POMPES À CHALEUR
Install Magazine 985 – septembre 2022
L’efficience grâce à la planification
Dimensionnement des installations de pompe à chaleur
Les PAC sont de plus en plus utilisées en rénovation.
Les PAC réversibles doivent également être dimensionnées pour le refroidissement.
L’étape suivante est l’intégration de la PAC dans un système de gestion de l’énergie coordonné par tous les consommateurs d’une habitation.
Nous devrions vraisemblablement rencontrer de plus en en plus de pompes à chaleur en rénovation. À condition de disposer des compétences adéquates pour la conception des installations de chauffage, les professionnels peuvent jouer un rôle en la matière. Le bon fonctionnement d’une PAC nécessite toutefois une bonne conception et un bon dimensionnement. L’article qui suit indique les étapes à suivre à l’aide d’un exemple concret, à savoir une PAC air-eau.
Calculer la consommation d’énergie, déterminer le point de bivalence, aligner l’installation hydraulique sur le système d’ECS… Autant d’éléments à observer lors de la conception d’une installation de PAC. Un professionnel qui se penche régulièrement sur cette question, maîtrisera toutefois rapidement la procédure.
Pour un professionnel, se former dans la conception des installations de PAC est un investissement sur l’avenir. Cet article revient sur les étapes les plus importantes dans le processus, à l’aide d’une installation équipée d’une PAC air-eau Buderus Logatherm WLW 196i.
Étape par étape vers l’objectif
La procédure peut varier légèrement en fonction de la situation. Les étapes de bases restent néanmoins les suivantes :
- Tenir compte de la capacité calorifique de l’installation
- Calculer la consommation d’énergie pour le chauffage (règle de base : m2 x W par m2) ou calcul détaillé selon EN 12831
- Réglage et dimensionnement de la PAC
- Déterminer le principe de fonctionnement (mono-énergétique ou bivalent)
- Sélectionner l’appareil
Étape 1 : Capacité de stockage minimale pour un fonctionnement régulier
Pour un bon fonctionnement, il faut limiter le nombre de cycles start/stop et éviter un dégivrage complet. L’appareil tombera dès lors moins en panne. Ceci ne peut être atteint que si l’installation peut stocker une quantité suffisamment grande d’énergie. Le stockage s’opère d’une part dans le volume d’eau de l’installation et d’autre part dans le système d’émission : les corps de chauffe ou la masse du bâtiment (dans le cas du chauffage par le sol). Cela signifie que chaque installation possède un débit minimal. Dans la mesure où les propriétés des diverses installations peuvent fortement varier, cela n’a pas de sens d’exprimer le débit sous forme d’une valeur forfaitaire en litres par heure. Pour être suffisante, la capacité calorifique doit satisfaire à certaines conditions.
Ces conditions sont déterminées par le fabricant de la PAC, en fonction du système et de la puissance de l’appareil. Pour un circuit de chauffage par le sol sans réservoir tampon, Buderus indique une superficie minimale de 22m2 pour la PAC air-eau Logatherm WLW 196i AR (puissance de 4 à 8 kW). Afin d’économiser un maximum d’énergie et de limiter l’utilisation du chauffage d’appoint, on conseille plutôt 30 m2. Pour les versions de 11 à 15 kW, on a également besoin d’une surface au sol de 22 m2, mais on conseille plutôt 100 m2 comme valeur optimale.
Des conditions équivalentes prévalent pour des installations équipées de corps de chauffe sans vanne mélangeuse ni réservoir tampon. Dans ce cas, on travaille naturellement avec un nombre minimum de corps de chauffe au lieu de mètres carrés. En règle générale, on part sur une base de 4 radiateurs de 500 W chacun. Il importe ici que les circuits servent de stockage d’énergie, soient alimentés en permanence et ne puissent donc pas être fermés par la régulation, par ex. à l’aide d’une vanne de zone ou de vannes thermostatiques. Si la température augmente trop dans une pièce, le débit ne peut alors pas être abaissé, mais l’émission doit être réduite en adaptant la courbe de chauffe. Il est en tout cas important que la pompe à chaleur puisse extraire suffisamment de chaleur de l’installation afin de réaliser un cycle de dégivrage. Lorsque le débit est complètement verrouillé, par ex. via le signal d’un thermostat d’ambiance, la PAC peut alors tomber en panne durant un cycle de dégivrage.
Si on travaille avec un réservoir tampon, celui-ci doit alors être assez grand pour compenser la puissance de démarrage de la PAC. La régulation Buderus est définie de manière à ce qu’une PAC démarre à 55% de la puissance, et passe à un stade de puissance plus élevé lorsque celle-ci semble insuffisante pour répondre à la demande de chaleur. Cela signifie qu’on peut se satisfaire d’un réservoir tampon de 50 l pour une PAC de 6 kW max. Pour des versions plus grandes, on optera de préférence pour 120 l.
Étape 2 : Calculer la consommation d’énergie
Déterminer les besoins thermiques est crucial pour dimensionner correctement une PAC. Si on commet ici une erreur, le chauffage peut alors ne plus répondre aux besoins, et les occupants souffriront du froid en hiver. Inversement, dans le cas d’une installation surdimensionnée, le rendement va baisser et les coûts énergétiques vont croître.
Consommation d’énergie pour le chauffage
Dans des bâtiments existants, il est possible d’évaluer la consommation d’énergie à l’aide de la consommation de l’ancienne installation. Pour le gaz, on utilise alors la comparaison 1, et pour le mazout, la comparaison 2. Afin de limiter l’influence des années plus froides ou plus chaudes, on se base de préférence sur la valeur moyenne des années précédentes.
En construction neuve, on peut estimer la consommation à l’aide de la surface chauffée et des besoins thermiques spécifiques. Ces derniers dépendent du taux d’isolation du bâtiment. On utilise dans ce cas la comparaison 3. Les besoins thermiques d’une habitation dont la surface au sol chauffée est de 150 m2 et dont les besoins spécifiques sont de 30 W/m2, sont donc de 4,5 kW.
Pour un fonctionnement économique, il est déconseillé de dimensionner la PAC sur les besoins de pointe. Cela donne en effet lieu à un appareil surdimensionné, qui se révélera plus onéreux aussi bien à l’achat qu’à la consommation. Si on dimensionne un appareil à 80% des besoins de pointe, la PAC pourra alors prendre en charge 97% de la demande de chaleur annuelle. Les 3% restants pouvant être couverts par un chauffage électrique auxiliaire. On peut encoure sous-dimensionner plus, ce qui se révèle plus avantageux à l’achat, mais dans ce cas, le chauffage d’appoint devra plus souvent prendre le relais, ce qui induit un risque pour le confort et/ou le budget.
En ce qui concerne le raccordement hydraulique, le débit du circuit primaire de la PAC délimite également le débit et la puissance des circuit secondaires qui sont reliés à celui-ci. Il ne suffit pas de prévoir un réservoir tampon suffisamment grand entre le circuit primaire et les circuits de distribution. La PAC doit encore pouvoir recharger ce réservoir tampon suffisamment rapidement.
Consommation d’énergie pour l’ECS
Il est parfois conseillé de prévoir un supplément de puissance pour la production d’ECS. Celui-ci peut toutefois être omis dans la plupart des cas. Il est en effet peu probable que la PAC doive satisfaire en même temps aux demandes de chaleur et d’ECS maximales. C’est uniquement dans ce cas qu’un supplément a du sens. En mode d’utilisation normal, la PAC disposera de suffisamment de temps entre deux périodes de chauffage pour amener l’ECS à température.
On doit également tenir compte des conduites de circulation, parce qu’elles accroissent la demande de chaleur, en fonction de la longueur de conduite et du niveau d’isolation. Avec une surface chauffée comprise entre 100 et 150 m2, et des conduites de distribution au sein du volume protégé, la demande de chaleur annuelle s’élève à :
- 9,8 kWh/m2 par an avec conduite de circulation
- 4,2 kWh/m2 par an sans conduite de circulation.
Consommation d’énergie pour le refroidissement
Une PAC réversible doit être dimensionnée non seulement pour le chauffage mais aussi pour le refroidissement. Ce dernier s’opère soit via le chauffage par le sol soit via des ventilo-convecteurs. Pour le dimensionnement, on peut utiliser les feuilles de calcul du fabricant. Le refroidissement à l’aide d’une PAC est indirect ; en d’autres mots, le réfrigérant ne refroidit pas directement l’air intérieur, mais transfert le froid via les conduites hydrauliques. Le refroidissement s’opère donc à des températures plus élevées, pour un risque moindre de courant d’air. En ce qui concerne l’émission, on peut choisir entre du chauffage par le sol et des ventilo-convecteurs. Pour des locaux qui ne doivent être chauffés ou rafraîchis que de temps à autre –comme des chambres à coucher ou des chambres d’enfant- , on conseille plutôt des ventilo-convecteurs. Ils peuvent en effet réagir plus rapidement aux variations de la demande et de l’occupation des lieux.
Buderus fournit dans le guide de planification de la Logatherm WLW196i un formulaire que le professionnel peut remplir aisément. La méthode de calcul tient compte des gains solaires obtenus via les fenêtres, portes extérieures, murs, sols et plafonds, ainsi que des gains internes dus aux appareils électriques ou aux personnes. En additionnant tous ces gains thermiques, on aboutit à une charge frigorifique totale.
Étape 3 : Réglage et dimensionnement de la PAC
Une fois les besoins thermiques et frigorifiques connus, il faut sélectionner la PAC : on a en général le choix entre 3 types : monovalent, bivalent ou mono-énergétique.
Monovalent
La PAC assume ici la production de chaleur totale, aussi bien pour le chauffage des locaux que pour l’ECS. Ceci est plutôt rare dans le cas de PAC air-eau.
Mono-énergétique
Ici, la PAC gère la majeure partie des besoins thermiques du bâtiment et de la production d’ECS. Un chauffage électrique direct prend le relais en cas de demande de pointe. On dimensionne la PAC de façon à ce que le point de bivalence se situe à 5°C pour un fonctionnement parallèle ou mono-énergétique. La PAC a alors un taux de couverture d’environ 98% en chauffage. Le point de bivalence est la température extérieure la plus basse à laquelle la PAC peut couvrir les besoins par ses propres moyens. A partir de ce point, le chauffage d’appoint va prendre le relais. On peut ensuite déterminer un deuxième point, à savoir la température à laquelle le fonctionnement de la PAC n’est plus approprié et le chauffage de pointe reprend l’ensemble.
La résistance électrique qui est intégrée dans la Logatherm WLW196i a une puissance maximale de 9 kW. Cette puissance est uniquement utilisée comme chauffage d’appoint.
Il est évidemment important que la pompe à chaleur soit choisie de manière à ce que la part de chauffage d’appoint électrique direct soit limitée au maximum. Avec une PAC sous-dimensionnée, le chauffage d’appoint va devoir prendre le relais beaucoup trop souvent, avec en conséquence une facture d’électricité plus élevée.
Bivalent
Ici, la PAC couvre la majeure partie de la demande de chaleur pour le chauffage des locaux et l’ECS. En cas de consommation de pointe, une source de chaleur externe prend le relais, en principe une chaudière au mazout ou au gaz. Buderus possède à cet effet une régulation qui peut également piloter les chaudières existantes, y compris celles des autres marques. Il peut s’agir aussi bien d’un commutateur on/off que d’un signal 0-10 V.
Le choix du point de bivalence revêt une grande importance dans le dimensionnement d’une PAC bivalente. Pour quelles températures extérieures ? Cela dépend des conditions locales. Plus le bâtiment est isolé, plus le point de bivalence est bas.
La bonne PAC peut être sélectionnée à l’aide de courbes de puissance. La figure 2 montre par ex. les courbes de puissance de sept PAC Buderus pour une température de départ de 35°C et une plage de modulation de 100%. La puissance de la PAC va de 4 à 14 kW. Dans le choix de la PAC, on combine cette courbe avec la courbe caractéristique du bâtiment. Cette dernière est ici présentée de manière simplifiée sous la forme d’une ligne droite entre la puissance exigée pour la température de consigne (dans cet exemple 6 kW à -12°C) et une puissance de 0 kW à une température extérieure de 20°C. Le point d’intersection entre la courbe caractéristique du bâtiment et la courbe de puissance d’une PAC indique l’appareil qui entre en ligne de compte.
Dans cet exemple, nous optons pour la PAC qui correspond à la courbe 7. La distance entre la courbe de puissance et la courbe caractéristique du bâtiment pour une température de consigne indique à quel point le chauffage auxiliaire doit pouvoir compenser.
Dans l’exemple, la puissance totale s’élève à 6 kW pour la température extérieure de consigne. La PAC sélectionnée a, dans ces conditions, une puissance de 4 kW. Cela signifie qu’on doit prévoir 2 kW de chauffage d’appoint. Le point de bivalence se situe dans cet exemple à – 5,5°C. Jusqu’à cette température, la PAC n’a donc pas besoin d’assistance.
Le point de bivalence diffère en fonction du type de bâtiment
Le point zéro de la courbe caractéristique du bâtiment correspond à une température extérieure de 20°C. Ce point zéro peut toutefois varier en fonction du type de bâtiment. Pour une maison éco-énergétique, ce point zéro peut déjà se situer à 10°C, mais pour les maisons existantes, il se situera plutôt à 15°C. Si on se base sur ces valeurs, la pente de la courbe caractéristique du bâtiment devient plus raide, et le point de bivalence (point d’intersection entre la courbe caractéristique du bâtiment et la courbe de puissance de la PAC) glissera vers la gauche. Une PAC de puissance inférieure peut donc suffire.
Afin de faciliter la tâche du professionnel, un fabricant comme Buderus offre naturellement une assistance. L’installateur peut ainsi utiliser un programme de dimensionnement qui le guidera tout au long de la procédure.
Source: Buderus
Illustrations: Buderus
