEME.pdf Les COP annoncés en laboratoires (20°C) ne prennent en effet pas compte des pertes thermiques supplémentaires lorsque le CET est placé en conditions réelles hors zone de chauffage ou les supplémentaires prélevées aux chauffages.

  • ghislaine
    09/05/2014

    Bonjour ! J'ai récemment fait installer un ballon thermodynamique dans mon habitation est suis absolument conquise ! cela fonctionne à merveille et mon installateur a été vraiment épatant, du super boulot !! voici son site si vous avez besoin, il est à Montataire dans le département de l'Oise : http://www.installationpompeachaleur.com Ghislaine

  • Olivier
    31/10/2013

    Bonjour a tous. Au vu de cette étude, pensez vous judicieux d installer une chaudiere gaz condensation avec ballon intégré qui alimenterait un chauffe eau thermodynamique. Histoire de préchauffer l'eau qu'on amène au chauffe eau pour avoir un bon Cop?

  • 21/01/2013

    Au lieu d'installer une ventilation DF (maison passive), ne serait-il pas intéressant d'installer une ventilation par insufflation sur air extérieur éventuellement préchauffé par panneaux solaires à air. Le chauffe-eau thermodynamique pourrait récupérer les calories de l'air extrait à une température >= à 20°C avec un COP relativement intéressant. A comparer avec une ventilation DF + chauffe-eau solaire en terme de performance et d'investissement.

  • Gérard
    18/12/2012

    Cette étude me conforte dans l'idée qu'il est déplorable de ne pas voir les industriels (et les incitations pouvoirs publics) fabriquer des pompes à chaleur spécifiquement étudiées pour ne fonctionner que dans les conditions optimales de performance thermodynamique, c'est à dire : - au niveau de la source chaude chauffer l'eau à 40/42 degrés, suffisante pour le chauffage sol et la douche, la carence occasionnelle de quelques degrés pour certains puisages d'ECS pouvant être aisément corrigée par un dispositif instantané à effet Joule. -au niveau de la source froide renoncer à tirer de la chaleur d'un air extérieur de température inférieure à 5°C (approximativement). Dans le climat tempéré de la majeure partie du territoire français, le nombre de jours de la saison de chauffe où la température de l'air est nettement plus froide est assez réduit. Au demeurant il faut éviter d'utiliser l'électricité à des fins thermiques basse température lorsqu'il fait très froid, puisque cet usage non indispensable est le premier responsable de la mise en route de centrales d'appoint à mazout et à gaz. J'aimerais connaitre le point de vue des ingénieurs ADEME, comme indicatif de la position des pouvoirs publics, sur la question que je viens d'exposer. Merci Gérard. (Bricoleur et ancien enseignant de thermodynamique)

  • andré
    04/12/2011

    neoenergy propose des chauffe eau solaire thermo -dynamique est-ce une révolution pour l''ecs ?

  • Philippe
    28/11/2011

    Si on met en place une VMC à double-flux, la chaleur récupérée par l'échangeur sert (en partie) à réchauffer l'air soufflé ; on ne peut donc pas récupérer 2 fois la même chaleur...

  • Damien
    23/11/2011

    Bonjour, Il y a toujours deux points qui me gènent : Dans le cadre d'un CET sur air extrait (je comprends sur le réseau VMC), n''y a t il pas possibilité d''encrasser l'appareil avec les graisses des cuisines et ainsi de diminuer les puissances. De plus cet appareil doit avoir un filtre qui mal nettoyé doit diminuer les performances. Ces filtres sont souvent des filtres à poussière (type F5) et non à graisse. Dans le cadre d''un ballon installé dans une pièce, le ballon refroidit la pièce que l''on réchauffe de l''autre côté du mur. Ces pertes ne sont jamais mis en avant pour dégrader le COP Dans le cadre d''un ballon branché sur air extérieur le COP sera très réduit comme chez moi en Alsace Je ne suis pas encore convaincu par ces produits.

  • Jean-Marc
    10/11/2011

    L'étude est intéressante puisqu'elle a le mérite d''exister et de donner des chiffres sur les COP qui correspondent à une utilisation plus "réelle" que les chiffres annoncés par les fabricants. Mais, il serait plus juste de faire un calcul global incluant le chauffage, car il va bien falloir compenser l''énergie que le CET prélève sur l'air par un complément de chauffage. Il serait aussi intéressant de connaître les COP pour une utilisation du CET sur l''air extérieur ( à -7°C et à 7°C par exemple).

  • jean-paul
    09/11/2011

    Ces résultats nous permettent d'être pour l'instant "sur la réserve"; ils indiquent en tous cas le grand différentiel entre ce qui est annoncé par les constructeurs en terme de COP , et la réalité PRATIQUE journalière .... A voir avec une eau qui m''arrive en moyenne hiver à 8 degrés... Ce que dit le prédécesseur J-Luc est juste:il nous faudrait des essais sur VMC .... La technique peut tout, mais elle va avoir raison des...finances :avec un cop réel faible= baisse de tarif de ce type de machine = quid des couts d''entretien??? .Un chauffe-eau "normal" /effet joule = un nettoyage éventuel/purge, en fonction de la turbidité de l''eau. (filtre amont éventuel) . Rares destructions par orage;équilibrage si triphasé ....Johan/J-Paul .

  • François
    09/11/2011

    Il reste à faire l'étude économique pour savoir si le surcoût de l''investissement est intéressant...

  • Jacky
    09/11/2011

    Merci, votre étude est très intéressante. Sur un plan économique, en prenant un Kwh "chargé" à 12,4 centimes et en faisant abstraction du coût de maintenance la durée d''amortissement du surcout est très probablement supérieure à 10 ans. S Salutations

  • Job
    09/11/2011

    Pourquoi ne pas comparer avec un chauffe eau solaire? en y incluant la différence de prix d''achat/installation. Je croyais qu''il fallait parvenir à diminuer les GES . . .? ? ? et non pas se limiter à comparer deux chauffe eaux électriques !

  • eERIC
    09/11/2011

    Je pense qu’il aurait été pertinent de faire intervenir l’encrassement de l’évaporateur ou du filtre si les appareils tester en étaient équipés et sur une période d’un an juste pour rire et voir les cop a mon avis les résultats obtenus ne seraient plus du tout les mêmes ! Et en cout global en faisant intervenir les couts de maintenance de ces appareils à 5 ans ça donne quoi ?

  • jean-luc
    02/11/2011

    pourquoi vous n''avez pas effectué un comparatif avec un thermodynamique avec la reprise sur une VMC double flux

LAISSER UN COMMENTAIRE

ABONNEZ-VOUS !
Ce site respecte strictement la réglementation RGPD sur les données personnelles. Pour connaitre et exercer vos droits, vous pouvez consulter notre politique de confidentialité