Un nouvel essor dans le secteur domestique

En construction domestique neuve (avec une bonne isolation), le chauffage par pompe à chaleur (PAC) connaît un regain d’intérêt.

Les pompes à chaleur Air/Eau domestiques (puissance calorifique nominale entre 1 et 19 kW environ) sont proposées par différents fournisseurs et sont de plus en plus éprouvées. En Europe, le marché des PAC suit une croissance continuelle. Les régions phares sont la Suède (333 000 unités en 2000), l’Allemagne (63 000 unités), la Suisse (61 000 unités) et l’Autriche (33 000 unités). La part de marché de la PAC en construction neuve atteint 95 % en Suède. L’origine hydraulique de l’électricité n’y est sans doute pas pour rien…

Statistiques du marché des pompes à chaleur tous modèles confondus entre 2005 et 2009 dans quelques pays européens.

Source : EHPA Outlook 2009,  Heat Pump Statistics.

La petite PAC de chauffage domestique est disponible de série. Par exemple, pour une maison familiale très isolée dont les besoins thermiques maximums se montent à 8 kW, une PAC compacte de 4 kW de puissance thermique (1.3 kW au compresseur) fonctionnant en mode bivalent peut couvrir près de 70 % des besoins de chauffage annuel.

Ce genre d’appareil se branche sur les réseaux de distribution de chaleur comme les chaudières classiques. Le but des fournisseurs est d’offrir aux acheteurs et aux installateurs une pompe à chaleur qui soit pour eux aussi simple d’utilisation que n’importe quel autre générateur de chaleur.

Fonctionnant en général avec l’air extérieur comme source froide, ces modèles sont universels et demandent des frais d’installation relativement limités (conduites d’amenée d’air,…). Ils peuvent donc être adaptés à des réseaux de distribution existants lors du remplacement d’une chaudière.

Par rapport à un chauffage traditionnel, le bilan en énergie primaire est relativement neutre.

Deux éléments peuvent jouer en faveur de la pompe à chaleur : un environnement particulièrement propice (source) ou un domaine d’application pour lequel elle serait particulièrement performante :

• Il est clair que s’il y a présence d’une source froide de qualité (nappe phréatique, rivière, grande étendue ensoleillée), cette technique devrait tout particulièrement inciter les concepteurs et maîtres d’ouvrages à réaliser des études de rentabilité.

• L’investissement élevé se justifie parfois parce que les PAC sont des outils capables de faire du chaud et du froid. Même si c’est un constat d’échec pour la conception architecturale du bâtiment domestique qui dans nos régions doit pouvoir se passer de climatisation, c’est effectivement un moyen pour corriger le défaut et combattre les surchauffes.

Les lieux d’hébergement collectifs

La solution type, rencontrée par exemple pour les immeubles d’appartements jusqu’à une cinquantaine de logements, est la pompe à chaleur Air/Eau, avec appoint électrique centralisé et distribution par chauffage par le sol. Bien que la pompe à chaleur puisse fonctionner avec les niveaux d’isolation courants, un renforcement de cette isolation est conseillé pour limiter la température de l’eau de chauffage et améliorer ainsi les performances de l’installation. Cette PAC assure une température de base avec des charges de chauffage faibles et laisse à chaque utilisateur le soin de régler sa température de confort via des chauffages d’appoint décentralisés (convecteurs dans les appartements) de faible puissance.

On détecte 3 points faibles à cette installation

• Le chauffage par le sol de nuit, qui ne permet pas une régulation valable (il est possible que le soleil apparaisse le lendemain et que l’accumulation de chaleur de nuit consentie était inutile),

• Le complément électrique centralisé qui se fait avec un COP de 1 et qui donc détruit partiellement la performance de la PAC,

• Les compléments électriques décentralisés qui sont fournis au courant de jour, dont au prix fort.

La pompe à chaleur, pour dégager une économie, devra couvrir plus de la moitié de l’écart de température de base (écart entre la température de confort et la température de dimensionnement). Autrement dit, pour une température intérieure désirée de 20 °C et une température de base de – 10 °C en Belgique, la PAC doit pouvoir fournir seule la chaleur nécessaire jusqu’à une température extérieure de 5 °C pour être rentable.

Il faut éviter de surdimensionner la PAC pour ne pas multiplier les courts cycles et faire face à une usure accélérée du matériel.

Les PAC Air/Eau avec chauffage par le sol peuvent être réversibles et assurer un rafraîchissement (gain de 3 à 5 K). Il ne s’agit pas d’un système de climatisation à proprement parler, mais d’un apport de confort. La température de l’eau dans les planchers rafraîchissants ne descend pas sous 18 °C (température au sol de 20 à 22 °C), même si la charge à absorber en demanderait davantage. Le seul surcoût d’investissement est un système de régulation un peu plus complexe.

A nouveau le choix de la source de chaleur est très important. Ainsi, lorsqu’une nappe phréatique est présente, l’avantage sera donné aux PAC Eau/Eau qui ont une meilleure performance et sont moins limitées en puissance. Les ensembles de logements pouvant assumer des investissements financiers plus importants que les particuliers, ils peuvent également envisager des PAC Sol/Eau avec forage de grande profondeur pour obtenir une plus grande puissance.

L’installation d’un système split consiste généralement en une simple pompe à chaleur Air/Air,

• dont l’évaporateur est placé à l’extérieur,

• et dont le condenseur est soit dans un local technique où il est relié à un réseau de distribution, soit directement dans le local à chauffer, par exemple dans un ventilo-convecteur.

Le transfert de chaleur entre l’intérieur et l’extérieur se fait par le fluide frigorigène qui traverse la peau du bâtiment dans des canalisations calorifugées.

Exemple de produit : Un fournisseur offre une gamme d’installations dont la puissance va de 1 à 8 kW. La distance autorisée entre le condenseur et l’évaporateur est de 15-20 mètres avec des dénivellations d’une dizaine de mètres. Les prix vont de 1 600 à 4 000 €.

Les systèmes split installés directement dans les locaux ont l’avantage de la souplesse d’installation : un simple réseau bitube est suffisant pour le transport du fluide frigorigène, on évite les intermédiaires puisque la PAC chauffe directement l’air du local, il ne faut pas d’accumulateur ni de régulation complexe d’un réseau hydraulique, … en contrepartie, ils présentent un plus grand risque de fuite de fluide frigorigène.

Réversible, la PAC peut aussi constituer une source de rafraîchissement pour l’ambiance.

Lorsque l’on multiplie le nombre d’échangeurs de chaleur, on parle de système multi-split. Les différents échangeurs intérieurs, par exemple un par local, sont alors tous reliés à un (ou plusieurs) échangeurs de chaleur extérieur. Différentes “boucles” sont donc “juxtaposées” avec comme seule interconnexion la ou les unités extérieures.

Un condenseur commun et plusieurs unités intérieures = multi-split.

Exemple de produit multi-split : Un fournisseur propose une gamme standard d’installations multi-split complètes dont l’unité extérieure a une puissance frigorifique maximale allant de 1 à 11,5 kW et une puissance calorifique maximale de 0,9 à 17,2 kW, pour des débits d’air d’environ 2 100 m³/h. La longueur maximale de tuyauterie autorisée va de 35 à 70 mètres au total selon l’unité extérieure choisie dans la gamme. Le branchement de plus de 4 unités intérieures par unité extérieure n’est pas possible. Les unités intérieures peuvent être murales, en consoles, gainables ou en cassette 2 ou 4 voies. Leur puissance frigorifique varie entre 1 et 4,5 kW et leur puissance calorifique entre 1,1 et 6,4 kW. Chaque unité intérieure accepte une longueur de tuyauterie de 25 m. Le prix des groupes de condensation (unité extérieure) est entre 2 285 et 4 150 €, celui des unités intérieures de 585 à 2 235 € pièce.

Climatisation

Pour plus d’informations sur le choix des systèmes splits.

Parmi les systèmes multi-split, un système permet une économie d’énergie en réalisant le transfert de chaleur entre les zones aperditives et déperditives d’un même bâtiment : il s’agit des installations à “Débit de Réfrigérant Variable (DRV)”.

Attention : tous les systèmes DRV ne disposent pas de cette possibilité. Il faut que chaque unité intérieure puisse travailler aussi bien en froid (= évaporateur) qu’en chaud (= condenseur) et que le système organise le transfert de l’un vers l’autre. Cette version de DRV est d’ailleurs 40 % plus chère que la version qui ne peut faire que du chaud ou que du froid, alternativement.

Cette variante, dite “à récupération d’énergie”, est particulièrement intéressante si l’on prévoit des apports internes élevés durant l’hiver : salle informatique, locaux intérieurs, … La chaleur extraite pourra être restituée vers les locaux demandeurs en façade. Elle peut être intéressante également en mi-saison (façades d’orientation différentes).

Ce potentiel augmente également si, au lieu de prendre une structure classique rectangulaire (bureaux en façade et couloir central), une structure carrée avec beaucoup de locaux internes est décidée, ou si des étages enterrés en sous-sol sont programmés.

Climatisation

Pour plus d’informations sur le choix des systèmes à DRV.

Une pompe à chaleur Air/Eau réversible, souvent placée en toiture, alimente en chaud ou en froid le circuit hydraulique du bâtiment, jouant le rôle de chauffage central et de groupe de froid. Le circuit de distribution est constitué de 2 canalisations calorifugées véhiculant l’eau glacée et l’eau chaude. Des ventilo-convecteurs réversibles 2 tubes/ 2 fils émettent l’action calorifique vers l’air des locaux, en apportant si nécessaire un appoint de chaleur électrique direct lorsque les conditions de fonctionnement des locaux sont trop différentes. L’air neuf est apporté et traité par un réseau indépendant.

La régulation de la PAC et le “change over” (basculement du mode chaud au mode froid) sont basés sur la température extérieure. Il est indispensable de prévoir une plage neutre importante entre les températures de basculement pour éviter des alternances trop fréquentes. En effet, le basculement génère une destruction d’énergie importante : l’ensemble de l’eau contenue dans le circuit hydraulique passe d’eau glacée (8 °C) à eau de chauffage (35 °C) ou l’inverse. Idéalement, il y a deux basculements par jour en mi-saison : de chaud en froid dans la journée, et de froid en chaud la nuit.

Avantages

• Économie d’investissement puisque d’une part il s’agit d’un réseau 2 tubes et pas 4, et d’autre part une seule machine fournit l’eau chaude et l’eau glacée au départ d’une seule source d’énergie, ce qui simplifie l’installation.

• Souplesse du système. La PAC peut être remplacée par une chaudière classique et une machine frigorifique sans apporter de modifications importantes au réseau de distribution. L’inverse est tout aussi vrai et cette solution est donc à envisager lors de la rénovation des systèmes de traitement d’air par ventilo-convecteurs.

• Les ventilo-convecteurs 2 tubes/ 2 fils permettent une régulation adaptée à chaque local. Il s’agit donc d’une souplesse supplémentaire par rapport aux appoints centralisés.

Désavantages

• L’utilisation des résistances électriques d’appoint des ventilo-convecteurs se fait au tarif de jour est donc onéreuse. Une bonne régulation de la température de l’eau dès la sortie de la PAC est très importante pour réduire ces coûts. Pour des raisons de confort, il est d’ailleurs plus fréquent, en Belgique, d’installer des réseaux 4 tubes. Mais dans ce cas, le fonctionnement ne peut se faire avec une seule machine réversible.

• L’installation ne fournit pas d’air neuf. Il faut donc l’accompagner par une centrale de traitement d’air et un réseau de distribution pour l’alimentation en air hygiénique. La centrale de traitement d’air peut disposer d’un récupérateur d’énergie sur l’air extrait et être alimentée en chaleur par la PAC.

Généralement, les systèmes réversibles amènent à un surdimensionnement de la puissance de chauffage pour pouvoir assurer la charge frigorifique. Or, il est intéressant d’économiser l’énergie électrique durant les périodes de chauffe (tarifs pleins). Une économie possible consiste à détourner le circuit de retour des ventilo-convecteurs vers un échangeur à plaque afin de préchauffer l’eau chaude sanitaire. Ce détour limite le surdimensionnement et permet une économie de près de 50 % sur la production d’ECS (campagne de mesure réalisée en France dans l’hôtellerie).

Description du principe

La technologie des PAC sur boucle d’eau s’établit autour des trois composantes du système :

• les PAC ou climatiseurs réversibles (Eau/Air) assurent le chauffage ou le refroidissement des locaux suivant les besoins thermiques de ceux-ci,

• la boucle d’eau, circuit d’eau fermé raccordé aux climatiseurs réversibles et aux échangeurs de chaleur, assure la circulation d’énergie thermique dans le bâtiment,

• une chaudière et une tour de refroidissement assurent le maintien en température de la boucle d’eau en apportant ou en évacuant les calories suivant le bilan thermique global du bâtiment.

La boucle d’eau assure ainsi le transport d’énergie entre l’ensemble des locaux et le transfert de chaleur des zones aperditives du bâtiment (zones internes, salles de réunion, locaux informatiques, locaux sur façade ensoleillée) vers les zones déperditives (locaux périphériques, locaux sur façades à l’ombre).

Elle permet donc d’effectuer en permanence le calcul simultané des besoins thermiques globaux du bâtiment et, en contrôlant sa température, de puiser ou de rejeter, sur l’extérieur, l’énergie nécessaire à l’équilibre thermique de l’immeuble.

Consommation

Comme tout système avec échangeur direct (l’air du local passe directement dans l’évaporateur), la très basse température de l’échangeur génère un supplément de consommation non négligeable lié à la déshumidification de l’air ambiant (à ce titre, le ventilo-convecteur dont l’échangeur est dimensionné sur base d’un régime 12 °C – 17 °C est nettement plus performant).

L’évacuation des condensats est d’ailleurs un point délicat. Si elle ne peut être gravitaire, elle est confiée à une pompe de relevage intégrée dans l’appareil. Généralement, les pompes prévues par le constructeur sont moins bruyantes que celles ajoutées sur place par l’installateur. Autant donc le prévoir dès la sélection de la machine.

Régulation

Au niveau des pompes à chaleur, une zone neutre de 2 à 3 °C doit être prévue dans la consigne entre chauffage et refroidissement.

Un commutateur manuel peut permettre à l’utilisateur de sélectionner la vitesse de rotation du ventilateur (et donc le niveau de bruit qu’il accepte de subir !)

Mais c’est au niveau de la boucle que la régulation doit être la mieux étudiée pour optimaliser la performance énergétique. Plusieurs scénarii sont possibles. Par exemple, on peut laisser flotter la température entre 18 et 32 °C (autrement dit, la chaudière s’enclenche sous les 18 °C et la tour s’enclenche au-dessus des 32 °C). La récupération de chaleur entre locaux demande d’ailleurs un large différentiel, mais il ne faut pas pour autant pénaliser le COP des machines ! En plein hiver et en plein été, il faudra étudier quelle est la température qui optimalise au mieux l’ensemble.

Ainsi, si on diminue l’écart entre ces 2 seuils d’enclenchement, le COP des pompes à chaleur sera amélioré, mais la consommation énergétique au niveau central sera accrue.

Exemple. Dans la galerie commerciale, il est possible que les locaux doivent être réchauffés le matin (relance après la nuit) et refroidis l’après-midi suite à l’éclairage et à l’occupation. Idéalement, c’est alors l’inertie de la boucle qui devrait jouer, inertie renforcée par un ballon de stockage placé en série sur la boucle. Durant l’après-midi, les machines frigorifiques chargent la boucle et son stockage. Le lendemain, en fin de nuit (pour profiter du tarif de nuit plus avantageux), les locaux sont remis en température avant l’arrivée des occupants… et le stockage est déchargé, sans consommation de la tour. À noter : pour réduire l’encombrement du ballon de stockage, on peut envisager de le remplir avec des nodules eutectiques dont la température de solidification se situe dans la zone neutre de fonctionnement de la boucle.

Si un de nos lecteurs dispose d’une installation de ce type dans son bâtiment, nous serions heureux de participer à la mise au point de la régulation de ce système et de pouvoir en transcrire ici les résultats, en vue d’une prochaine version d’Énergie⁺ ! Notre adresse électronique est la suivante : energieplus@uclouvain.be.

Domaine d’application

D’une manière générale, ce système est adapté aux bâtiments dont on prévoit que les charges thermiques seront en opposition (façades d’orientation différentes). On pense tout particulièrement aux bâtiments ayant des salles aveugles avec fort taux d’éclairage, forte occupation, … et à la fois des locaux en façade Nord avec fortes déperditions (fort taux de vitrage).

Il permet une régulation individualisée. Il permet une sensibilisation de l’utilisateur final puisque la consommation propre des PAC installées dans ses locaux peut lui être facturée.

Mais il ne contrôle pas l’hygrométrie de l’air du local. La nuisance acoustique est parfois importante. Et l’utilisation d’énergie électrique aux heures pleines reste coûteuse.

De plus, aujourd’hui il entre en concurrence avec le système à “Débit de Réfrigérant Variable”, (qui lui même dans une de ses variantes peut aussi comporter une boucle d’eau reliant les différentes unités extérieures).

Ce système est fréquemment utilisé dans les centres commerciaux. Chaque local est livré nu de tout équipement, sinon de la présence de la boucle et de raccordements en attente. Le commerçant investit dans une ou plusieurs machines réversibles et “pompe” le chaud ou le froid qu’il souhaite sur la boucle. On peut facilement mesurer la part individuelle de la consommation de chaque appareil dans le bilan total.

Étude de cas Dans une galerie commerciale de Liège, un très gros circulateur à vitesse variable avait été mis sur la boucle d’eau. Sa régulation se faisait classiquement en fonction de la pression d’eau du réseau. Or les échangeurs des pompes à chaleur sont toujours alimentés à débit constant pour éviter le gel des évaporateurs. Donc l’eau tournait à grande vitesse et le Delta T° sur la boucle était seulement de 2 K, départ-retour. Il a été imaginé de moduler la vitesse de rotation du circulateur en fonction du maintien d’un Delta T° de 6 K. Ainsi, si la demande augmente, le delta de T° augmente et la vitesse est adaptée. La température est maîtrisée et le gel est impossible. Une chute drastique de la consommation électrique en a résulté.

Avantages du système

• Régulation de température individualisée.
• Conception simple, relativement facile à mettre en œuvre.
• Système intéressant du point de vue énergétique en intersaison ou plus exactement lorsque les charges dans les différents locaux sont opposées et que la boucle est proche de l’équilibre thermique.
• Les PAC sont relativement fiables à condition de respecter les débits d’air et d’eau.
• Extension facile de l’installation.
• Facilité d’installation, de démontage et de réemploi des PAC suivant l’occupation des locaux ou des réparations.
• Sensibilisation de l’utilisateur final aux économies, car il supporte directement les frais électriques liés au fonctionnement des PAC installées dans ses locaux.
• Réduction de la puissance de la production thermique centralisée.

Désavantages

• Pas de contrôle de l’hygrométrie de l’air du local.
• Problème de niveau sonore : puissance acoustique non négligeable, donc nécessité de traitement spécifique.
• Besoin de raccordement des condensats vers l’égout.
• Les économies sont relativement modestes. Les PAC consomment essentiellement de l’énergie électrique au qui ne peut être différée en heure creuse.
• Le risque de panne ou d’intervention sur la boucle d’eau, sur les dispositifs centralisés, rend le système inquiétant pour les utilisateurs de climatisation critique (locaux informatiques, salles de fabrication…). Cette crainte conduit à séparer ces installations de l’installation principale ou à en dédoubler les équipements en cas de problèmes.

Choix des PAC réversibles

Ces PAC se présentent essentiellement sous trois formes :

• Le modèle console en allège, installé contre les murs extérieurs, de préférence sous la fenêtre : il peut être carrossé ou bien intégré dans un habillage de façade ; il doit être installé dans le local à traiter et l’habillage de l’appareil doit faire l’objet d’un renforcement acoustique.

• Le modèle plafonnier horizontal, installé généralement en faux plafond : il est conseillé d’installer la PAC à l’extérieur du local à traiter (circulation de bureau par exemple) et d’assurer le raccordement au diffuseur de soufflage par l’intermédiaire de gaines isolées thermiquement et phoniquement.

• Le modèle vertical type armoire, installé dans un placard technique : un réseau de gaines de soufflage et éventuellement de reprise, assure la liaison entre la PAC et le local à traiter.

L’installation doit permettre de maintenir un accès aisé à l’appareil pour les opérations d’entretien. Les opérations de maintenance courantes consistent en nettoyage ou remplacement des filtres (opérations pouvant être effectuées par du personnel non qualifié).

Les opérations d’entretien, de réparation ou de remplacement de composant électrique (principalement le moteur du ventilateur de soufflage) sont possibles depuis les panneaux d’accès démontables.

En cas d’intervention sur le circuit frigorifique, il est recommandé de procéder à un échange standard de l’appareil et d’assurer la réparation en atelier.

La sélection doit être faite en fonction des besoins thermiques des locaux et de leur application. Il est souvent préférable de sélectionner un appareil d’une puissance légèrement inférieure aux besoins déterminés pour les conditions les plus défavorables; cela permet une meilleure adaptation de la puissance à la charge thermique moyenne à combattre et allonge les durées des cycles de fonctionnement de l’unité en évitant des inversions de cycle trop fréquentes.

Enfin, un réseau d’évacuation des condensats est à raccorder sur chaque appareil.
On sera attentif à la bonne isolation phonique du compresseur puisqu’il est ici situé dans le local !

Il existe des versions en apparent et des versions destinées à être insérées dans un habillage (en allège ou en faux plafond). S’il peut être placé dans un local technique attenant et relié au local par une gaine, l’installation sera nettement moins bruyante. La maintenance en sera également facilitée.

On veillera tout particulièrement à éviter la transmission des vibrations de l’appareil au bâtiment par l’usage de silentblocs ou de semelles antivibratiles. L’usage de raccordements flexibles est également favorable sur le plan acoustique et facilitera le démontage de l’appareil (prévoir des vannes d’isolement étanches).

Choix de la boucle d’eau

La boucle d’eau doit être un circuit d’eau fermé, préféré à un circuit d’eau ouvert en raison des problèmes d’embouage, d’entartrage et de corrosion. Ce circuit d’eau à température tempérée (15 °C à 35 °C environ) reçoit les composantes suivantes :

• Les pompes de circulation prévues, l’une en fonctionnement normal, l’autre en secours, afin d’éviter tout risque de panne totale.

• Une filtration de l’eau à réaliser au niveau des pompes de circulation et près des climatiseurs.

• Un échangeur d’évacuation des calories, généralement du type échangeur à plaques, équipé d’un by-pass permettant les opérations de nettoyage, raccordé à un réseau d’eau de refroidissement.

• Un réchauffeur d’eau équipé d’un by-pass.

• Un réseau de distribution en tubes d’acier noir non calorifugé (sauf à l’extérieur); néanmoins la T°C modérée de l’eau permet l’utilisation de tuyauteries en PVC.

• Des vannes d’isolement et d’équilibrage du réseau et, notamment, pour chaque raccordement à un climatiseur; ce raccordement sera réalisé en tuyauterie flexible facilitant l’installation, évitant les transmissions de vibrations et simplifiant les opérations de maintenance.

• Des accessoires tels que vases d’expansion, vannes de vidange et systèmes de purge d’air (manuel et automatique), ainsi qu’un système d’appoint d’eau.

Choix de l’échangeur “froid”

L’échangeur froid doit permettre l’évacuation des calories excédentaires de la boucle d’eau. Différents systèmes sont utilisés :

• Raccordés à la boucle d’eau par l’intermédiaire d’un échangeur à plaques, on trouve fréquemment des tours de refroidissement à circuit ouvert ou un réseau d’eau de pompage dans la nappe phréatique, dans la mer, une rivière, un lac,…

• Raccordés directement à la boucle d’eau, on utilise des tours de refroidissement à circuit fermé ou des appareils appelés “dry-cooler”.

Le choix entre ces différents appareils s’établit en fonction de leur existence (eau de mer, nappe phréatique…), des critères dimensionnels (tours de refroidissement ouvertes ou fermées) et des contraintes acoustiques.

Il faut noter que l’utilisation de “dry-cooler” nécessite de relever la température de la boucle d’eau en été à 40 °C environ, ce qui oblige à l’emploi de PAC adaptées.

Choix de l’échangeur “chaud”

Il doit permettre d’apporter les calories nécessaires au maintien en température de la boucle d’eau. Les sources de chaleur pouvant être utilisées sont variées :

• chaufferie alimentée au gaz ou au fuel
• sous-station de chauffage urbain
• PAC Air/Eau sur l’air extérieur

L’utilisation d’un échangeur de transfert d’énergie n’est pas forcément nécessaire lors de l’utilisation de chaufferies ou de sous-stations de chauffage urbain.

L’utilisation d’une nappe phréatique nécessite de descendre le niveau de T°C de la boucle d’eau, en hiver, à 12 °C environ, ce qui oblige à l’emploi de PAC adaptées et de calorifuger tout ou partie du réseau de distribution.

On trouvera dans le Tome 4 de la collection Climatisation et conditionnement d’air de J. Bouteloup différents schémas de montage des installations.

Ici encore, l’usage de la pompe à chaleur en remplacement des chauffe-eau électriques pour la préparation de l’ECS paraît logique, d’autant plus que le bilan de la pompe à chaleur en été est très performant.

Et cette fois, l’usage d’une installation électrique peut se justifier par l’arrêt possible de l’installation de chauffage du bâtiment. Mais la PAC aura bien du mal à fournir les 60° demandés dans le ballon d’eau chaude (température demandée depuis les mesures anti-légionnelles). Un préchauffage à 45 °C convient mieux à la PAC. Ceci sous-entend le placement d’un deuxième ballon en série pour rehausser la température à 60 °C.

Finalement, PAC + ballon de préchauffage : l’investissement paraîtra fort élevé par rapport à une simple résistance électrique…

Eau chaude sanitaire

Pour plus d’informations sur le choix des PAC pour le chauffage de l’eau chaude sanitaire.

Du chaud et du froid par le même équipement

Une des applications les plus courantes de la PAC est l’alimentation en chaud et en froid des groupes de préparation d’air par des installations réversibles Air/Air. Ces installations sont très avantageuses puisqu’un seul appareil réversible assure deux fonctions pour un investissement initial raisonnable. La performance de la pompe à chaleur est élevée puisque les températures demandées sont faibles.

Concrètement, une pompe à chaleur est couplée à un caisson de traitement d’air classique, un des échangeurs de la PAC étant dans le caisson, l’autre étant à l’extérieur.

Exemple de modèle disponible sur le marché : Modèle 1 Puissance frigorifique nominale kW 13,5 Puissance calorifique nominale kW 14,55 Débit d’air maximal m³/h 2 400 Pression acoustique dB(A) 65 Réfrigérant R 22 Hauteur Largeur Longueur mm mm mm 485 1 022 1 261 Poids net Kg 88 Prix € 5 085 Des puissances plus importantes sont bien sûr possibles et suffisantes pour remplacer les installations traditionnelles.

En été, la pompe à chaleur fonctionne comme unité de climatisation classique, la batterie placée dans le caisson constituant l’évaporateur et la batterie extérieure le condenseur. On peut atteindre un COP saisonnier de réfrigération de l’ordre de 3. Attention, le fonctionnement en détente directe entraîne des températures très basses dans l’échangeur et donc une déshumidification de l’air parfois exagérée par rapport aux besoins. En hiver, le cycle est inversé et la batterie interne devient condenseur tandis que l’échangeur externe joue le rôle d’évaporateur. Le COP varie alors selon la température externe, le dégivrage et le besoin d’appoint électrique. En intégrant ces divers auxiliaires, on atteint un COP saisonnier de l’ordre 2,5.

Une gestion délicate lors du dégivrage

Une difficulté reste : le chauffage de l’air est sans inertie (par opposition à un chauffage du sol ou d’un ballon d’eau). Donc, lors des périodes de dégivrage de l’évaporateur, de l’air froid risque d’être pulsé sur les occupants. L’arrêt de la pulsion de l’air étant difficile, une solution peut consister à travailler avec des pompes à chaleur modulaires. Quand un module dégivre, il s’arrête et un autre module produit.

Récupérer sur l’air extrait ?

Pour améliorer l’installation, il est possible de faire passer l’air extrait par l’échangeur extérieur lorsqu’il joue le rôle d’évaporateur. La récupération de chaleur à l’échangeur sera améliorée du fait de la grande différence de température entre l’air vicié et la basse température d’évaporation du fluide frigorigène en hiver. Cet apport de chaleur à l’évaporateur permettra de remonter la température d’évaporation et de diminuer le dégivrage, donc d’améliorer le COP.

La sélection de la puissance de la pompe à chaleur dépend du bilan thermique été et du bilan thermique hiver. Dans les secteurs commercial et tertiaire, les besoins frigorifiques en été sont souvent supérieurs aux besoins calorifiques en hiver. La pompe à chaleur sera alors surdimensionnée pour le régime de chauffe et le chauffage d’appoint ne sera alors que rarement nécessaire.

Le traitement des locaux humides

Les bâtiments où une humidité importante est produite, et donc dans lesquels un contrôle de l’hygrométrie aura lieu (piscines, blanchisseries, cuisines industrielles,…), sont propices à l’usage d’une PAC : toute l’énergie de condensation de la vapeur d’eau peut être réutilisées sous forme de chaleur à haute température (chauffage de l’air, chauffage de l’eau chaude sanitaire). Il semble que la difficulté provienne de l’excédent des apports en mi-saison et en été.

Les piscines constituent une application particulière des PAC

Les piscines consomment beaucoup d’énergie pour diminuer le taux d’humidité et éviter ainsi les condensations sur les parois (particulièrement les surfaces vitrées). D’autre part des besoins de chaleur importants sont liés à la température élevée de l’air pour assurer pour le confort des baigneurs. Une humidité maximum de 75 % est à maintenir dans les piscines bien isolées avec pulsion d’air chaud au pied des vitrages. Mais l’humidité maximum peut descendre à 65 % si les parois sont mal isolées, et donc froides. À noter qu’avec les nouveaux vitrages isolants à basse émissivité, ce critère de pulsion au pied des vitrages n’est plus obligatoire.

Deux systèmes de PAC sont possibles pour ce type de bâtiment.

Pompe à chaleur en déshumidification

Le principe consiste à faire passer l’air à du local à déshumidifier sur l’évaporateur de la PAC. Il y est refroidi et surtout déshumidifié. L’air passe ensuite, mélangé à l’air frais hygiénique, sur le condenseur où il est réchauffé. Le condenseur de la PAC permet le chauffage de l’air ambiant, mais aussi le chauffage partiel de l’eau sanitaire (piscine, douches) particulièrement en mi-saison.

La solution est intéressante. Toutefois, au creux de l’hiver, la déshumidification ne fournit pas assez de chaleur et la pompe à chaleur ne suffit pas à elle seule à assurer tous les besoins énergétiques. Un chauffage d’appoint est donc nécessaire et le COP global est diminué.

Il faut se rendre compte que dans cette application précise le COP de la PAC n’est plus le rapport entre les kW thermiques utiles disponibles au condenseur et les kW absorbés par le compresseur. En fait,

Ceci est dû au fait que la chaleur sensible prélevée à l’air vicié par l’évaporateur lui est rendue par le condenseur et ne doit donc pas être considérée comme chaleur utile dans le calcul du COP. La source froide recherchée ici est la chaleur latente de condensation de l’humidité. On pompe l’énergie sur la déshumidification, pas sur le refroidissement de l’air. En fait, plus le besoin de déshumidification est important (forte activité dans la piscine, faible isolation,..), plus l’énergie puisée à l’évaporateur sera importante et plus le COP global de l’installation sera élevé.

Pour le calcul des performances de l’installation, il ne faut pas oublier de prendre en compte l’influence des heures de non-occupation, qui entraînent un taux d’évaporation plus faible et un COP instantané plus bas. On peut envisager un COP global de 2,5. (Valeur avancée par Paul H.Cobut, Pompes à chaleur, Atic – cours de perfectionnement).

Remarque : ce type d’installation est intéressante dès qu’il s’agit de climatiser un local où il y a une forte production de vapeur (bassins de toutes sortes, pressings, séchoirs à linge, certains locaux industriels ou laboratoires,…).

Pompe à chaleur – récupérateur

Dans ce cas, la PAC prélève une partie de l’énergie dans l’air extérieur et une autre partie dans l’air extrait. Contrairement au système précédent, l’évaporateur puisera l’énergie sur le refroidissement de l’air mélangé.

Un hygrostat raccordé à une sonde extérieure permet le dosage de l’air neuf. La PAC sera dimensionnée pour réaliser à elle seule l’effort thermique jusqu’à 0 °C environ. En dessous de cette température, un appoint sera nécessaire. Le COP de la PAC varie en fonction de la température de l’air extérieur.

Un COP global annuel de 3,3 est possible, ce qui représente un gain de 30 % par rapport à la PAC en déshumidification. Les déperditions plus importantes dues à l’introduction d’air neuf en plus grande quantité que dans l’autre système pour assurer la déshumidification représentent un accroissement des besoins calorifiques de moins de 10 % sur l’année (valeurs avancées par Paul H.Cobut, “Pompes à chaleur”, Atic – cours de perfectionnement).

Il faut noter toutefois que ces résultats sont basés sur un taux d’hygrométrie tolérable assez élevé grâce à l’usage d’un vitrage très isolant. Dans le cas d’un vitrage moins isolant, le taux d’humidité acceptable est plus bas. Il faut donc un plus grand effort de déshumidification, ce qui favorise le premier type d’installation et la différence de performance entre les deux systèmes diminue.