Siphon Echangeur Concentrique pour douche

- Ne jetez plus l'énergie de l'eau chaude dans l'égout !
- Préchauffez l'eau froide avec une puissance de 1500 Watts pendant que vous prenez votre douche.
- Réduisez de 20% la consommation de votre chauffe-eau ou chaudière.

1) L'idée

(septembre 2005)
- On prend des douches souvent (environ une fois par jour par personne)
- Quand on prend une douche, l'eau chaude passe quelques secondes sur le corps et puis elle est jetée dans l'égout.
- Pendant ce temps, l'eau froide entre dans le chauffe-eau ou la chaudière.
L'idée est de pré-chauffer l'eau froide avec la chaleur de l'eau que l'on jette à l'égout.
Un échangeur de chaleur eau-eau permet de réaliser cettte fonction entièrement passivement (pas de régulation ou d'électricité nécessaire).

Le but est de baisser de manière significative l'énergie consommé par les douches (-20%)

Notes :
- Ce système n'est pas efficace pour un bain car, au moment où l'on vide la baignoire, il faudrait stocker la chaleur pour le prochain bain.
- Pour être encore plus économe en énergie et en eau, il faudrait imaginer des cycles de lavage rinçage comme dans un lave vaisselle (et ceux qui font pipi sous la douche seront bien punis !!!)
- Pour faire des économies, commencer par installer une douche avec un faible débit et qui "mouille bien" (5 litres/minutes) au lieu d'un modèle ancien (15 litres/minutes) ou américain (30 litres/minutes).
- Avant de réaliser ce genre d'échangeur, vous devez avoir un habitat bien isolé avec un système de chauffage économe, y compris pour la production d'eau chaude. Plus d'info sur les pertes d'un ballon électrique.

Note 2008 : et pour continuer sur la lancée, nous travaillons sur le projet "Owbox, la maison intelligente". Tout ce qu'il faut pour optimiser le reste de la maison

2) Les contraintes

Une douche est courte et non continue : se mouiller (1 mn), arrêter l'eau, se savonner (1 mn), se rincer (3 mn), l'échangeur doit avoir une inertie faible et marcher en flux tendu (les occupants ne prennent pas forcément leur douche les uns à la suite des autres).
L'eau est peu sale (savon, cheveux, etc)
L'échangeur ne doit pas s'encrasser, ou pire, se boucher dans le temps.
L'espace sous la douche ou la baignoire est généralement faible et horizontal.
Dans le cas d'une baignoire, il ne faut pas ralentir le vidage d'un bain.

3) Les prototypes

3 petits modèles (a, b, c) ont été testés sous le lavabo. Débit du robinet 7 l/mn.

a) Tube PVC : le tube d'arrivée d'eau en cuivre passe au milieu du tube d'évacuation standard (Février 2006)
Simple et économique, mais les cheveux restent coincés sur le tube en cuivre situé au milieu..

1) Caractéristiques
évacuation pvc 40 mm
entrée ballon tube cuivre 16 mm
diamètre intérieur pvc 33 mm, tube placé à 2 mm du fond.
pente 1 cm/m
longueur utile 60 cm
longueur totale 95 cm
échangeur à contre courant
quantité d'eau dans le tube cuivre 0.15 l (+0.16 l pour le retour)

robinet thermostatique ouvert à fond 7 l/mn, hauteur eau 23 mm (5 mm au dessus du tube)
soit la section d'un tube cuivre 24/26 (455 mm²)

pâte thermique entre tube cuivre et sonde de température (indispensable pour la conduction de la chaleur entre le tube et la sonde)
thermomètre enregistreur : des sondes de température 1-wire DS18B20 connectées à une box sous linux.
silicone entre bouchons pvc et tube cuivre trop fragile (j'avais prévu des presse étoupes, mais dans ce cas il faut plier le tube pour qu'il soit au centre du bouchon et au fond du pvc).

2) Mesures :
températures mesurées après 3 mn de fonctionnement (degrés celsius).
eau froide 10.1
eau ballon 55.1
bonde 37.8
égout 35.6 (sonde placée apres le siphon)
eau échangeur 14.4
bonde = 62% ballon + 38% eau froide
inertie 1 mn environ

différence entre eau froide et bonde 27.7
gain en température 4.3, soit 2.7 corrigé (débit plus faible eau ballon que bonde)
gain 16 %, soit rendement échangeur 10 %.
9 % d'économie sur l'eau chaude des douches (eau froide 10, ballon 60 degrés, moitié eau froide et ballon).
Puissance 1200 W

3) Extrapolations :
avec 4 m d'échangeur, rendement 50 %.
température d'eau d'entrée du ballon à 29 degrés.
38% d'économie sur l'eau chaude des douches.

avec 6 m d'échangeur, rendement 65 %.
température d'eau d'entrée du ballon à 32 degrés.
44% d'économie sur l'eau chaude des douches.

avec 8 m d'échangeur, rendement 75 %.
température d'eau d'entrée du ballon à 34 degrés.
48% d'économie sur l'eau chaude des douches.

b) 2 tubes soudés : la soudure effectue la conduction de chaleur entre les 2 tubes en cuivre (avril 2006)
Problème : surface de la soudure trop faible, 10 fois moins efficace que le tube en cuivre au milieu du tube PVC.
Solution abandonnée très rapidement.

1) Caractéristiques
évacuation cuivre 20 mm intérieur soudé à l'entrée ballon tube cuivre 16 mm
pente 0 cm/m
longueur utile 48 cm
longueur totale 90 cm
échangeur à contre courant
quantité d'eau dans le tube cuivre 0.15 l (+0.16 l pour le retour)

robinet thermostatique ouvert à fond 7 l/mn, tube plein
silicone entre pvc et tube cuivre fragile.

2) Mesures :
températures mesurées après 3 mn de fonctionnement (degrés celsius).
eau froide 13.3
eau ballon 52.2
bonde 37.1
eau échangeur 14.0
bonde = 62 % ballon + 38 % eau froide
inertie 1 mn environ

différence entre eau froide et bonde 24.8
gain en température 0.7, soit 0.4 corrigé (débit plus faible eau ballon que bonde)
gain 3 %, soit rendement échangeur 1.6 %
Puissance 180 W

c) Siphon échangeur concentrique (mai 2006)
2 tubes en cuivre concentriques, eau usée à l'intérieur.

C'est la solution à retenir.

Fichier Excel contenant les mesures EauGriseConcentrique.xls
Le prototype est toujours en service et le restera.

d) Grand modèle concentrique testé sous la baignoire (Octobre 2006)
Longueur d'échange 5.2 m (4 x 1.3 m)
Longueur 1700 mm, largeur 130 mm, hauteur 80 mm.
Problème : débit trop faible (3 l/mn), c'est dû aux "2 étages".

4) SECECS (Siphon Echangeur Concentrique Eau Chaude Sanitaire)

Pourquoi un siphon échangeur ?
Avantages :
- pas de dépôts secs qui sont isolants thermiquement.
- les dépôts humides sont plus faciles à nettoyer.
- si le débit est faible ou si l'utilisation est intermittente : l'eau reste plus longtemps et augmente le rendement.

Inconvénients :
- eau stagnante en plus grande quantité que dans un siphon normal.

5) Caractéristiques

Dimensions :
Longueur 1700 mm
Largeur 130 mm
Hauteur 30 mm (100 mm au niveau des raccords ECS)
Poids 3.5 kg
Quantité d'eau sanitaire 0.56 l, eau usée 0.9 l
Raccordement ECS 15/21 (diamètre 16)
Raccordement baignoire 40/49, égout diam 40
Longueur d'échange 2.6 m (2 x 1.3 m)
Echangeur à contre-courant

Débit 6 l/mn
Trop plein pour vidage baignoire (la baignoire de 100 litres se vide en 6 mn).
Si le siphon-échangeur est bouché, quelques centimètres d'eau restent dans la baignoire afin de voir le non fonctionnement de l'échangeur.

L'échangeur est prévu pour être posé à plat sous la baignoire
Vidange facile pour hors gel non prévue dans cette version

Prix du cuivre en sept. 2006 : environ 100 euros.
Valeur du cuivre au poids si recyclage 14 euros. (4 euros/kg ?)

Performances :
- Préchauffage de 8 degrés.
- Inertie 1 mn 30

6) Réalisation

(décembre 2006)

Positionner l'échangeur le plus bas possible pour assurer un débit suffisant.
Soudures effectuées à l'étain-cuivre.

Liste des pièces
L'échangeur est réalisé avec des raccords en cuivre de plomberie. Certain raccords sont soudés sur l'extérieur, d'où la difficulté du choix des diamètres.

Pour 2 échangeurs de chaleur concentrique
2 x tube 28/26 de 1.25 m
4 x réduction M28-F22
4 x tube 22/20 de 20 mm pour éviter la butée de la réduction afin d'enfiler le tube de 20/18
=> supprimer la bavure intérieure laissée par le coupe tube avec un couteau
2 x 1.43 m tube 20/18
4 x mamelon 20-M20X27
3 x mamelon 16-M15X21
2 x coude 90° FF 16
1 x té F16-F16-F16
1 x bouchon F15X21 (pour le contrôle de l'entartrage du tube intérieur)
1 x tube 16/14 de 200 mm
1 x tube 16/14 de 250 mm
2 x tube 16/14 de 15 mm

Pour 1 demi-tour avec entre-axe 100 mm
2 x raccord 2 pièces coudé 20-F20/27
1 x tube écroui 20/18 35 mm

Pour 1 sortie évacuation (vers égout)
1 x tube 20/18 de 0.2 m
1 x raccord 2 pièces coudé 20-F20X27
Attention le tube de 20/18 ne doit pas redescendre avant l'augmentation de diamètre (PVC) pour éviter de siphoner l'échangeur et de provoquer des bruits de glou-glou.

Pour 1 entrée évacuation (vers douche)
1 x 0.2m tube 20/18
2 x raccord 2 pièces coudé 20-F20X27

Pour 1 siphon trop-plein
1 x raccord F32 M20x27
1 x té F32
1 x bouchon M32
4 x té F40
1 x douille M40 F40x49
2 x coude 90° MF40
1 x bouchon M40
3 x coude 45° MF40

L'échangeur n'est pas isolé, en effet la température de l'eau froide est moins chaude que la salle de bain et la température en sortie de l'échangeur est seulement quelques degrès plus chaude que la salle de bain. Vu le prix de l'isolant en matière non écologique, je ne l'ai pas jugé utile.

7) Mesures

Les mesures ont été réalisées avec des sondes de température 1-wire DS18B20 connectées à une box sous linux.

1 mn début 1ère douche, 4 mn fin 1ère douche.
15 mn début 2ème douche, 21 mn 30 fin 2ème douche.

températures mesurées après 3 mn de fonctionnement (degrés celsius) :
eau froide 12.7
eau ballon 58.9
sortie douche 38.6
bonde 33.6
eau échangeur 19.7
bonde = 51 % ballon + 49 % eau froide
inertie 1 mn

différence entre eau froide et bonde 20.9
gain en température 8.5, soit 4.3 corrigé (débit plus faible eau ballon que bonde)
gain en énergie 21 %, rendement échangeur 41 %
Puissance 1440 W

Fichier Excel contenant les mesures SECECS2.xls

Si l'on se rase quelques minutes après une douche, l'eau en sortie de l'échangeur est à plus de 30 °C, l'inertie est suffisante pour la quantité d'eau consommée. Donc "on rase gratis" !

8) Autres solutions existantes

a) Un échangeur de chaleur vertical est en vente au Canada : GFX (photo)
Je suis curieux de savoir si l'eau sale se répartit bien autour du tube avec le temps, surtout si l'évacuation des toilettes passe aussi par l'échangeur !

b) Réchauffer l'eau froide avant le mitigeur de douche :
Je ne pense pas que cela soit une bonne idée car il est préférable d'avoir de l'eau froide toujours froide, de plus cela nécessite un bon robinet thermostatique sinon le réglage eau chaude/eau froide risque d'être instable.
Avantage : récupération de la chaleur au plus près de l'utilisation.

c) Réchauffer l'eau froide avant le mitigeur ET le chauffe-eau :
Meilleur rendement global car toute l'eau utilisée passe dans l'échangeur, mais même problème que b) et eau d'entrée dans le ballon moins chaude.

9) Conclusions

Ce système me donne satisfaction après 6 mois de fonctionnement.
Néanmoins, le débit est un peu trop faible (5 l/mn). Il faudrait soit avoir plus de hauteur sous la baignoire, soit augmenter le diamètre (cela augmentera l'inertie et dans ce cas le trop plein de vidage baignoire n'est plus nécessaire). C'est gênant quand on rince la baignoire, il faut 15 s de patience et puis on a un peu l'impression que l'évacuation est bouchée car le débit est lent. Le débouchage éventuel par ventouse est moins efficace à cause du trop-plein.

Cet hiver, la facture d'électricité du ballon a baissé d'environ 20 % (ballon utilisé par 2 personnes, je n'ai pas de compteur d'eau chaude)
En 2007, vu le prix du cuivre et du kW/h (0.066 centimes d'euros en HC), le retour sur investissement est de 8 ans environ si le prix de l'énergie n'augmente pas.
Etant donné les différences de température de l'eau froide entre l'été et l'hiver (8 degrés chez moi), avec l'échangeur, maintenant en hiver c'est comme si on était en été avant.

Je pense qu'il serait intéressant de réaliser un autre modèle de diamètre plus grand (tube de 28 intérieur et 35 exterieur), pour assurer un débit plus élévé et supprimer le trop plein de vidage baignoire qui complique l'installation sous la baignoire. Une légère augmentation du temps de vidage de la baignoire ne doit pas être un problème.

10) Un an plus tard

(mars 2008)

Après un an et 4 mois d'utilisation sans aucune maintenance, le débit s'est réduit à 3 l/mn, mais le gain en température n'a pas baissé. Les performances sont divisées par 2 et l'inertie du système est augmentée à cause du débit trop faible.
Il y a une pâte grise non adhérente partout : le gras des gels douche.

Après un nettoyage rapide avec un fil de fer crochu, le siphon échangeur a retrouvé immédiatement ses performances d'origine.

Il faudrait faire un "rinçage" en ajoutant un robinet (ou une électrovanne), pour faire couler l'eau de la ville dans l'échangeur une fois par mois. La pression du réseau est suffisante pour évacuer rapidement la pâte grise qui n'adhère pas au cuivre.

A noter que le prototype en service sous le lavabo n'a jamais eu besoin d'être nettoyé.

11) Deux ans plus tard

(janvier 2009)

Après une nouvelle année d'utilisation sans maintenance, le débit s'est à nouveau réduit à 3 l/mn.
Ajout d'une vanne de rinçage pour nettoyer sans démonter : ouvrir la vanne 10 secondes et c'est reparti pour plusieurs mois.
Attention, la séparation doit être complète entre le réseau d'eau potable et le siphon-échangeur : installez impérativement un clapet anti-polution ou mieux un disconnecteur.
Le vidage rapide de la baignoire a été supprimé, cela permet de diminuer de 50 % la consommation d'eau chaude si l'on fait la vaisselle pendant le vidage de la baignoire.

Ce siphon échangeur concentrique semble assez fiable pour fonctionner de nombreuses années.

(juillet 2009)

Mesures de température sur www.owbox.com

12) Trois ans plus tard

(mars 2010)

Rien a signaler. Plus de 400 douches prises sans chauffer l'eau, utilisation par 2 personnes en 3 ans.
Maintenance : 3 ouvertures de la vanne de rinçage pour nettoyage.

13) 4 ans plus tard

(février 2011)
Synthèses des messages reçus :

- D'abord Merci aux nombreuses personnes qui m'ont envoyé un message de félicitation.

- Quelques personnes sont sceptiques quand au coût / complexité de réalisation, car le prix de l'énergie n'est pas encore assez élevé, je leur répondrais qu'il faut prévoir l'avenir et expérimenter.

- Quelques autres personnes mettent en garde contre le non respect de la réglementation sanitaire imposant la séparation du réseau d'eau potable.
L'eau usée pourrait aller dans le réseau si la conjonction des choses suivantes ce produit : le cuivre entre ECS et le siphon se perce, alors que l'eau de la maison est coupée et que l'on vide la baignoire.
Le tube central devrait donc être en acier inoxydable genre 1.4404

Maintenance : 4 ouvertures de la vanne de rinçage pour nettoyage. Le prototype en service sous le lavabo n'a toujours pas eu besoin d'être nettoyé.

14) 6 ans plus tard

(février 2013) Rien a signaler; maintenance habituelle.

A noter : Un produit professionnel utilisant le même principe du siphon, mais avec un échangeur a plaques pour une installation plus compacte et plus performante, est en vente chez EHTech.

15) 9 ans plus tard

(juin 2016) Maintenance habituelle.

16) 12 ans plus tard

(janvier 2019) Maintenance habituelle.
Le prototype en service sous le lavabo a eu besoin d'être nettoyé car une pélicule, du a l'utilisatation de crèmes grasses, c'est formée sur le tuyau pvc en amont, cette pélicule de 2 mm c'est décolée et a bouché l'entrée, la ou le diametre se réduit.

En conclusion, il est préférable d'avoir une hauteur d'eau importante (> à 30 cm ?) pour limiter l'encrassement et assurer un bon débit. Mais cela n'est pas possible dans mon appartement.

Courbe de température en temps réel

Si vous prenez une douche tous les jours, en un an ce système permet d'économiser l'énergie pour chauffer 73 douches.
La meilleure énergie est celle que l'on ne consomme pas.

Si vous réalisez un échangeur de chaleur, écrivez-moi : siphon.echangeur @ free.fr