POMPES À CHALEUR  
Install Magazine 982 – mars 2022

Système combilus avec pompe à chaleur booster

À la recherche de concepts optimaux

Une chaufferie centrale constitue certes une méthode de chauffage efficace dans les immeubles à appartements, mais il n’est pas évident de concilier ceci avec les exigences de confort en ECS. Et si jamais la chaufferie est en plus équipée d’une pompe à chaleur, cela devient encore plus difficile. Les températures élevées qui sont nécessaires pour l’ECS, sont effectivement néfastes pour le rendement de la production de chaleur, sans parler des pertes de circulation. Une solution potentielle consiste à brancher en série les deux systèmes. La chaufferie centrale dessert le circuit de chauffage à basse température, tandis que chaque appartement est équipé d’une PAC booster qui, à son tour, accroît la température des conduites de chauffage jusqu’au niveau requis pour l’ECS. Mais comment cela fonctionne-t-il en pratique ? Ce fut l’objet d’une étude menée dans le cadre du projet Tetra.

Réseaux de chaleur efficaces

Dans le cadre de la transition énergétique, on tend vers des concepts de chauffage plus efficaces, comme une chaufferie centrale avec un système combilus. Pour une question de rendement, les régimes de température doivent toutefois être aussi bas que possible, tant pour une question de rendement de production que pour limiter les pertes par transmission. Il est toutefois difficile de concilier cela avec le confort en ECS, qui exige en effet des températures élevées.

Afin de remédier à cela, le projet Tetra ‘Réseaux de chaleur de qualité’ a été mis sur pied. Ce projet concerne notamment l’étude d’un certain nombre de concepts, tant à l’aide de simulations que de dispositifs expérimentaux. Un des partenaires est le groupe de recherche EMIB à l’Université d’Anvers, où une étude a été menée sur différentes configurations de combilus avec des modules thermiques. Une solution potentielle consiste à raccorder les appartements au circuit primaire avec un régime qui correspond au chauffage à basse température, en combinaison avec des PAC booster. La conduite de circulation sert à la fois de source de chaleur pour une petite PAC air-eau, qui fournit alors les températures élevées nécessaires à l’ECS.

Cette approche présente un certain nombre d’avantages. Pour commencer, la PAC centrale peut fonctionner à un régime optimal pour le chauffage, ce qui profite grandement au rendement. Il n’ y a ensuite pas de circulation d’ECS, ce qui réduit fortement le risque de légionellose. Enfin, chaque appartement possède sa propre production d’ECS, ce qui confère une flexibilité maximale aux habitants, tout en préservant la simplicité de la gestion et de la répartition des coûts.

Voilà pour le principe. Mais quel est le gain concrètement fourni, et quelles sont les stratégies de régulation les mieux adaptées ? Pour en avoir une idée, Stef Jacobs a, dans le cadre de son mémoire de maîtrise à l’Université d’Anvers, réalisé un certain nombre de simulations.

Dispositif expérimental

Le dispositif d’essai se composait d’un bâtiment avec 20 appartements, à chaque fois raccordé à un combilus au moyen d’un module thermique. La chaufferie centrale était équipée d’une PAC géothermique. Il n’y avait pas de séparation hydraulique entre l’installation intérieure et le combilus. Ce dernier alimentait à chaque fois l’installation de chauffage par le sol et une PAC booster eau-eau. Cette dernière était reliée à un réservoir de stockage. En ce qui concerne la PAC booster, on a opté pour un modèle existant, à savoir une Alpha Innotec WWB21 de 2 kW. Divers volumes de réservoir de stockage ont été simulés, et on a finalement choisi un modèle de 190 l, soit une contenance optimale. Il s’agissait de l’appareil disponible sur le marché qui correspondait le mieux au dimensionnement en fonction des besoins en eau chaude de la famille ciblée. On a à chaque fois prévu une régulation à la demande.

Températures primaires basses

Une première constatation est que le système permet bien d’économiser de l’énergie. L’étude a démontré une économie d’énergie primaire de 27% par rapport à une chaudière avec un combilus à haute température ainsi qu’une baisse des émissions de CO₂ de 57%. Cette dernière repose sur le mix énergétique actuel pour l’électricité. Mais ce chiffre peut encore être amélioré en prévoyant une plus grande part d’électricité verte, à l’aide de panneaux PV par ex. Par ailleurs, il n’y a pas de pollution atmosphérique locale, ce qui a son importance pour la qualité de l’air dans les villes. Stef Jacobs est aussi revenu sur l’effet du mauvais degré d’isolation des appartements. On a ici également pu réaliser de belles économies d’énergie. Le principe est donc largement applicable et ne pose pas d’exigences trop élevées à l’enveloppe du bâtiment, ce qui permet son application en rénovation.

Un deuxième aspect de l‘étude concernait les régimes de température. Un régime qui est favorable à la PAC booster est de fait défavorable à la PAC centrale, et inversement. Si on opte pour une température élevée dans la conduite de circulation, le rendement de la PAC centrale va baisser. Par contre, si la température de la source de la PAC booster est plus élevée, cette dernière pourra fonctionner plus efficacement. Et si au contraire, on diminue la température de la conduite de circulation, le rendement de la PAC centrale va s’en trouver amélioré, mais alors, la PAC booster doit surmonter un plus grand différentiel de température, ce qui nécessite plus d’énergie. La question est donc la suivante : dans quelle mesure le gain obtenu d’un côté est-il compensé par une perte de l’autre côté ?

On a ainsi étudié l’effet de cinq régimes du circuit de chauffage, allant de 29/22°C à 40/33°C (à chaque fois avec un Δt de 7°C entre le départ et le retour de l’installation intérieure). Ces températures ont été choisies en fonction des températures d’entrée maximales et minimales de la PAC booster. On a donc conclu qu’il était préférable de travailler avec un régime aussi bas que possible dans la conduite de circulation. En fin de compte, c’est la PAC centrale qui fournit de loin le plus d’énergie, tant pour le chauffage que pour la production –indirecte- d’ECS. Il est donc opportun que ce processus se déroule de la manière la plus efficace possible. Dans le cas de températures plus élevées du système, le rendement supérieur de la PAC booster ne compensera pas le moins bon rendement de la PAC centrale.

Récupération de chaleur et refroidissement passif

Le recours à une PAC géothermique centrale autorise également du refroidissement passif en été via le chauffage par le sol. Cela garantit un meilleur confort thermique et un meilleur rendement global du système, dans la mesure où la source est régénérée avec la chaleur du bâtiment. Dans le cas de la combinaison avec la PAC booster, les modules thermiques furent équipés d’un raccordement supplémentaire, grâce auquel le côté froid de la PAC booster pouvait être relié à la conduite d’alimentation du chauffage par le sol. La chaleur qui est évacuée de la maison, peut ainsi être réutilisée pour la production d’ECS. Durant les mois d’été, jusqu’à 30% de la production d’ECS fut couverte par la chaleur résiduelle des appartements. Et ce sans régulation spéciale pour aligner la production d’ECS sur la demande de froid. Dans cette étude, la PAC booster a été réglée en fonction de la demande de chaleur, indépendamment de la température ambiante exigée. Si il y a bien une production d’ECS, mais pas de demande de froid, le froid de la PAC booster est évacué vers la conduite de circulation. De cette manière, le froid peut éventuellement être utilisé pour refroidir d’autres appartements, avec toutefois de plus grandes pertes de rendement.

On a ici respecté le régime de refroidissement 24/19°C. La température retour du chauffage par le sol en refroidissement a été limitée par la température minimale de la source de chaleur de la PAC booster. Soit 18°C pour ce modèle d’Alpha Innotec. Dans le cas d’autres types de PAC booster qui peuvent travailler avec des températures plus basses, d’autres régimes de température sont envisageables. Cela peut aller jusqu’à des températures d’entrée de 5°C. Les résultats furent ici aussi encourageants. Le refroidissement supplémentaire a clairement apporté une amélioration du confort estival, même lorsque les PAC n’étaient pas activées en fonction de la demande de froid, mais bien en fonction de la demande de chaleur. Le potentiel d’optimalisation est ici évident.

Le dimensionnement du réservoir de stockage a été déterminé à l’aide de la courbe PV. Cette dernière a été établie par le CSTC dans le cadre du projet Install 2020 ; elle permet de comparer la production d’un générateur de chaleur avec les pics de consommation escomptés, afin d’aboutir à un volume optimal de réservoir tampon. Des simulations, il ressort qu’un réservoir de 150 litres associé à une PAC booster d’1,5 kW serait idéal. La durée de montée en température reste par ailleurs acceptable, et la durée d’utilisation de la PAC booster est suffisamment longue pour garantir un fonctionnement efficace et une fiabilité optimalisée. Les périodes d’utilisation plus longues profitent également au mode froid en été. Le volume du boiler fournit suffisamment de confort en ECS, sans pertes à l’arrêt trop importantes. Ce dimensionnement correspond aux appareils usuels sur le marché.

Un système qui a du potentiel

Le conclusion de cette étude est que la combinaison d’un combilus à basse température avec des PAC booster eau-eau possède un grand potentiel. Cette simulation s’est basée sur une régulation et un concept hydraulique relativement simples, et a atteint de beaux résultats. Cela démontre que le concept est largement applicable, tant en construction neuve qu’en rénovation.

Par Alex Baumans

Figures: Universiteit Antwerpen

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