Chauffe-eau, phase 2 – échangeur avec poêle de masse

Le 15 février 2025 formation comprendre et dimensionnement un poêle de masse le 15/02 dans le 44

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Second hiver avec le poêle de masse d’Agir LowTech dans la paillourte. Cet hiver a été placé sous le signe de la production d’eau chaude.

Page d’appel aux dons du projet pour que ce poêle de masse pour petit habitat open source puisse voir le jour : https://agir.lowtech.fr/t/pdm/projets/tiny/fiche-de-presentation/

Cet article fait suite à l’article « Chauffe-eau, phase 1 – surplus d’énergie solaire »

Préambule

La production d’eau chaude sanitaire (ECS), c’est quelque chose de plutôt énergivore : elle représente à elle seule en moyenne ~15% de la facture d’électricité d’un français moyen. Et si vous ne chauffez pas à l’électricité, il y a de grande chance pour que ce soit le premier poste de dépense…

Je considère que la solution la plus optimum / lowtech, c’est le chauffe-eau solaire thermique (non photovoltaïque), couplé avec un poêle bouilleur. De cette façon, on couvre tous les besoins en eau chaude de l’année. Bien sûr, dans un monde soutenable, il est primordial de réviser ses besoins, c’est pour quoi j’ai opté pour un chauffe eau de 20L (une installation standard dans un foyer moyen, c’est plutôt un ballon de 200L).

De mon côté, je dispose déjà d’une installation solaire photovoltaïque autonome ; j’ai donc du surplus d’énergie ~9 mois dans l’année. Depuis quelque temps, je redirige ce surplus dans mon ballon d’eau chaude de 20L. Mais l’hiver : pas de surplus = pas d’eau chaude. C’est pas dramatique en soit, quand on allume le poêle on met une gamelle pleine d’eau dessus et on peut faire notre douche avec ça… Mais tant qu’à avoir un poêle pas loin du ballon, autant les marier. D’autant que mon ballon (un Nautic-Therm Stehend ME 230V 330W 20L de la marque Elgena) est équipé d’un échangeur de chaleur initialement conçu pour récupérer les calories du moteur (le liquide de refroidissement circule et la chaleur du moteur qui roule réchauffe l’eau) : je vais donc utiliser cet échangeur pour le “connecter” au poêle.

Toute l’expérience qui va suivre a été réalisée sur le prototype v20.10

L’expérience

Pour produire de l’eau chaude avec un poêle de masse, il y a 2 écoles :

Faire circuler un échangeur Inox dans le passage des fumés ;
Apposer un échangeur en surface du poêle, noyé dans l’enduit.

Nous allons tâcher d’explorer ces deux solutions dans le cadre d’une utilisation sur le poêle de masse d’Agir LowTech.

À noter qu’ici, je cherche à produire de l’eau chaude sanitaire (stockée dans un ballon) mais d’autres utilisations sont possibles :

Radiateur déporté (pièce éloignée du poêle)
Mur/sol chauffant
…

On parlera ici d’échangeur “en circuit fermé”, dans le sens ou ce n’est pas l’eau du ballon d’eau chaude sanitaire qui se promène dans l’échangeur. Un fluide (ici de l’eau) est réchauffé dans l’échangeur du poêle, circule jusqu’au chauffe-eau et transmet ses calories via un échangeur à l’eau contenue dans le ballon.

Circulation de l’eau

Pour la circulation de l’eau il y a 2 écoles / 2 techniques :

Le circulateur : Une petite pompe électrique qui pousse l’eau dans le circuit ;
Le thermosiphon : L’eau chaude prenant plus de place que l’eau froide, quand l’eau se réchauffe elle “pousse” l’eau à monter.

Je vais tâcher d’explorer les 2 options pour savoir si les 2 fonctionnent aussi bien dans mon cas.

En thermosiphon, pour que ça puisse fonctionner, il faut que nos tuyaux soient plutôt de gros diamètre (limiter les frottements) et surtout que la source de chaleur soit plus basse que le ballon. Dans ma configuration, c’était anticipé. Mon ballon se trouve à ~2m10 du sol pour son point le plus bas et le poêle fait ~90cm de hauteur. À noter que la longueur ne peut pas non plus être infinie en solaire thermique : 5 à 6m de tuyau, ça fonctionne parfaitement ; au-delà, c’est moins sûr (la hauteur est aussi à considérer). Bref, le thermosiphon c’est “beau” parce que ça ne nécessite pas d’électricité, de pompe… mais ça ne fonctionne pas dans toutes les configurations.

Le circulateur que j’ai testé est un « ENERJFluid 9180 ES2 20-60/180 ». Il consomme 3W au plus bas pour 0,5L/min et 37W pour 0,20 L/min). La consommation électrique de 3W, c’est peu, surtout qu’il n’est pas nécessaire de l’avoir allumé perpétuellement. Mais 2 choses :

Même si le circulateur consomme peu, il consomme.. (tout dépend du contexte énergétique dans lequel nous nous trouvons… “peu” c’est déjà plus que “pas”)
Si circulateur il y a, il faut le contrôler (manuellement au automatiquement) en fonction de la température du fluide transporté par rapport à la température du ballon par exemple, pour que le circulateur stoppe la circulation quand la température du ballon est supérieure ou égale à la température de l’eau dans le circulateur.

Circuit ouvert ou fermé ?

Les tuyaux entre l’échangeur du poêle et l’échangeur dans le ballon peuvent être :

En circuit fermé, sous pression (classique en plomberie)
En circuit ouvert, hors pression (pression atmosphérique)

Le circuit ouvert est simple d’installation, et fonctionne aussi bien que le circuit fermé. Il faut simplement laisser un récipient “ouvert” à l’air sur le point le plus haut. Il remplace ainsi les éléments de plomberie suivants :

Groupe de sécurité : il ne peut y avoir de surpression dans un circuit ouvert ;
Vase d’expansion : l’eau chaude prenant plus de place que l’eau froide le niveau ce celle-ci varie dans le récipient (le dimensionnement du récipient est à calculer fonction de la quantité d’eau dans le circuit) ;
Purgeur automatique : sa position en “point le plus haut” permet aux bulles d’air de remonter à ce point et de s’échapper à l’air.

Les inconvénients du circuit ouvert :

Tous les environnements de plomberie ne permettent pas d’avoir de vase ouvert en point haut ;
Il introduit dans le circuit de l’oxygène pouvant provoquer une corrosion prématurée des conduits. Un peu d’huile en surface pallie à ce problème.

Pour allez plus loin (p57).

Au départ, j’étais parti pour acheter un vase ouvert, mais pour une si petite installation, je ne trouvais pas vraiment chaussure à mon pied. J’ai fini par percer un verre en plastique et à bricoler un passe paroi de plomberie, ça fait le job… En effet on considère 2-3% d’expansion de l’eau de 0 à 80°C. De mon côté, toute ma tuyauterie abrite ~2L d’eau ; il fallait donc que mon vase ouvert soit capable d’encaisser un différentiel de 2L*3%=0.06L soit 6cl. Même pas besoin d’une pinte !

Installation

Voici donc l’installation / le schéma de plomberie qui permet de tester / comparer :

Le circuit ouvert/fermé (sous pression) grâce à une vanne 3 voies en partie haute pour passer du vase ouvert au purgeur d’air ;
Le thermosiphon ou le circulateur électrique par un “by pass” en partie basse

Mesures

Pour caractériser les échanges thermiques, j’ai repris le travail que j’avais produit pour le banc de test, en y ajoutant des capteurs de débit YFS201. Ceux-ci sont hors du circuit en thermosiphon, car j’avais peur qu’ils gênent le fonctionnement de celui-ci, et je n’étais pas sûr qu’ils soient suffisamment sensibles pour enregistrer le doux mouvement du thermosiphon.

Pour les capteurs de température, j’ai utilisé des DS18B20 en doigts de gant sur des tés en laiton.

Sur le test avec l’échangeur inox dans les fumées, j’ai eu peur de dépasser la température max des DS18B20. J’ai donc mis des thermocouples, mais ça s’est avéré inutile : la température max des DS18B20 n’a pas été dépassée, même dans ce cas.

L’instrumentation n’est pas d’une précision folle, les conditions sont des conditions en situation (et non en laboratoire). Les sondes de températures sont plutôt précises ; le débitmètre, lui, un peu moins :

Fréquence de 1s	Résultat au débitmètre	Résultat au verre doseur
Robinet en continu 1 (en L)	0.97	1.15
Robinet en continu 2 (en L)	1.2	1.5
Robinet ouvert à petit débit	0.57	0.82
Ouvert aléatoirement	1.04	0.75

Sonde ECS : la sonde de température ECS n’est pas très juste. En effet, elle est en sortie de ballon. Je pensais que c’était plutôt stable à cet endroit mais après sur-isolation, ça ne s’avère pas très vrai… C’est pour ça que je “tire” un peu d’eau de temps en temps dans les résultats (~1 fois par heure), pour avoir un “vrai relevé” de la température dans le ballon… La vérité doit même se trouver 2-3°C au dessus (à cause de l’inertie des raccords laitons). Je n’avais pas envie de percer mon ballon pour l’expérience. J’ai tenté de “rallonger le doigt de gant” en soudant une tige filetée au bout, mais ça n’a pas tenu.

Une solution non explorée aurait été un passe paroi avec un thermocouple : le thermocouple aurait pu “se glisser” jusqu’à l’intérieur du ballon par l’évacuation.

Échangeur de surface

Apposer un échangeur de chaleur (tuyau en contact avec la paroi extérieure du poêle) noyé dans de l’enduit.

Cette solution d’échangeur en surface du poêle semble plus intéressante pour plusieurs raisons :

Plus pérenne : pas d’usure des matériaux car, même en Inox réfractaire, le contact avec les gaz de combustion (acides) entraîne une corrosion et la suie/goudron se dépose sur des tubes froids ;
Pas de risque de dégrader la combustion ;
Moins dangereux : peu/pas de chance de faire monter l’eau à 100°C (et donc changement d’état) sur cette zone exposée à l’air donc simplification du montage (moins d’organe de sécurité nécessaire).

Aux rencontres de l’AFPMA, André De Bouter nous à parlé de ce système de récupération de chaleur en surface du poêle, notamment développé par Tigchelaar. Il préconise d’utiliser un tube cuivre recuit 5mm intérieur « plié » à l’horizontal (comme derrière un réfrigérateur) environ tous les 10cm, noyé dans l’enduit sur l’extérieur du poêle de masse ; et un circulateur pour gérer la circulation.

Nous allons partir sur cette base, mais ayant la volonté d’expérimenter le thermosiphon, il va falloir augmenter le diamètre du tube en le passant à 16-18mm.

Mise en œuvre

J’ai emprunté une cintreuse à un copain plombier (le 16-18 ça ce tort pas comme ça) et après avoir déroulé mon tuyau de recuit, j’ai fait mes “S”. Une fois mon échangeur en forme, j’ai appliqué une barbotine de terre en accroche sur les briques du poêle. Par précaution, j’ai aussi mis 3 vis à béton pour “porter” l’échangeur (serré avec du fils de fer). J’ai ensuite appliqué une première couche d’enduit terre-sable et, sans attendre que celle-ci soit sèche, j’ai noyé l’échangeur dedans (histoire de maximiser le contact entre le poêle et l’échangeur). J’ai ensuite sanglé des bastaings autour du poêle le temps du séchage. Quand celui-ci a été sec, j’ai appliqué une autre couche d’enduit terre. Bien sûr, cet enduit est tramé pour tolérer la dilatation du cuivre / des briques avec les différences de températures.

Relevés

Pour tous ces relevés, la charge de bois est à 3kg avec un poêle tiède (allumé la veille) ; la flambée dure environ une heure.

Mode thermosiphon, circuit ouvert (hors pression)

Les données : 2021-11-25_09-31.ods
Nuance : charge à 3,1kg

Mode circulateur ~2l/m, circuit ouvert (hors pression)

Les données : 2021-11-24_08-36.ods

Mode circulateur, circuit fermé (sous pression à 2 bars)

Les données : 2021-11-26_09-00.ods
Nuance : départ de feu un peu lent

Constats

Ce qu’on peut dire, c’est que plus la température de départ du ballon est froide, plus celle-ci à tendance à monter.

Départ à 29.7°C pour le relevé 2021-11-26_09-00 = +7°C
Départ à 28°C pour le relevé 2021-11-24_08-36 = +6.4°C
Départ à 26°C pour le relevé 2021-11-25_09-31 = +11°C

Il ne semble pas y avoir de différence profonde entre le mode circulateur ou thermosiphon ainsi que le mode circuit ouvert ou fermé.

Évaluation

Avec les mesures du banc de l’hiver 2021 nous connaissons la restitution de chaleur de la paroi sur laquelle l’échangeur a été installé : CR:InSitu2Hiver2021

Arthur nous a fait un beau tableau : Calcul_puissance_échangeur_de_surface.ods ‎

Il en ressort que l’ensemble de l’installation (échangeur en surface du poêle + tuyauterie + échangeur dans le ballon) nous amène à un rendement de 13%.

La forme de l’échangeur

En escalier

La forme de l’échangeur joue un rôle. En discutant avec un plombier, il en ressort qu’une forme “en escalier” (comme les anciens radiateurs en fonte) peut être pertinente pour maximiser l’efficacité du thermosiphon mais aussi, sur une même surface, avoir plus de longueur de tuyau.

Mais la fabrication d’un tel échangeur s’avère très complexe. Je suis plutôt novice en brasure, et je n’ai pas réussi à mener le projet au bout sans qu’il y ait de fuite. La difficulté ici, c’est la concentration des soudures qui fait que si on en chauffe une, les autres autours bougent…

En bobine

Échangeur de surface – Extrait livre poêle de masse accumulation chez Terre Vivante

Une autre voie qui n’a pas été expérimentée, c’est la voie “en bobine”. Attention tout de même : les bulles d’air pourrait être d’autant plus nombreuses.

Échangeur dans les fumées

Avertissement

Le fabricant de poêle de masse néerlandais Tigchelaar avait arrêté l’installation de leurs échangeurs (dans les fumées) car souder des pièces d’inox réfractaire, c’est pas simple et le coût de fabrication est élevé…

Dans le livre « poêle à accumulation » des éditions Terre Vivante il est dit :

Si l’échangeur est placé dans le flux des fumées, le système doit toujours être muni d’une régulation que l’on appelle « sécurité antiretour froid » afin d’éviter que l’eau qui entre dans l’échangeur ait une température inférieure à 50°C. Une eau froide (à température du réseau) pourrait provoquer une condensation acide et ronger l’échangeur même inoxydable. Si l’eau entrant dans l’échangeur est trop froide, une vanne à trois voies permet de la mélanger avec celle qui en sort et qui est déjà chauffée. Il est éventuellement possible de remplacer ce système coûteux par un mitigeur.

Avec un circulateur, il est nécessaire de faire une “boucle” pour ne jamais injecter de l’eau trop froide dans l’échangeur (qui se trouve dans le passage des fumées chaudes) afin de limiter l’effet de corrosion.

Dans le support Oxalis, il est dit :

La circulation est déclenchée par une régulation électronique ou un interrupteur thermostatique entre 70 et 80° pour limiter le risque de condensation autour de l’échangeur. La sonde est fixée à la sortie de l’échangeur par un collier métallique.

La sonde en sortie est là pour couper le circulateur si jamais l’eau devient moins chaude dans le circulateur que dans le ballon, ceci pour éviter de refroidir le ballon bien sûr.

Oxalis semble considérer l’échangeur Inox dans les fumées comme un consommable à changer de temps en temps… Le risque est modéré dans le cas d’un auto-constructeur qui a conscience de cette contrainte, d’autant que dans le cas d’un circuit fermé, le plus gros drame serait d’avoir ~2L d’eau dans le poêle. Ce risque est par contre peut être trop important sur un poêle installé par un professionnel.