POMPES À CHALEUR  
Install Magazine 945 – novembre 2017

Pompe à chaleur à moteur au gaz pour un complexe résidentiel rénové

L’isolation poussée, la technique de chauffage innovante et la chaleur solaire contribuent à une très faible consommation énergétique

Dans le cadre d’un projet de rénovation éco-énergétique d’immeubles à appartements datant d’ après la Seconde Guerre Mondiale, on a décidé de prévoir un approvisionnement énergétique neutre en CO₂. L’élément central dans le nouveau système de chauffage est une PAC équipée d’un moteur à gaz, utilisant les eaux souterraines comme source de chaleur. On dispose ainsi non seulement d’un chauffage à basse température mais aussi d’une production d’ECS efficace. Au cours de la phase de test, le prototype ne put toutefois pas fournir la contribution prévue au chauffage, notamment en raison de problèmes avec la fabrication et la régulation.

Il s’agit d’un complexe de 149 logements dans le quartier Haidhausen (Munich) de la société de logements sociaux GWG. Depuis la construction dans les années ’50, rien n’a vraiment changé. La consommation d’énergie primaire était supérieure à 300 kWh/m² par an. La société de logements sociaux avait pour objectif de réduire drastiquement la consommation d’énergie. L’énergie nécessaire serait alors fournie par des sources d’énergie renouvelable. Les locataires devaient pouvoir disposer de techniques simples et robustes, qui puissent fonctionner sans que les habitants ne doivent spécialement s’en préoccuper.

Les façades reçurent une isolation avec une conductivité thermique de 0,022 W/mK. Afin d’également atteindre une bonne isolation des caves et des façades du côté rue (à cet endroit, l’épaisseur de l’isolation était limitée à 10 cm à cause de la présence d’un sentier de balade), on a recouru à de l’isolation sous vide. Les nouvelles fenêtres étaient équipées d’un triple vitrage isolant.

Étant donné que les bâtiments étaient à l’origine chauffés à l’aide de chaudières au charbon ou au mazout, il fallut installer une nouvelle chaufferie. Celle-ci fut placée dans le garage souterrain sur la cour intérieure.

Technique de bâtiment Low-Ex

Le complexe de bâtiments ne put pas être raccordé au réseau de chaleur. C’est pourquoi on décida d’utiliser une PAC eau-eau équipée d’un moteur à gaz, complétée par une chaudière au gaz pour les pics de consommation et par une installation solaire thermique. La PAC étant censée couvrir 70% des besoins calorifiques.

Caractéristique de cette PAC : elle n’utilise pas uniquement la nappe aquifère comme source de chaleur, mais aussi l’eau de refroidissement du moteur et la chaleur des gaz d’échappement. L’appareil peut de ce fait fournir de la chaleur à deux niveaux : tant pour le chauffage à basse température que pour la production d’ECS. Il s’agit d’un avantage considérable par rapport aux PAC usuelles.

L’installation de PAC est composée de cinq circuits. Le circuit primaire extrait la chaleur des eaux souterraines. Y est alors raccordé un circuit intermédiaire qui est relié à l’évaporateur de la PAC via une pompe à vitesse variable. Dans une étape ultérieure, le compresseur comprime le réfrigérant ; compresseur dans lequel la chaleur est restituée (max. 50°C) au chauffage basse température via le condenseur. La majeure partie de la chaleur y est directement utilisée. Le reste va vers le retour du circuit à haute température (60-70°C). Celui-ci est alimenté par la chaleur du moteur, via l’eau de refroidissement et les gaz d’échappement. Le moteur entraîne le compresseur à l’aide d’une transmission directe, de sorte que le moteur et le compresseur fournissent toujours simultanément de la chaleur. Le circuit de refroidissement interne du moteur est de ce fait toujours maintenu à une température de fonctionnement optimale. Les températures d’émission sont déterminées en fonction de la technique de bâtiment. Le compresseur peut fonctionner à charge partielle, le régime pouvant varier jusqu’à 20%.

La chaleur est entreposée dans trois ballons tampons raccordés en série. La priorité lors de la charge des ballons va aux capteurs solaires, suivis par la PAC, dans la mesure où celle-ci fonctionne plus efficacement que la chaudière à condensation. Les pompes à haut rendement électroniquement régulées transportent l’eau de chauffage vers les habitations. Un système décentralisé commande l’installation en fonction des besoins des différents locaux. Dans le retour de chaque corps de chauffe, se trouve une micro-pompe, qui tourne seulement lorsque la pièce a besoin de chaleur. Avantage de cette technique : l’installation est toujours équilibrée hydrauliquement, indépendamment des conditions de fonctionnement. Les contacts des fenêtres coupent la micro-pompe dès que la fenêtre est ouverte, afin d’éviter de trop grandes pertes dues à la ventilation. L’ensemble est commandé depuis un serveur.

Expériences avec le prototype de PAC équipé d’un moteur à gaz

Les PAC électriques et les PAC à absorption gaz sont depuis des années déjà fabriquées en série. Par contre, il n’existe pas pour le moment de modèle de série de PAC à moteur gaz destiné au marché européen. C’est pourquoi il fut décidé de construire un prototype.

Au début du projet, on rencontra des problèmes dans la mesure où la transmission du moteur n’était pas assez forte ; elle dût donc être renforcée. La PAC ne tourna malgré tout que moitié moins que prévu. Le problème était une température trop élevée de l’eau de chauffage au niveau du compresseur. La cause en fut trouvée dans le courant 2015 : un reflux du ballon tampon à haute température vers le compresseur. Le placement d’un clapet antiretour permît de résoudre le problème. Il subsista toutefois des problèmes techniques avec la combinaison ‘moteur à combustion – transmission – compresseur’. Le prototype resta de ce fait très sujet aux pannes et il nécessita beaucoup d’entretien. Cela eût comme conséquence que la PAC ne pût jamais délivrer la contribution espérée et nécessaire pour répondre aux besoins énergétiques. D’un point de vue thermodynamique, le concept fut toutefois convaincant : lorsque la PAC fonctionnait correctement, les économies étaient mêmes supérieures aux attentes. Le rendement annuel de la PAC était supérieur de 60% à celui d’une chaudière à condensation.

Oxydation anodique

Pour l’ECS, on recourut à l’oxydation anodique comme méthode de protection contre la légionellose, sans élévation de la température supplémentaire. Cette installation ne fonctionne que quelques heures par jour : cela est suffisant pour empêcher la prolifération de la légionnelle. Étant donné que ce principe n’est pas reconnu par le service environnemental de la ville de Munich, la société de logements sociaux doit régulièrement réaliser des analyses de légionnelle. Le fonctionnement de cette méthode a été démontré lorsque l’installation tomba temporairement en panne. La concentration de légionnelles augmenta soudainement, et diminua ensuite sous les limites autorisées dès que le module fut à nouveau opérationnel. Dès lors, aucune autre mesure de désinfection ne fut prise.

Résultats du monitoring

Après la rénovation, une équipe du Fraunhofer Institut für Bauphysik IPB étudia la consommation énergétique du complexe résidentiel durant deux ans. Les mesures démontrèrent que la consommation en énergie était inférieure à ce qui avait été calculé à l’origine. L’isolation parut donc efficace. Si on observe l’énergie primaire, le résultat est inverse. Cela est dû à la part de la PAC à moteur gaz (34% au lieu des 70% attendus) ; la chaudière au gaz clairement moins efficace dut alors couvrir le reste des besoins. Quand la PAC fonctionne correctement, les données mesurées correspondent bien aux attentes.

La consommation moyenne d’énergie primaire par mètre carré se révéla donc plus élevée que prévu : 47,4 kWh/m² par an au lieu de 41,5 kWh/m² par an. Cela fut partiellement compensé par un gain de 37,6 kWh/m² par an de courant électrique fourni par l’installation PV au réseau. Soit 12% de moins que ce qui avait été estimé par la firme qui plaça l’installation. Cela correspondait par contre au rendement prévu d’après DIN V 18599. Le complexe résidentiel affiche donc une faible consommation, mais n’est pas totalement neutre en CO₂ en raison de problèmes techniques et d’un calcul trop optimiste du rendement photovoltaïque.

Avec 495 kWh/m² par an, l’apport des capteurs solaires thermiques était clairement supérieur à la valeur calculée de 338 kWh/m² par an. Les besoins en ECS sont de ce fait en grande partie couverts en été. Après la rénovation, la consommation en chauffage était inférieure à celle de la production d’ECS. Environ la moitié de la consommation d’énergie de l’installation d’ECS est due à la circulation.

Des PAC pour des immeubles à appartements

Bien que les PAC soient rentrées dans les mœurs pour ce qui concerne les maisons unifamiliales, elles constituent encore une exception pour les appartements. Il y a donc là un énorme potentiel à exploiter. Pour pouvoir les appliquer dans des bâtiments rénovés, elles doivent satisfaire à un certain nombre de conditions en termes de système d’émission, de production d’ECS et d’utilisation de la chaleur environnante.

Le projet de recherche LowEc – concepts pour le chauffage d’immeubles à appartements existants (LowEx)- évalue les économies d’énergie dues à la technique de PAC. Le but est d’accroître le rendement économique et de garantir un fonctionnement de qualité. Au Karlsruher Institut für Technologie (KIT) et au Fraunhofer Institut für Solar Energiesysteme (ISE), divers types de PAC et de systèmes d’émission furent évalués dans le cadre d’immeubles à appartements afin d’aboutir à une solution optimale. L’étude comprend une analyse du bâti existant et du processus de rénovation, une typologie des concepts LowEx ainsi que la modélisation et la simulation des systèmes globaux. Dans les projets témoins de rénovation, des systèmes et composants adaptés sont appliqués sous accompagnement scientifique, en combinaison avec des sources de chaleur, des ballons tampons et des systèmes d’émission déterminés. Via un monotoring, ces projets de démonstration sont analysés scientifiquement, et les résultats sont ensuite comparés aux simulations. Cela doit mener à une évaluation fondée des différents concepts. Les instituts scientifiques collaborent ici avec des fabricants en technique de chauffage et HVAC, ainsi qu’avec des sociétés de logement.

Le projet a démarré en 2016 et se poursuivra jusqu’en 2020. Il tombe sous le coup de l’Annex 50 « Heat Pumps in Multi-Family Buildings for space heating and DHW » de l’IEA, avec laquelle des chercheurs de 7 autres pays collaborent.

LowEx : un chauffage optimal sur le plan thermodynamique

L’exergie équivaut à la part d’une quantité déterminée d’énergie qui est complètement transformée en travail utile. L’énergie mécanique et l’énergie électrique sont des formes d’énergie à taux d’exergie élevé. L’énergie thermique n’est que partiellement transformée en travail ou sous une autre forme d’énergie. Plus la température de l’énergie thermique est proche de la température ambiante, plus l’exergie devient faible.

L’utilisation de systèmes à basse exergie (LowEx) permet toutefois d’utiliser des formes d’énergie à basse exergie (chaleur résiduelle, chaleur ambiante) pour le chauffage ou le refroidissement, afin d’obtenir un bon rendement par rapport à l’énergie primaire. Condition préalable à ces systèmes : une enveloppe du bâtiment bien isolée.

S’il n’y a pas de chaleur ambiante disponible à un niveau énergétique utilisable, une PAC peut alors apporter une solution. Cette dernière a certes besoin d’énergie supplémentaire (par exemple de l’électricité), mais elle fait aussi en sorte que la quantité d’énergie utilisable soit supérieure à la quantité d’énergie primaire consommée.

Protection éco-efficace contre la légionnelle

Pour éradiquer la légionnelle avec une méthode de désinfection thermique traditionnelle, l’eau doit au moins être chauffée à 60°C. Une autre possibilité est la désinfection chimique, processus au cours duquel des produits chimiques sont ajoutés à l’eau. Le procédé de désinfection électromécanique ou d’oxydation anodique utilise de l’électricité pour produire directement des désinfectants sur base de minéraux qui sont présents dans l’eau (production in situ). L’alimentation régulée de courant continu peut transformer immédiatement des substances dans l’eau, de sorte qu’apparaissent des oxydants assez proches du chlore, qui ont une action désinfectante. L’eau à traiter sert alors en quelque sorte d’électrolyte, sans qu’il ne fasse ajouter de substances. La désinfection se passe d’un côté dans l’installation même, dans la couche limite de l’anode par le biais d’oxydants à vie courte à base d’oxygène, et d’un autre côté dans les conduites, dans l’eau traitée par des oxydants à vie longue (effet de déposition). Après un certain temps, les oxydants se décomposent pour redevenir les substances d’origine.

Par Dorothée Gintars

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