Technique

Nos ballons d'eau chaude

Quels sont les différents types de ballons de production d'eau chaude ?
Comment fonctionnent-ils ?
Nous allons répondre à ces questions pour mieux orienter le choix des caravaniers.

Aussi, pour qu'ils adoptent un usage plus rationnel afin de les rendre plus performants.
J'ai fait cet article en prélude de l'étude d'un ballon à fonctionnement électrique mixte 12/230v, de ses probables modifications, et de son installation.
Celà sera bien sûr, l'objet d'un autre article.
Bonne lecture à tous
Ce sujet intéressera principalement ceux qui comme moi utilisent en permanence le ballon d’eau chaude de leur caravane. Ce ballon est à 90% des cas, le fameux Trüma therme TT2 d’une contenance nette de 5 litres et d’une puissance de 300w en 230v et chauffant l’eau à 65°.
 

 
D’autres systèmes de production d’eau chaude existent pour nos caravanes :
 
Les boilers à gaz :
D’une contenance de 10 à 14L, puissance du bruleur 1500w, consommation 120g/h. Ils nécessitent obligatoirement une ventouse pour l’évacuation des gaz brulés. Leurs  prix varient de 750 à 1000€. L’installation ne peut être faite que par un professionnel agréé en circuit de gaz, non pas par un réparateur de caravanes ! Dans la condition d’une installation complète et non pas d’un remplacement du boiler.
Ce type de boilers offre une dépendance totale et une autonomie appréciable. Un réservoir de 13kg de propane autorise une autonomie de près de 110h de fonctionnement. En sachant que pour chauffer les 14L à 70° il faudra 50mn.
 

 
Les boilers mixtes à gaz et au 230v :
D’une contenance variant de 10 à 14L, c’est la panacée, ils offrent non seulement l’indépendance des appareils fonctionnant au gaz, mais permettent de fonctionner au 230v dès lors qu’on est en camping ! Leurs prix varient de 1000 à 1200€. Ces chauffes eau doivent également être installés par un professionnel agréé en circuit de gaz (pas en cas de simple remplacement du boilers). Comme ses homologues ci-dessus, il faudra trouver une place appropriée dans la caravane pour installer la ventouse contre la paroi, cependant des kits existent pour leurs installations au-delà de la paroi. Néanmoins, rien n’est parfait…si la consommation au gaz est la même que ceux, ci-dessus, la consommation électrique est très importante, tout au moins en camping, là, où les ampères nous sont comptés. En mode électrique, ces boilers consomment 850w, soit 3.7a. Les 2 sources d’alimentation peuvent être cumulées pour réduire le temps de chauffe, les 14L seront à 70° environ en 25mn.
 

 
Les chauffes eau instantanés :
Ces appareils, compte tenu de la forte puissance qu’ils doivent délivrer pour chauffer de l’eau à 50° en mode instantané et continu, ne peuvent fonctionner qu’au gaz. De plus, si la température de l’eau est plus faible que celle produite par un ballon, le débit l’est également ! Il varie de 4 à 5Lmn. Leurs consommations de gaz est énorme, de 900 à 1200g/h, mais il faut tenir compte que leurs mises en service est de courte durée !
Leurs prix varient de 400 à 600€. Certains modèles, les moins chers, s’installent sur l’évier et ne sont équipés que d’un robinet mitigeur. D’autres modèles peuvent être installés soit sur l’évier, soit en un autre endroit approprié mais dont la hauteur sera suffisante (plus de 80cm de haut). Ces modèles, nettement plus chers, alimentent tout le réseau hydraulique de la caravane par un système interne de pompe ou d’eau de ville. Tous les chauffes eau instantanés sont équipés d’une cheminée de toit pour l’évacuation des gaz brulés, comme ils doivent également être installés que par un professionnel agréé en circuit de gaz (sauf si uniquement changement de l’appareil).
 

 
Les boilers électriques 230v :
Ce sont les plus fréquemment utilisés, l’intérêt de ces appareils est de pouvoir les installer soi-même. Leurs contenances sont très variables, elles vont de 3.5 – 5 – 6 – 10 -12 - 15 - 20 et 25L. Leurs puissances électriques vont de 200 – 300 – 750 - 1500 à 2000w. Ces derniers ne sont utilisés que pour des caravanes de GDV, ils sont trop énergivores pour les campings. Leurs fabrications est pour le plus souvent en ABS, mais certains modèles ont des cuves acier, certains même des cuves inox.
Certains de ces ballons ne sont pas prévus pour être alimentés par une pompe à pressostat et d’un clapet anti retour, c’est le cas du TT2.
 



 
Les boilers électriques mixtes 12/230v :
Ces modèles sont de tailles et de puissances réduites, mais ils offrent l’avantage de pouvoir produire de l’eau chaude à partir de la batterie de bord.
Leurs contenances varient de 3.5 à 6L, leurs puissances en 12v est de 200w et de 330w à 660w en 230v.
Cà parait peu, mais c’est en réalité largement suffisant ! N’oublions pas que 6L d’eau chaude à 65° délivreront 12L d’eau mitigée à 42°, 15L à 33°. L’intérêt de ces chauffes eau mixtes est de disposer d’un thermostat qui permet de réduire ou d’augmenter la température en fonction de la source d’alimentation électrique. Tous ces ballons sont prévus uniquement pour fonctionner avec des pompes immergées et sans clapet anti retour.
Lors d’une étape sur la route, une batterie de bord est parfaitement capable d’alimenter le chauffe eau 1h durant (200w = 17ah). Il faudra installer le chauffe eau à proximité de la batterie afin de limiter la longueur de câble et sa section.
Une batterie de bord telle que l’Optima Yellow gel AGM spiralée 75ah alimenterait très facilement ce genre de chauffe eau. A vrai dire, l’objet de cet article est un peu dû à ma recherche et développement sur cette idée. Me rendre vraiment autonome en eau chaude sans passer par le gaz.
 



 
Fonctionnement d’un chauffe eau instantané :
 
Dès l’ouverture du robinet, un pressostat déclenche le bruleur à gaz qui reste en stand-by grâce à une veilleuse. Certains d’entres eux, pour les plus chers, ont un déclencheur électrique qui évite l’usage d’une veilleuse à gaz dans le but de l’économiser. Le bruleur très puissant chauffe un serpentin très long et fin dans lequel circule l’eau froide à pression et débit réduits. Pour que l’eau ait le temps de chauffer suffisamment, elle doit circuler lentement dans le serpentin, raison de la pression et débit réduit. Pour que le serpentin soit fortement chauffé afin de délivrer de l’eau suffisamment chaude, il faut que le bruleur fournit une puissance importante, d’où forte consommation de gaz.
Le faible débit a pour principal inconvénient de rendre un prélèvement d’eau chaude assez long, d’où un fonctionnement du bruleur en conséquence.
Ce type de chauffe eau offre peu d’avantages, il est inexistant dans nos caravanes actuelles.
 
Fonctionnement d’un chauffe eau ballon (cumulus).
 
Le terme cumulus est dérivé non pas du principe de cumul d’eau dans un contenant, mais du cumulus qui est un nuage. Le principe d’un ballon s’apparente totalement à ce nuage. Ce dernier est constitué de différentes couches d’eau à températures différentes, ces couches s’appellent les strates, d’où le phénomène de stratification de ce nuage.
Dans un ballon d’eau chaude, on va rencontrer exactement le même processus de constitution de couches d’eau au fur et à mesure de l’échauffement de celle-ci.
Une résistance électrique plongée dans un volume d’eau froide va la chauffer.
Mais, elle ne va pas se chauffer uniformément ! Comme l’eau à une densité qui varie en fonction de sa température, sachant qu’un litre d’eau froide est plus lourd qu’un litre d’eau chaude…au fur et à mesure de l’échauffement de cette eau, l’eau froide descendra au bas du ballon, et, la chaude montera.
C’est pour cela qu’un ballon délivrera de l’eau tiède après seulement quelques minutes de fonctionnement.
Plus l’eau chauffera et plus elle remplacera la couche supérieure qui était tiède. L’eau tiède descendra pour finir d’occuper toute la zone froide. Ensuite l’eau tiède continuant de chauffer va progressivement monter pour finir à remplir totalement le ballon.
Comme l’eau est un isolant, les couches ne se mélangent pas, elles montent de manière uniforme sans se mélanger aux autres couches de températures différentes. Ainsi, au cours de la chauffe d’un ballon, il peut y avoir jusqu’à 10 couches différentes de 5° d’écart.
Pour que le phénomène de stratification fonctionne, il faut impérativement que l’admission d’eau froide soit le plus en bas possible du ballon, et que, la sortie d’eau chaude soit la plus en haut possible. Il faut également que la résistance électrique soit au plus bas du ballon.
Ainsi, lorsque de l’eau chaude est prélevée, l’eau froide entrant dans le ballon et poussant l’eau chaude par le haut, cette eau froide ne se mélangera pas à la chaude, elle restera en couche au bas du ballon permettant ainsi d’avoir à disposition toujours de l’eau chaude à température maxi.
Enfin, pour que le processus de stratification soit le plus efficace possible, et, pour éviter que l’eau froide ne se mélange à l’eau chaude en pénétrant dans le ballon lors d’un prélèvement, il faut que cette eau froide y entre doucement. Pour cela, un by-pass gère la pression et le débit de pénétration. Comme l’eau froide entre doucement, forcément l’eau chaude sort doucement ! C’est pour cela que l’on constate que l’eau bouillante (mitigeur à fond à gauche) sort plus doucement du robinet que de l’eau froide.
 
Fonctionnement du TT2 :
 
Ceux qui ne l’utilisent jamais, il y en a beaucoup d’après ce que j’ai déjà lu, doivent impérativement le déposer. C’est un travail facile qui ne requiert aucune difficulté, et, il pourra être tout aussi facilement reposé en cas de besoins ou de revente de la caravane.
Pourquoi le déposer s’il n’est pas utilisé ? Le TT2 à lui seul pèse 2kg + 5L d’eau = 7kg. Autant supprimer cette masse morte pour une, utile ! Le volume d’eau contenu dans le TT2 ne sera jamais utilisé, il y restera même réservoir d’eau propre vide. Si le TT2 est supprimé du circuit sans pour autant être déposé, c’est toujours 5kg de gagné, car, trimbaler indéfiniment 5L d’eau qu’on ne pourra techniquement pas utiliser, est un peu ridicule.
Ceux qui utilisent de façon sporadique le TT2, qu’ils l’allument lors de besoins spontanés, encore faut-il savoir quant précisément ils auront besoin d’eau chaude en sachant qu’il faut plus de 50mn au TT2 pour monter en température 5 litres d’eau à 65° ? Un usage de cette nature n’est pas rationnel !!! On utilise un ballon d’eau chaude…. ou pas !
Si on ne l’utilise pas, on le supprime, tout au moins en raccordant en direct la conduite souple d’eau froide.
 


Pour supprimer le TT2, il suffit de monter un raccord droit au té du tuyau d'eau froide.
 
Si on l’utilise, il faut impérativement procéder à l’opération d’isolation décrite dans mon sujet…..Vous comprendrez plus bas, pourquoi ? De même, il faut impérativement supprimer le passage d’air chaud dans le ballon, ce transit est le pire ennemi de la chauffe rapide de l’eau, et du refroidissement de l’air chaud qui le traverse ou du réchauffement de l’air frais qui le traverse. A chacun son boulot, le ballon chauffe de l’eau ! Le chauffage chauffe de l’air !
De plus en plus, les constructeurs de caravanes ne montent plus ce système de soi-disant échange thermique, mais ils omettent d’obstruer l’entrée et la sortie de l’échangeur central du TT2, comme ils omettent d’isoler le TT2…finalement, rien n’est fait !
Hobby commet toujours les mêmes erreurs de faire transiter l’air pulsé dans le ballon, et, de ne pas l’isoler.
Alors, je le fais moi-même !
 
Le TT2, malgré beaucoup de remarques peu flatteuses à son sujet, est un ballon qui fonctionne très bien si les modifications indispensables lui sont concédées.
-          1) Suppression du transit de l’air pulsé.
-          2) isolation thermique du ballon.
 


TT2 isolé en Armaflex 19mm avec échange air/eau supprimé.
 
En été, beaucoup d’entre vous n’allument pas ou plus le TT2 car il dégage une température équivalente à un radiateur de 300w. Comme le TT2 est toujours installé soit sous une banquette ou sous un lit, l’espace de ce coffre se transforme vite en fournaise.
Mais ce n’est pas cela le plus grave, si l’eau est à 65°, l’air pulsé qui le traverse dans le but de ventiler la caravane, chauffera par l’action de l’échangeur air/eau. Et, c’est de l’air tiède qui sortira des buses.
Comme l’air en entrant dans le ballon est froid et qu’il en ressort tiède, il refroidit forcément l’eau contenue dans le ballon. De ce fait, l’eau se refroidit en réchauffant l’air et inversement, l’eau en se refroidissant fera déclencher la résistance thermo plongée beaucoup plus souvent. Enfin, comme le TT2 n’est pas isolé, la chaleur de l’eau s’échappe par sa carrosserie pour réchauffer l’air ambiant. Si la chaleur de l’eau s’échappe, l’eau contenue dans le ballon se refroidira et fera pour une raison supplémentaire, déclencher la résistance thermo plongée.
On commence à comprendre pourquoi il faut impérativement supprimer les raisons à l’eau chaude contenue dans le ballon de se refroidir dès qu’elle est chauffée.
L’eau chaude contenue dans un ballon ne doit se refroidir que par un prélèvement au robinet, donc par l’apport d’eau froide dans le ballon. Aucune autre raison ne doit faire que cette eau se refroidit.
Par soucis d’économie d’énergie d’une part, et par autonomie d’autre part.
Mais, il faut savoir que l’apport d’eau froide dans un ballon ne refroidit pas l’eau chaude contenue dans celui-ci, il ne fait que d’en diminuer le volume !!! Le développement de ce processus est mentionné plus bas.
Si l’eau froide est à 18° : le TT2 contenant 5L d’eau à 65°, en délivrera 5L à 65°, ou 10L mitigée à 41°, ou 15L mitigée à 28°.
 
Chez nous à la maison, on peut toucher le ballon d’eau chaude, il est froid ! On constatera aussi qu’il ne sert qu’à chauffer de l’eau, pas de l’air ! S’il a une contenance de 200L à 65°, ceux-ci sont disponibles à 100% même en cours de journée avec le compteur EDF nuit.
 
Comment isoler très efficacement son TT2 ou un autre ballon similaire ?
 
Evidemment ma méthode perso avec de l’Armaflex 19mm est de loin la meilleure et la plus esthétique, c’est aussi celle qui prend le moins de place. Mais on peut isoler le TT2 thermiquement à 95% de la méthode que j’utilise.
Par exemple : Le loger dans un coffre en CP dont les dimensions intérieures seront plus grandes de 50mm sur chaque face, puis le bourrer de laine de roche. Si le TT2 est entièrement calfeutré de laine de roche dans un coffre, qui lui, est fixé au plancher, le TT2 n’a pas besoin d’être fixé.
On peut aussi simplement l’enrouler dans de la laine de roche aluminisée de 100mm d’épaisseur, et, le sangler au plancher. Ce qui compte est l’efficacité, non pas l’esthétisme !
Ce qu’il faut obtenir impérativement, est qu’aucune perte de chaleur ne se dissipe du TT2.
S’il est rangé dans un coffre en CP, il faut que le couvercle supérieur soit démontable par quelques vis. Ce coffre doit être froid au toucher après plusieurs heures de fonctionnement du TT2, sur toutes ses faces, y-compris celle du dessous !!!
Un TT2 parfaitement isolé donnera des résultats qui en encourageront beaucoup à le mettre en service.
Car le mien, ne se déclenche que lors de prélèvement d’eau chaude, et, il met environ 15mn pour atteindre les 65° suite au prélèvement de 3L. Autrement dit, en camping il ne perturbe en rien la disponibilité d’ampérage si faible peut-elle être (1.3a) !
 

 
Pourquoi le volume d’eau chaude contenu dans un ballon est disponible à 100% ?
 
Comme déjà dit, la densité de l’eau varie en fonction de sa température, plus elle est froide plus elle descendra, plus elle est chaude, plus elle montera ! Cela déjà suffit à démontrer que l’eau ne peut pas former un mélange intime, elle se décantera en fonction de ses couches de différentes températures. Ces couches sont les strates, d’où le terme scientifique de stratification de l’eau.
Cette loi physique est naturellement valable dans tous contenants, quels qu’ils soient : lacs, océans, nuages, piscines, casseroles, et ballons d’eau chaude.
La stratification empêche l’eau froide de se mélanger à l’eau chaude, mais dans un contenant, il n’y a pas que de l’eau froide et de la chaude… ! Il y a aussi de la tiède, de la plus tiède, de la chaude et de la très chaude. Toutes ces couches de températures différentes ne se mélangeront pas, car leur densité est différente. Pour que ce phénomène naturel fonctionne bien, il faut que l’eau soit la plus stagnante possible. Par exemple : dans une piscine avec la pompe de filtration en fonctionnement, le processus de stratification ne pourra pas fonctionner. Mais, au terme de plusieurs heures sans l’action de cette pompe de filtration, la stratification se sera établie de manière très sensible. Il suffira de descendre doucement les escaliers de cette piscine pour sentir nettement la différence de température des couches d’eau. Pour le vérifier scientifiquement, il suffit d’un thermomètre digital équipé d’une sonde filaire lestée, et de laisser plonger cette sonde tous les 20cm. La lecture du thermomètre sera une preuve indiscutable. Les 20cm du fond de la piscine qui en fait au total 150cm ; en haute saison seront de 24° pour remonter tous les 20cm de 1.5°, et arriver au 20cm constituant la surface à 34°. Dès que la pompe se déclenchera et que l’eau sera mélangée uniformément, la stratification disparaitra à court terme et la température uniforme de l’eau sera d’environ de 28/29°.
 
Vous constaterez, qu’à la maison ou dans la caravane, lorsqu’on tire de l’eau froide le débit est plus fort que lorsqu’on tire de l’eau bouillante (mitigeur à fond à gauche), pourquoi ?
Pour maintenir le processus de stratification dans un ballon d’eau chaude il faut que l’eau froide qui entre en poussant l’eau chaude, le fasse doucement pour éviter que celle-ci se mélange à la chaude. Un principe de by-pass réduit la pression de l’eau froide pénétrant dans un ballon. Mais toutefois, il faut s’attarder à ouvrir le plus doucement possible le robinet d’eau chaude pour réduire au mieux le mélange d’eau dans le ballon et ainsi, conserver un maximum d’autonomie en eau chaude.
 
Les règles sont :
1)     La stratification existante d’un ballon n’est pas supprimée par le tirage d’eau chaude.
2)     Prélever l’eau chaude en haut du ballon.
3)     Faire entrer l’eau froide en bas du ballon.
4)     Faire entrer l’eau froide le plus doucement possible pour éviter le mélange de la stratification.
5)     Un ballon bien isolé pour éviter un mouvement perpétuel dû à la convection naturelle de la stratification par l’échappement de la température par la carrosserie du ballon.
6)     Eviter un mouvement perpétuel de la stratification par un échange thermique inadapté.
 
Pourquoi une indépendance énergétique du ballon est-elle indispensable ?
 
Comme expliqué ci-dessus, un ballon n’a de vocation qu’à chauffer de l’eau par un moyen thermique qui sera électrique, au gaz, ou les deux. Mais il ne pourra pas chauffer de l’eau par un élément autre que celui qui lui est destiné. L’air pulsé de la caravane a pour mission, lorsqu’il est frais en été (Airmix) de ventiler la caravane en soufflant de l’air frais aspiré sous son plancher. Or, si cet air frais transit dans un échangeur chauffé par de l’eau chaude ???? L’air, qui, en entrée de ballon était frais, sortira tiédit ! Et, dans le même temps, refroidira l’eau chaude contenue dans le ballon. Double peine…de l’air tiédit pour refroidir un espace de vie, de l’eau chaude refroidie ???? Si l’air pulsé est chauffé en hiver pour tempérer la caravane. Cet air chauffé sera de toute façon inférieur aux 65° de l’eau contenue dans le ballon. Lors de son transit dans l’échangeur, l’air tiède pulsé entrera tiède et en ressortira un peu plus chaud, c’est bien pour le chauffage de la caravane… mais pas pour l’eau chaude qui sera refroidie au contact de l’air tiède.
Donc, en été comme en hiver, ce principe d’échangeur thermique ne servira pas les intérêts de la stratification qui rappelons-le, est indispensable pour prélever l’intégralité d’un volume d’eau chauffé à une température maxi.
 
Pourquoi faut-il un ballon parfaitement isolé ?
 
Pour les mêmes raisons ! Eviter que la stratification soit perturbée voire supprimée par une déperdition de la chaleur par la convection naturelle qui créerait le refroidissement de la couche supérieure d’eau très chaude et de là, la chaine cinétique de refroidissement des couches inférieures jusqu’au déclenchement de la thermo résistance. Aussi, accessoirement, pour éviter de chauffer l’espace dans lequel se trouve le TT2, et, la propagation de cette chaleur dans l’espace de vie de la caravane, surtout en été !!!
Le TT2 tel qu’il est conçu, n’est rien d’autre qu’un radiateur à bain d’eau d’une puissance calorifique de 300w???? Est-ce l’usage auquel il est destiné ? La réponse coule de source, si je puis m’exprimer ainsi….
Je peux affirmer que mon TT2 est isolé à des normes dépassants largement celles actuelles pour le DTU NF C73-221. Grâce à cela, et selon mes calculs et vérifications tous récents, les 5L d’eau froide à 18° sont chauffés à 65° en 38mn. Ces 5L d’eau à 65° sont conservés plus de 24h. L’autonomie est suffisante pour 2 douches mitigées à 40° d’un volume de 3L par douche. Il restera environ 2L d’eau à 65° ou 4L à 40° ou encore 6L à 28°. Bien sûr, ce n’est pas l’autonomie d’une chaudière Aldé, mais pour une étape sur la route, ce n’est pas si mal.
En camping, l’eau chaude de la caravane est très agréable pour se débarbouiller les mains et la figure tôt le matin ou tard le soir, se brosser les dents, etc…Pour les douches, évidemment on ira à celles des sanitaires.
 


Un ballon non isolé se comporte comme un radiateur. La chaleur de l'eau s'évacue et les couches froides 
se reforment au bas du ballon.



Un ballon parfaitement isolé maintien la chaleur de l'eau, aucune couche froide ne se formera.
 
Fonctionnement du processus de la stratification.
 
Dans un contenant :
 

Dans ce schéma n'est représentées que 3 couches.
 
Lors d’un remplissage initial d’eau froide et du chauffage dans un ballon.
 

 
Lors d’un prélèvement d’eau chaude dans un ballon à température uniforme.
 

On voit nettement que l'eau très chaude reste disponible en stagnant en haut du ballon poussée par l'eau froide qui y pénètre. 
 
Lors d’un second prélèvement d’eau chaude et du réchauffage en cours dans un ballon  à température non uniforme.
 


Lors de ses différentes phases, on constate que l'eau très chaude reste disponible à tout instant, puis l'eau chaude la remplacerait au besoin.