ECS, cuve auto-construite, circulateur Laing
par Georges Cattenot alias Gcat dans le 69 à Ternay
 gcattenot chez free
Révision 14/03/2010


But : Production eau chaude sanitaire.

Contexte : Résidence secondaire. Même si nous l'occupons régulièrement, aucun espoir de rentabilité économique ; c'est donc une installation pour le plaisir et celui d'une douche solaire ne se dément pas.


  Plan:
  1. Caractéristiques principales:
  2. Localisation
  3. Choix du système auto-vidangeable.
  4. Détermination de l'emplacement des capteurs.
  5. La cuve
  6. L'échangeur
  7. Capteurs
  8. Cheminée de stratification
  9. Circulateur et pompe de remplissage.
  10. Régulation
  11. Pilotage du remplissage
  12. Sécurités
  13. Mise en route
  14. Gestion de la surchauffe
  15. Apport complémentaire de calories
  16. Coûts
  17. Bilan énergie grise

Schémas

Caractéristiques principales:


Localisation

Vallée du Rhône 15 km au Sud de Lyon.

Maison orientée au Sud, mais terrain incliné vers l'ouest avec à l'Est un bois.


Choix du système auto-vidangeable.

Il s'est imposé compte tenu de l'occupation intermittente. En faisant couler quelques litres d'eau, on purge le serpentin de production ECS pour éliminer d'éventuelles bactéries du type légionellose. L'absence d'antigel et un circuit à pression atmosphérique sont a priori des gages de simplicité donc de fiabilité.

Détermination de l'emplacement des capteurs.

Je pense qu'il faut dans la mesure du possible éviter les capteurs en toiture. L'installation est délicate et les problèmes d'étanchéité ne sont pas simples. Esthétiquement, c'est rarement un succès. La maintenance est plus ou moins acrobatique, on ne peut pas intervenir facilement pour bâcher en été, dégager la neige en hiver ou simplement nettoyer les vitrages.

Malgré cela, mes capteurs sont en toiture. J'ai utilisé le logiciel de simulation CASSSC de Ines et les conclusions étaient sans appel compte tenu des masques solaires le matin.

La cuve

N'ayant pas trouvé une cuve répondant à mes contraintes j'ai opté pour l'auto-construction:



Je me suis inspiré du pliage des briques de lait. L'EPDM se colle très bien. D'abord faire une poche rectangulaire; à noter le renfort dans l' angle. Puis plier le bas pour obtenir un fond carré.

La bâche est retournée comme un doigt de gant sur le haut du coffre.


Conclusions sur la cuve:

. Coût (voir plus loin) non négligeable.

. Pas mal de travail

. Solution peut-être intéressante pour ceux qui ont un problème d'accès ne permettant pas le passage d'un réservoir standard.

L'échangeur

But : production instantanée de l'ECS

50 m de tube de 14

Bobiné sur un mandrin construit à partir d'un tambour de machine à laver.

Les spires sont maintenues par 3 tubes en PEHD de 40mm

Comme mes spires étaient imparfaites, la mise en place des supports a été un peu (beaucoup) galère. Mais on y arrive:

Quand on soutire de l'eau, le tube cuivre se dilate/rétracte et bouge sans doute sur ses supports d'où bruits et peut-être sollicitation sur les soudures.

Capteurs

2 LM112 horizontaux, alimentation symétrique: arrivée par les points extérieurs bas et retour en haut entre les capteurs.

Le haut des capteurs est à 6,5 m du niveau d'eau de la cuve.

Distance capteur/cuve 16 m en Tube Per de 16mm.

2 m de tube cuivre sur le retour capteur.

Fixation basse : 2 pattes en acier galvanisé en forme de J qui viennent se loger dans la feuillure du capteur.

Fixation haute : équerres fixées par des rivets pop.

Raccordement bas: flexibles d'alimentation


Montage du premier capteur:


Cheminée de stratification

Je n'ai pas trouvé de sources permettant de déterminer les taille et dimension des ouvertures, ni la section de la cheminée. Pourtant ces caractéristiques dépendent d'une part du débit (connu) et aussi de la vitesse de déplacement d'une masse d'eau par rapport à une autre selon la différence de température. J'ai donc fait au pif, reportant à plus tard le soin d'approfondir.

La cheminée a été réalisée avec un tube de 50 en PVC hauteur 140 cm , lumières de 50x 4 mm. Il est maintenu centré sur le tube d'arrivée par des pattes et reste en position haute car il flotte.

Longueur du tube d'arrivée d'eau: j'ai considéré que, statistiquement, l'eau avait autant de chance de devoir se positionner vers le haut que vers le bas ; j'ai donc choisi une arrivée à mi-cuve comme j'avais un bout de tube qui avait à peu près la bonne longueur...


Circulateur et pompe de remplissage.

Modèle Ecocirc de Laing. Fonctionne en 8/25 V en courant continu, plage de réglage de vitesse de 1 à 6 en continu ; tout pour plaire. Une alimentation par PV a été envisagée mais abandonnée, du moins pour l'instant.

Mais ce circulateur est incapable de remplir le circuit. D'où la présence d'une pompe de marque Surflow normalement utilisée en caravaning pour distribuer l'eau potable. Débit 7 l/mn. Construction robuste, prix raisonnable. Inconvénient : c'est une pompe à membrane et elle ne laisse pas passer l'eau à l'arrêt. Elle ne peut donc pas être montée en série avec le circulateur, d'où la présence de la vanne 3 voies.

Je n'ai pas trouvé de vanne 3 voies en 12 V et le mélange 12V/220V est fâcheux.

Avec un réglage à mi-puissance du circulateur, le débit est d'environ 3 litres minute.

Régulation

J'ai fait rustique: thermostat différentiel C-47 de chez C*onrad ; mais il n'a pas de réglage d'hystérésis d'où un petit montage ; voir les schémas en document annexe.

Réglage de la consigne: écart de température entre bas de cuve et haut capteur.

1 degré d'écart avec un débit de 1 l/mn correspond à une quantité de travail par seconde de: 1000/60 * 1 * 4.18 = 70 joule (1000/60 = masse d'eau par seconde, 1 pour 1° d'écart et 4.18 pour convertir les calories en joule.)

70 J/ seconde = 70W

Comme l'eau retourne directement dans la cuve (pas d'échangeur), toute calorie est bonne à prendre car on reste toujours au dessus de la consommation électrique. Les réglages actuels sont:

Delta environ 10°

Hystérésis environ 80%

Il s'agit de valeurs de base non encore optimisées

Pilotage du remplissage

J'étais parti sur une idée originale que j'ai naturellement trouvée séduisante : utiliser un détecteur de présence d'eau, la sonde étant placée sur le retour capteur vers la cuve. Ainsi, dès que l'eau arrivait, la pompe se coupait. Après beaucoup de temps perdu il a bien fallu constater que ça ne marchait pas de manière fiable car:


La solution : minuterie C-46 avec simplement changement d'un condensateur pour avoir environ 4 minutes de fonctionnement. Fonctionne parfaitement.

Sécurités

Le fait de ne pas être présent en permanence augmente la gravité potentielle d'éventuels incidents.

En auto-vidange, le risque principal est que les capteurs demeurent remplis ou se vidangent mal alors qu'il y a risque de gel. J'ai identifié les cas suivants:

Solution : un thermostat à bulbe placé en bas d'un capteur coupe l'alimentation électrique dès que la température est inférieure à un seuil fixé (actuellement vers 10°).

Position du bulbe : derrière la tôle ; hauteur 20cm du bas du capteur (de toutes manières des tuyauteries m'interdisaient de le mettre plus haut).

Contrôle de la température maxi de la cuve. Un autre thermostat à bulbe est utilisé. Réglage vers 60° ; au delà l'évaporation est excessive.

Coupure de courant. Nous sommes en bout de ligne avec une partie aérienne ; ça disjoncte souvent en cas d'orage. Si le courant se coupe, la vanne 3 voies vient (ressort) automatiquement dans une position qui permet la vidange.

Surveillance visuelle:
Témoins:


Compteur volumétrique. Absolument indispensable pour le réglage du débit. Sans lui, j'aurais eu du mal à comprendre pourquoi parfois le circuit se vidangeait à tort.

Sonde de température : haut, milieu et bas de cuve

Mise en route

A débuté en juillet 2009. Une fois le problème de remplissage résolu (cf ci-dessus), tout se passait bien. Puis au bout de quelques temps, j'ai constaté, grâce au compteur volumétrique, que l'eau ne circulait plus et que le circuit se vidangeait bien que le circulateur soit toujours sous tension.

Explication : par rapport à la pression atmosphérique, le haut des capteurs est en dépression de la hauteur de la colonne d'eau de retour. Dans mon cas -0,6 bar. Seul un défaut d'étanchéité dans les raccords supérieurs pouvait expliquer le phénomène. Si l'air entre, il s'accumule en haut de la colonne descendante. Au bout d'un certain temps, les colonnes montante et descendante sont trop déséquilibrées par rapport aux possibilités du circulateur, donc l'eau ne circule plus et le circuit se vidange.

Solution : reprises des raccords filasse, changement des joints par des modèles résistant à de plus hautes températures. Attendons les prochaines stagnations pour voir si les raccords tiennent le coup de chaud.

Conclusion : une différence de niveau importante entre cuve et capteur est une source potentielle de difficultés en cas de micro-fuite induisant des entrées d'air. Les systèmes auto-vidangeables avec réserve intermédiaire limitent le niveau d'exigence en matière de qualité des raccords. Mais encore faut-il disposer d'un emplacement hors gel pour loger cette réserve.

Gestion de la surchauffe

Rien de réalisé pour l'instant mais un emplacement est prévu pour installer éventuellement un volet roulant.

Apport complémentaire de calories

J'ai conservé le chauffe-bain gaz mais il n'a une plage de réglage de puissance que de 50% environ et on obtient de l'eau trop chaude.

Je renonce à la résistance d'appoint dans la cuve car:

Coûts

Ces coûts constituent une limite inférieure. Certains sont donnés de mémoire et il y a sans doute des oublis, un peu de matériel a été récupéré. Ne sont pas pris en compte les déplacements en voiture pour aller chercher le raccord qui manque...


Poste
 Coût € Total €



Capteurs

. 2 LM 112 port → Lyon 880
. complément port 70
Total capteurs
950



Centrale solaire

. Circulateur Laing Ecocirc 200
. Pompe remplissage Surflow 80
. Vanne 3 voies 45
. Compteur eau chaude 30
. Filtre 15
. Clapet à battant 15
Total centrale
385



Cuve

. Bois 8 m2 plancher 23 mm 80
. EPDM + primaire + bande auto-vulcanisante 140
. cuivre serpentin 50 m de 14mm 160
. Isolation polystyrène extrudé 90
. Divers 20
. OSB habillage (2 côtés) 25
. Tubes PEHD (support serpentin) 40
Total cuve
555



Régulation ...

. Thermostat différentiel 18
. Minuterie 11
. Divers (témoins, fils, connecteurs...câbles) 30
. Sondes de températures cuve 30
Total
89



Divers plomberie (tube, vannes....)
150
Divers électricité
100
30 m PER 16
25
40 m manchon isolant
20



Modifications toiture

Chevrons, liteaux, quincaillerie, OSB 200
Zinguerie 300 500



Total
2 774

Conclusions:

Avec un kWh aux environs de 0,15€, il me faudra avoir économisé 2774/0,15= 18 493 kWh avant un retour sur investissement.

Comme 1kWh= 3600kj et que 1 cal = 4.18 joules, 1 kWh=3600/4,18= 861 kCal.

18493 kWh= 16 000 000 kcal

voir: http://fr.unitjuggler.com/energy-conversions.html

Si je suppose qu'en moyenne il faut augmenter la température de l'eau du réseau de 25°, chaque litre consommé nécessite un apport 25 kCal (1000 grammes x 25).

Donc il faudrait avoir consommé 16 000 000/25= 640 000 litres... avant un retour sur investissement.

Si une douche consomme 20 litres on a 32000 douches; je n'aurai jamais le temps !

Certes, le projet dès le départ ne prétendait pas à une rentabilité financière.

Autre observation: les postes importants (capteur, réserve ) ne pèsent guère plus de 50% dans le budget global.


Bilan énergie grise

L'énergie grise correspond à la quantité d'énergie fossile qui a été nécessaire pendant toutes les étapes de conception, fabrication, distribution d'un produit.

C'est un travail extrêmement complexe sujet à bien des discussions et incertitudes; aussi quand on voit des valeurs avec 4 chiffres significatifs on peut rester perplexe...Et je repense à mes anciens prof de physique ; mais supposons que les ordres de grandeur soient là.

Sources:

Matériaux Énergie grise Énergie grise Sources

en kwh/kg en kwh/m3




Panneau type OSB
2 359 /www.batirbio.org/html/Economie-d-energie
Bois léger raboté étuvé
610 /www.batirbio.org/html/Economie-d-energie




Polystyrène extrudé
795 www.batirbio.org/html/Economie-d-energie
Tuyau PVC PER...
27 000




Aluminium
190 000 wikipédia
190 000 kwh/m3






Cuivre 140 000 kwh/m3 densité 8,9 15,70
wikipédia
Masse au m diamètre 10 = 0,252


12 = 0,338


14 = 0,364


20 = 0,776






Verre laminé 4.53 kwh/kg (densité 2,5) 4,53
www.serge-hiltpold.ch/public
Masse au m2 e= 4mm, masse= 10 kg






EPDM 20,00
www.energie-solaire.com/fr








Laine de roche 110kg/m3
697 /www.batirbio.org/html/Economie-d-energie


Poste

Masse ou Unité Énergie grise Énergie grise



volume
unitaire par rubrique






en kwh
2 capteurs LM 112





Cuivre nourrisse horiz. (diam 20) 8m 8,0000 0,776 6,21 KG 15,70 97
Cuivre échelles (13 par panneau ?)




0
longueur 0,8m = 20,8 m diam 12 20,8000 0,338 7,03 KG 15,70 110







Verre 4 m2 10kg /m2 4,0000 10,000 40,00 KG 4,53 181






0
Profilé alu 12m largeur 0,15




0
Épaisseur 0,002=0,0036 m3 0,0036 1,000 ,0036 M3 190 000,00 684







Tôle absorbeur e = 0,5 mm S= 4m2





masse 8920 kg/m3





4 x 0,0005=0,0002 m3 0,0002 8920 1,78 KG 15,70 28







Laine de roche 4m2 4,0000 0,050 ,20 M3 697,00 139
épaisseur 5cm




0






0
Cuve




0
8 m2 planche e = 23 8,0000 0,023 ,18 M3 610,00 112







Film EPDM feuille 3,5x2,3=8,05m2





e = 1,2mm





volume = 8.05x0,0012=0,00966m3





Masse 1300 kg/m3 0,0097 1 300 12,56 KG 20,00 251







Isolant 10 m2 de 80+20mm 10,0000 0,100 1,00 M3 795,00 795







5 m2 OSB 16 5,0000 0,016 ,08 M3 2 359,00 189
Serpentin diam 14mm 50 m 50,0000 0,364 18,20 KG 15,70 286
Tube diam 14 divers 10 m 10,0000 0,364 3,64 KG 15,70 57







Divers raccord (4 kg de laiton au pif) 4,0000 1,000 4,00 KG 15,70 63
Circulateur, vannes, pompe...












30 m PER diamètre 16

,00


Charpente





OSB 10 m2 16 mm 10,0000 0,016 ,16 M3 2 359,00 377
Bois charpente 0,350 m3 0,3500 1,000 ,35 M3 610,00 214












Total 3584

Conclusions:

Environ 4000kWh

Comme 1kWh = 3600kj et que 1 cal = 4.18 joule, 1 kWh =3600/4,18 = 861 kCal.

Soit au total 861kCal x 4000 = 3 444 000 kCal

voir: http://fr.unitjuggler.com/energy-conversions.html

Si, comme plus haut, je suppose qu'en moyenne il faut augmenter la température de l'eau du réseau de 25°, chaque litre consommé nécessite un apport 25 kCal (1000 grammes x 25).

Donc il faudrait avoir consommé 3 444 000/25 = 138 000 litres... avant un retour sur énergie grise. Désespérant mais moins dramatique que le bilan financier.


Schémas



retour sommaire partie pratique