CHRONIQUE # 100

PERTES DE CHALEUR AUTOUR DES CHAUFFE-EAU ÉLECTRIQUES

La quantité totale d’énergie consacrée annuellement à la production de l’eau chaude domestique, et les coûts qui y sont rattachées, varient grandement d’un ménage à l’autre. L’énergie consommée annuellement à cette fin dépend de la composition des ménages, du nombre de personnes et de leurs habitudes de vie. L’importance de cette consommation dépend aussi des caractéristiques thermiques du chauffe-eau et de la source d’énergie utilisée. 

Consommation moyenne d’eau chaude par ménage

Bien que la consommation d’eau chaude diffère d’un ménage à l’autre, des relevés statistiques permettent toutefois d’établir des moyennes de consommation par ménage qui sont utiles pour fin d’analyse et de comparaison :

-         Hydro-Québec estime, par exemple, la consommation moyenne d’un ménage de trois personnes à environ 200 litres d’eau chaude par jour, chauffée à 60°C (140°F).

-         Le Ministère de l’Énergie de l’Ontario évalue, pour sa part, à 120 litres par jour la consommation moyenne d’eau chaude pour un ménage composé d’une seule personne et ajoute 40 litres par jour par personne supplémentaire. Pour un ménage de trois personnes, on obtient ainsi, pour de l’eau chauffée à la même température, à la même consommation moyenne qu’Hydro-Québec. 

Énergie consommée par les chauffe-eau électriques et coûts

Sans tenir compte des pertes de chaleur à travers la paroi du réservoir, il faut environ 12.3 kWh d’énergie électrique pour produire 200 litres d’eau chaude à 60°C. Pour une consommation moyenne d’un ménage de trois personnes, à un prix moyen de 6.53 ¢/kWh (taxes comprises), il en coûterait donc environ 300$ annuellement pour chauffer cette eau : soit environ 180$ pour une personne seule et en moyenne 60$ par personne supplémentaire.

La formule suivante permet de calculer la quantité d’énergie prise par l’eau pour son chauffage.

E = 0.00116 x V x (T_c – T_f) où

E est l’énergie, en kWh, prise et conservée par l’eau chauffée;

V est le volume, en litres, de l’eau chaude produite;

(T_c – T_f) est l’élévation de la température de l’eau : T_c étant la température de l’eau chaude stockée dans le réservoir et T_f la température de l’eau froide alimentant le chauffe-eau;

0.00116 est une constante qui tient compte à la fois des caractéristiques thermiques de l’eau et des unités utilisées.   

Si l’eau est chauffée à une température (T_c) de 60°C et que la température de l’eau froide (T_f) est en moyenne de 7°C (soit les températures affichées par Hydro-Québec dans son « Tableau de la consommation des appareils»), la formule précédente devient : 

E  =  0.0615 x V

En appliquant cette équation, il faudrait donc au minimum 12.3 kWh pour chauffer 200 litres d‘eau, soit 0.0615 x 200 = 12.3 kWh.

Si ce volume correspond à la consommation journalière moyenne, la consommation annuelle d’énergie électrique de chauffage serait donc aux environs de 4 500 kWh, soit 12.3 x 365 = 4 490 kWh/année.

À 0.0653 $/kWh, le coût est donc tout près de 300$ annuellement, soit 0.0653 x 4490 = 293 $. À ce montant il faudra ajouter le coût des pertes de chaleur autour du chauffe-eau.

Pertes de chaleur par l’eau chaude en attente

S’il n’y a aucune demande d’eau chaude dans une habitation, l’eau en attente dans un chauffe-eau électrique à réservoir d’accumulation devrait idéalement, une fois chauffée, conserver indéfiniment sa température. Elle devrait conserver la totalité de la chaleur qui lui a été fournie pour la chauffer. Donc, une fois l’eau chauffée, elle le demeurerait jusqu’à ce que l’on soutire un certain volume d’eau pour les besoins domestiques. Les éléments chauffants ne fonctionneraient, par conséquent, que pour chauffer l’eau d’alimentation remplaçant l’eau chaude consommée.

Dans la réalité cependant ce n’est évidemment pas ce qui se passe : l’eau en attente perd lentement et continuellement de la chaleur à travers les parois du réservoir. La température de cette eau baisse donc peu à peu et périodiquement les éléments chauffants doivent se remettent en marche pour compenser ces pertes.  

Plus les pertes de chaleur autour du réservoir sont importantes, plus il faut dépenser d’énergie pour produire la même quantité d’eau chaude et donc plus les coûts énergétiques sont importants.  

Ces pertes de chaleur autour du réservoir dépendent essentiellement de quatre facteurs.

-         L’aire de la paroi du réservoir : cette aire dépend du volume et de la forme du réservoir; plus un réservoir est grand, plus la surface est grande et plus les pertes sont importantes.

-         La valeur isolante des parois : moins la paroi d’un réservoir est isolée, plus les pertes augmentent.

-         La température de l’eau chaude : plus l’eau est chaude dans le réservoir, plus les pertes sont élevées.

-         La température de l’air ambiant : plus la pièce où est localisé le chauffe-eau est froide, plus les pertes augmentent.

Ces variables sont liés ensemble par la formule suivante :

W = (A/RSI) x (T_c – T_a)  où

W représente les pertes de chaleur, en watts autour du chauffe-eau;

A est l’aire totale de la paroi du réservoir, en m²;

RSI est la valeur isolante de la paroi, en m² °C/W;

T_c est la température, en °C, de l’eau dans le chauffe-eau;

T_a est la température de la pièce, en °C, où est localisé le chauffe-eau.

D’après cette équation, un chauffe-eau peu isolé, installé dans un espace non chauffé et contenant de l’eau très chaude est un appareil perdant beaucoup de chaleur par l’enveloppe du réservoir. Au contraire, un petit chauffe-eau très bien isolé, dont l’eau chaude est maintenue à une température minimale acceptable, et qui est localisé dans un espace chauffé est le cas de figure réduisant au maximum les pertes de chaleur par les parois de son réservoir.        

Les caractéristiques générales des chauffe-eau offerts par les fabricants sont le résultat de divers compromis liés à des contraintes physiques, techniques, réglementaires et de coûts. Le choix d’un chauffe-eau, son lieu d’installation et certaines de ses caractéristiques de fonctionnement sont également le résultat de compromis entre les besoins, la sécurité, l’organisation des espaces et les coûts d’achat, d’installation et d’utilisation.

Étant donné que

-         le réservoir doit avoir un volume d’eau chaude suffisant pour répondre aux besoins des utilisateurs en périodes de pointe,

-         une eau en attente, à une température trop basse, augmente le risque de manquer d’eau chaude à certains moments et peut aussi présenter des dangers pour la santé,

-         la surisolation des parois d’un chauffe-eau n’est pas rentable économiquement,

on doit donc accepter une perte raisonnable de chaleur autour des appareils.

Pertes maximales de chaleur autour d’un chauffe-eau

Depuis une quinzaine d’années, les pertes de chaleur autour des chauffe-eau électriques à accumulation ont grandement diminuées. Les appareils vendus doivent maintenant se conformer à des normes minimales d’efficacité énergétique de plus en plus exigeantes, ce qui réduit les pertes en attente :

-         Au début des années 1990, les chauffe-eau courants avaient en moyenne des pertes en attente autour de 145 watts pour les modèles de 180 litres (40 gallons) et de 182 watts pour les modèles de 270 litres (60 gallons). Comme la durée de vie moyenne d’un chauffe-eau est d’environ 12 ans, ils disparaissent progressivement avec le temps et sont remplacés par des modèles plus efficaces.   

-         À partir de 1995, les pertes en attente des nouveaux chauffe-eau ne devaient plus dépasser 115 watts pour les modèles de 270 litres (60 gallons) et 97 watts pour les modèles de 180 litres (40 gallons), en conformité à la norme CSA-C-191.

-         Depuis l’automne 2004, les pertes maximales acceptables ont encore été réduites pour les chauffe-eau neufs. Elles sont maintenant de 93 watts, au maximum, pour les chauffe-eau de 270 litres et de 76 watts pour ceux de 180 litres (40 gallons). Ces valeurs sont vérifiées en laboratoire, pour chacun des modèles, selon une méthode d’essais normalisée basée sur un écart de température de 44°C entre la température de l’eau en attente et la température de la pièce.

Chaleur perdue contribuant au chauffage d’ambiance

En réalité cependant, la chaleur perdue à travers la paroi d’un réservoir n’est  pas perdue en totalité : une fraction importante de cette chaleur contribue au chauffage des pièces. On estime à environ 55% la chaleur perdue autour d’un chauffe-eau qui contribue généralement au chauffage d’ambiance et à environ 45% les pertes réelles non utilisées.

Coûts des pertes de chaleur autour du chauffe-eau électrique

Donc, pour un chauffe-eau acheté après 1995, localisé dans un espace chauffé à 20°C par exemple, dont l’eau en attente est maintenue à 60°C, les pertes annuelles de chaleur à travers les parois seraient inférieures à :

-         453 kWh pour un appareil de 270 litres, soit 0.45 x (115 W x 24 h/jour x 365 jour/an) = 453 000 Wh/année (453 kWh/an), ce qui représente un peu moins de 30$ annuellement au prix moyen du kWh, à l’hiver 2006, au tarif D (6.53 ¢/kWh, taxes comprises).

-         382 kWh pour un appareil de 180 litres, soit  0.45 x (97 W x 24 h/jour x 365 jours/an) = 382 000 Wh/an (382 kWh/an) ou 25 $ annuellement à un prix unitaire moyen de 0.0653 $/kWh.

Avec l’achat d’un nouveau chauffe-eau rencontrant les normes en vigueur depuis 2004, les pertes réelles de chaleur représenteraient des coûts annuels de 24$ pour un modèle de 270 litres (0.45 x 93 x 24 x 365 x 0.0653/1000)  et en bas de 20$ pour un modèle de 180 litres (0.45 x 76 x 24 x 365 x 0.0653/1000). 

À la lumière de ces résultats, une question se pose : compte tenu de sa réserve d’eau plus petite, pouvant amener une pénurie d’eau chaude dans certains ménages en périodes de pointe, est-ce que l’achat d’un chauffe-eau de 180 litres, plutôt que de 270 litres, est justifié compte tenu des pertes supplémentaires de chaleur de 4 à 5 $ annuellement?

Effet de l’abaissement de la température de l’eau chaude en attente

Les pertes de chaleur à travers les parois d’un réservoir d’eau chaude sont proportionnelles à l’écart entre la température de l’eau en attente et la température de la pièce où est installé le chauffe-eau. Abaisser la température de l’eau dans le chauffe-eau, réduit donc les pertes et apporte une certaine économie. Quelle est l’ampleur de cette économie?

Si par exemple l’eau est stockée à 55°C (131°F) plutôt qu’à 60°C (140°F), la différence de température entre l’eau et la pièce passerait de 40°C à 35°C pour une pièce maintenue à 20°C. Comme la différence de température est réduite de 12.5%, soit (40 - 35) / 40 = 0.125, les pertes de chaleur et les coûts en énergie qui y sont reliés seraient également réduits de 12.5%. Pour un chauffe-eau neuf, ces économies annuelles correspondraient à environ 3$ pour un modèle de 270 litres et moins de 2,50$ pour un modèle de 180 litres. Bien sûr, il n’y a pas de petites économies, mais tout même pas ce n’est le Klondike. Abaisser la température de l’eau a en contre-partie, comme effet, d’augmenter le volume de l’eau chaude requise pour un même usage, amenant de ce fait un épuisement plus rapide de la réserve.

Impact de l’ajout d’une couverture isolante

Plusieurs études ont démontré qu’il y a généralement un certain avantage économique à recouvrir d’une couverture isolante les chauffe-eau électriques conventionnels achetés avant le milieu des années 1990. Ceux-ci étaient généralement fort mal isolés. Comme ces chauffe-eau sont remplacés progressivement par des appareils beaucoup mieux isolés, est-ce encore aussi  intéressant maintenant?

Sans entrer dans les détails, une chose est cependant évidente : on ne peut faire des économies que sur l’énergie perdue. Si un chauffe-eau est déjà très bien isolé dès sa fabrication, les pertes sont plus faibles et les économies potentielles réduites par conséquent. Si on double par exemple la valeur isolante d’une paroi, on réduit les pertes de chaleur à travers cette paroi de moitié. Si on triple sa valeur isolante, on réduit ces pertes des deux-tiers. Les couvertures avec lesquelles on enveloppe le dessus et les côtés des chauffe-eau ont généralement une épaisseur de deux pouces de laine isolante, ce qui leur confèrent une résistance thermique autour de RSI 1.2 (R-7).

Depuis 2004, la valeur isolante de la paroi des chauffe-eau est supérieure à R-16 (2.8 RSI). Pour de tels chauffe-eau, si la totalité de la surface exposée du réservoir, y compris le fond, était enveloppée de cette couverture isolante, les pertes de chaleur seraient réduites au maximum de 30%, pour des économies annuelles de 6 à 8$. Dans les faits cependant, la réduction des pertes serait nettement inférieure à cette valeur, puisque le fond du réservoir ne sera pas recouvert, que cette enveloppe devra être perforées à quelques endroits et qu’elle ne sera pas hermétique.  

Pertes de chaleur autour des chauffe-eau instantanés

Puisque les chauffe-eau électriques instantanés n’ont pas de réservoir de stockage, les pertes de chaleur autour de ces appareils sont pratiquement nulles, d’où une économie annuelle de quelques dizaines de dollars sur les coûts de chauffage de l’eau. Ils ont cependant d’autres limites qui sont analysées à la Chronique #54.

Facteur énergétique (FE) d’un chauffe-eau électrique

Dans la fiche technique d’un chauffe-eau, on retrouve souvent la valeur des «pertes en attente» évaluées selon la norme C-191 de la CSA. On peut parfois y retrouver aussi son «facteur énergétique (FE)». Ce facteur donne le rapport entre l’énergie utile et l’énergie consommée : il est déterminé selon une procédure normalisée. Ce facteur est d’autant plus élevé que les pertes autour du chauffe-eau sont faibles. Il est au plus de 0.98 pour un chauffe-eau instantané et entre 0.87 et 0.98 pour un chauffe-eau à accumulation selon l’importance des pertes de chaleur autour du réservoir.

Pour conclure

Dans l’achat d’un nouveau chauffe-eau, le premier critère à considérer est d’abord de le choisir en fonction des besoins du ménage en périodes de pointe (voir à ce sujet la Chronique #53). Il devrait également conserver sa chaleur, donc avoir de faibles pertes en attente et/ou un facteur énergétique élevé. Il faut donc réduire le gaspillage d’énergie, sans réduire pour autant le confort et le bien être des utilisateurs.    

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Camille Gagnon, Technologie de la mécanique du bâtiment
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Cette chronique a été rédigée en 2006 et mise sur le web le 8 mars 2006.

CÉGEP de Jonquière

© Camille Gagnon 2006