Choix du mode de fonctionnement

Avant de se lancer dans le choix d’une pompe à chaleur, il faut déterminer son mode de fonctionnement : la PAC sera-t-elle utilisée seule (fonctionnement monovalent) ou conjointement avec une chaudière (fonctionnement bivalent) ou avec un appoint électrique ?

Monovalent

Dans ce cas, la PAC fonctionne seule et couvre tous les besoins en chauffage. Cette solution n’est évidemment envisageable que si la source de chaleur est suffisante pour la demande en chauffage du bâtiment. En pratique on choisira cette solution uniquement pour de nouvelles constructions bien isolées munies d’un système de chauffage basse température.

En fonctionnement monovalent, la PAC est dimensionnée pour couvrir la totalité des besoins de chaleur. Elle est donc trop puissante pendant une bonne partie de la saison de chauffe, tandis qu’elle n’est correctement dimensionnée que pour une température extérieure donnée.

Malgré cela, au vu des frais d’investissement plus élevés en installation bivalente (2 systèmes de chauffage pour le même bâtiment), on préférera en général les PAC monovalentes lorsque c’est possible, ou bien la solution « avec résistance d’appoint » (voir ci-dessous). En effet, la nécessité d’investir dans une chaudière traditionnelle en plus de la PAC n’est pas compensée par la diminution du coût de la PAC, diminution proportionnelle à la puissance moindre installée.

Avec résistance d’appoint électrique

Une installation avec appoint électrique constitue un compromis entre les fonctionnements monovalent et bivalent. Elle nécessite un faible investissement, mais contribue à la surcharge du réseau. Elle est aussi moins rationnelle au niveau écologique à cause de l’importante consommation de l’appoint électrique qui provoque un abaissement du COP annuel. Un enclenchement manuel est d’ailleurs conseillé pour éviter une durée de fonctionnement trop importante. Les appoints électriques permettent de préserver le confort lors des dégivrages ou des périodes de gel, lorsque la PAC (qui a été dimensionnée au plus juste pour limiter l’investissement) éprouve des difficultés.

Diagramme puissance/température :
La performance d’une pompe à chaleur est représentée, dans les catalogues des fabricants, par un diagramme température/puissance. Combien de puissance aura-t-on besoin pour l’appoint électrique ?

Schéma sur le diagramme puissance/température.

La figure montre les courbes de performance d’une pompe à chaleur air/eau pour 3 températures de condensation différentes.

La droite grise, qui représente les besoins calorifiques, est déterminée à partir de la température de dimensionnement (-10 °C) et de la température de limite de chauffage (15 °C).
Pour la température de limite de chauffage, les besoins calorifiques sont nuls. Mais à combien s’élèvent-t-ils pour la température de dimensionnement ? Cela dépend du type de bâtiment, de son isolation, de son orientation, etc. Ici ils sont de 7,8 kW.

Le point d’équilibre est déterminé par l’intersection entre la droite représentant les besoins calorifiques et la courbe de fonctionnement de la pompe à chaleur (donnée dans les catalogues des fabricants). En règle générale, le point d’équilibre se situe entre 0 °C et -5 °C.

La puissance de la pompe à chaleur est déterminée pour couvrir 100 % des besoins au point d’équilibre. Dans l’exemple, la puissance à prévoir est de 6,2 kW.

La puissance de l’appoint est déterminée par la différence entre les besoins calorifiques à la température de dimensionnement (-10 °C) et la puissance fournie par la PAC à cette température. Dans l’exemple, la puissance de l’appoint est de 7,8 – 5,6 = 2,2 kW.

Dans le secteur tertiaire, les apports internes compensent les pertes de puissance dues aux dégivrages, d’autant plus facilement que les dimensionnements de PAC réversibles sont souvent basés sur des puissances en froid, ce qui surdimensionne la puissance de chauffe. Les résistances d’appoint ne s’y justifient donc pas.

Bivalent

Lorsque la puissance à fournir est trop importante par rapport à une source froide limitée ou lorsque la température d’entrée dans le réseau de distribution doit être supérieure à 50 °C, les systèmes bivalents sont inévitables pour assurer le confort de l’occupant. C’est souvent le choix qui est fait en rénovation, lorsque les réseaux d’émissions ne sont pas modernisés et ne peuvent fonctionner qu’à haute température.

Le fonctionnement bivalent alternatif a l’avantage de la simplicité de compréhension et de régulation. La PAC est mise en marche lorsque la chaudière est à l’arrêt et inversement.

Schéma sur le fonctionnement bivalent alternatif.

Le fonctionnement parallèle par contre profite mieux de la pompe à chaleur puisqu’elle fonctionne toute la saison de chauffe. Ce deuxième mode permet donc une plus grande économie en frais de fonctionnement (même si, en période de grand froid, le COP de la PAC chute beaucoup) et un meilleur bilan écologique (avec un point de bivalence à 50 % de la puissance de chauffage, la PAC utilisée en bivalent-parallèle assure tout de même 80 % du besoin de chaleur).

Schéma sur le fonctionnement parallèle.


Avec ou sans accumulateur tampon ? De chaleur

Toute installation compte au moins un accumulateur tampon qui permet d’augmenter la quantité d’eau présente dans le circuit, ceci afin d’éviter l’enclenchement trop fréquent des producteurs de chaleur (courts cycles).

On reproche parfois à l’accumulateur tampon pour les petites installations d’être trop coûteux, trop volumineux, d’entraîner des pertes de chaleur. Mais rares sont les cas où son installation n’est pas justifiée. On ne peut y renoncer que si les conditions suivantes sont remplies :

  • puissance à peu près constante de la source de chaleur (max 5 K de variation de température);
  • volume d’eau de chauffage supérieur à 15 litres/kW;
  • grande capacité d’accumulation du système de distribution de chaleur (par exemple inertie de chauffage par le sol);
  • pas ou peu de vannes thermostatiques;
  • installation bien équilibrée.

Un accumulateur de chaleur est lui plus volumineux qu’un accumulateur tampon. Il sert couvrir les heures d’interruption de fourniture électrique. Il peut aussi compenser des variations temporaires de la source froide et permettre une plus grande utilisation du courant bas tarif. De plus, un accumulateur de chaleur permet de combiner plus facilement différents producteurs de chaleur, comme par exemple des capteurs solaires.


Choix de la régulation

Adaptation de la puissance

Pour de petites pompes à chaleur, la régulation de puissance a lieu par mise en ou hors service. Pour les plus grandes puissances, obtenues par combinaison de plusieurs unités de petites pompes à chaleur, la régulation a lieu par enclenchement-déclenchement de chaque unité. Si la puissance est obtenue par un compresseur à plusieurs cylindres, l’adaptation à la puissance demandée est effectuée par branchement et débranchement des différents cylindres. La combinaison de plusieurs modules est également une bonne solution, par exemple pour un quartier de villas, si on ne sait pas au départ combien de maisons seront raccordées au système de chauffage par pompe à chaleur.

De nouveaux concepts de régulation font usage de la possibilité de faire varier la vitesse de rotation du compresseur. De cette façon, il est possible d’adapter en tout temps la puissance au besoin momentané. De tels systèmes sont actuellement disponibles, également dans le domaine des fortes puissances. On ne saurait trop les recommander pour conserver une performance correcte tout au long de la saison.

Pour les installations travaillant par enclenchement-déclenchement, il faut éviter des démarrages trop fréquents, afin que le réseau électrique public ne soit pas surchargé et que la PAC ne subisse pas de dommages. Rappelons que ceci est réalisé au moyen d’un accumulateur technique (accumulateur tampon), auquel on ne peut renoncer que dans des cas exceptionnels.

Paramètres de régulation

Les régulateurs commandent la pompe à chaleur en fonction de la courbe de chauffe, après avoir obtenu les données du thermostat d’ambiance et la température de retour. Le thermostat est éventuellement doté de consignes « température de confort » et « température de nuit » réglables. Différentes commandes de fonctionnement sont possibles et s’organisent avec un ordre de priorité précis. Le dégivrage a toujours la priorité et s’effectue automatiquement si les sondes extérieures en indiquent le besoin. Viennent ensuite les alimentations de chauffage et d’ECS. La préparation de l’ECS peut être par exemple considérée comme un mode « été » alors qu’en hiver l’essentiel de la puissance de la pompe servirait au chauffage du bâtiment. Les équipements tels les piscines sont toujours derniers en priorité, à moins bien sûr que la pompe à chaleur ne leur soit spécifiquement destinée (piscines publiques,.)

La régulation de la température de sortie du condenseur est essentiellement liée au mode de chargement de l’accumulateur (étagé ou par stratification).

Adaptation des paramètres en fonctionnement

De nombreuses recherches menées en Suisse durant les premières années de fonctionnement ont montré que beaucoup d’installations ne travaillent pas du tout comme le concepteur du projet le souhaite, cette remarque est également valable pour des installations conventionnelles. Un contrôle des résultats pendant les premières années d’utilisation est donc conseillé pour s’assurer d’un bon fonctionnement de l’installation.

Stabilité du réglage

Les systèmes que l’on trouve pour la technique du bâtiment sont en général assez lents, ce qui permet une régulation stable et fiable. Certains circuits comprennent toutefois des parties où la vitesse de régulation est critique. C’est le cas de la température de départ du condenseur. Pour assurer une régulation rapide, diverses recommandations sont utiles : placer la vanne de régulation le plus près possible de la PAC pour réduire le temps mort, choisir une vanne de régulation à fermeture rapide, optimiser les paramètres de régulation de la vanne, utiliser des thermomètres de régulation à faible inertie.


Choix du chargement

Il existe deux méthodes de chargement de l’accumulateur de chaleur associé à la pompe à chaleur : le chargement étagé et à stratification.

Le chargement étagé est meilleur marché (pas de régulation de la charge) et entraîne un coefficient de performance annuel plutôt meilleur que le chargement par stratification puisque la PAC peut fonctionner avec une température de sortie du condenseur plus basse. Toutefois, ce système a différents désavantages :

Schéma sur le chargement étagé.   Schéma sur le chargement étagé.

Illustration du principe de chargement par étage.

  • Consommation électrique supplémentaire de la pompe du condenseur pour augmenter le débit et diminuer la température de départ.
  • Variations de la température de départ du chauffage difficiles à évaluer.
  • Température finale de l’accumulateur imprécise.
  • N’utilise pas pleinement les capacités de l’accumulateur.
  • Manque de capacité au premier passage.

Cette dernière difficulté pourrait être évitée si la différence de température dans le condenseur est suffisamment importante. De cette façon pourtant, la charge étagée est un non-sens, car dans le meilleur des cas, il ne se produirait qu’environ deux passages étagés à la limite du chauffage. Une charge étagée ne peut être recommandée que dans les situations suivantes :

  • Petite installation (surtout à cause de l’avantage du prix).
  • Un seul groupe de chauffage.
  • Pour accumulateur technique seulement.

À l’opposé, le chargement par stratification, malgré son COP plus faible et son coût plus élevé, permet :

  • Une maîtrise exacte de la température de l’accumulateur.
  • Une température constante de départ garantie.
  • Une puissance de la pompe du condenseur plus faible.
  • Une utilisation maximale de la capacité de l’accumulateur.

Schéma du chargement par stratification.   Schéma du chargement par stratification.

Illustration du chargement par accumulation.

Type de chargement de l’accumulateur

Le chargement étagé de l’accumulateur et, dans certains cas, le chargement par stratification en fonction des conditions météorologiques produisent un meilleur coefficient de performance annuel qu’un chargement par stratification avec consigne constante, car on peut sortir du condenseur avec des températures plus basses. Ce système ne fonctionne toutefois que si l’installation est réglée sur une petite différence de température dans le condenseur. En règle générale cela implique de doubler le débit, ce qui multiplie par 4 la perte de pression sur le condenseur. Ceci doit absolument être pris en considération.

L’influence sur le COP annuel est complexe, car il faut tenir compte non seulement de la température de sortie du condenseur, mais aussi de la consommation d’énergie auxiliaire et de la petite différence de température dans le condenseur lors du chargement étagé. La différence de COP entre une température de sortie du condenseur adaptée ou constante se situe à moins de 10 %.

Encore une fois, reprenons les installations décrites plus haut et supposons qu’au lieu de fonctionner 2 500 h à 47 °C, d’où ε = 3,4, on procède ainsi :

500 h à 45°C, d’où ε = 3,5

1 000 h à 42°C, d’où ε = 3,75

1 000 h à 39°C d’où ε = 4

Le coefficient de performance instantané moyen pondéré SPF s’améliore en passant de 3,4 à 3,8. Le coefficient de performance annuel (COPA) devrait suivre cette tendance et passer de 3 à 3,4. Mais en doublant le débit, la perte de pression dans le condenseur est quatre fois plus forte. Il en résulte pour la petite installation :

  • Ppompe condenseur = (100 kPa x 1,8 m³/h) – (25 kPa x 0,9 m³/h) / (3 600 x 0,10) = 0,438 kW
  • W = 2500 h x 0,438 kW = 1 095 kWh

COPApetit = 25 000 kWh / (25 000 / 3,4) + 1 095 kWh = 2,96

et pour la grande installation :

  • Ppompe condenseur = (100 kPa x 12 m³/h) – (25 kPa x 9 m³/h) / (3 600 x 0,25) = 1 750 kW
  • W = 2 500 h x 1 750 kW = 4 375 kW

COPAgrand = 250 000 kWh / (250 000 / 3,4) + 4 375 kWh = 3,21


Choix de la technique de dégivrage

Modes de dégivrage

On utilise deux modes de dégivrage :

  1. Le système « by-pass » de dégivrage par gaz chaud, par lequel une partie des gaz échauffés à la sortie du compresseur est dirigée vers l’évaporateur. Ce système exige une différence de pression minimale assurée par le compresseur.
  2. L’ inversion de la direction du circuit par une vanne à quatre voies. L’évaporateur devient alors condenseur et le givre est rapidement éliminé au prix d’un plus grand besoin de chaleur momentané.

Illustration du principe de dégivrage par inversion.

Lors du montage de l’évaporateur, il est indispensable de s’assurer que le fonctionnement du dégivrage n’est pas perturbé par un apport d’air froid dû à la circulation naturelle de l’air.

Le dégivrage des pompes Air/Air et Air/Eau

Les pertes provoquées par le dégivrage de l’évaporateur sont difficiles à évaluer avec précision, car elles sont variables en fonction de la programmation des paramètres de dégivrage. L’énergie dépensée pour la fonte du givre (EFG) est généralement fournie par la pompe à chaleur qui, pour l’occasion, fonctionne en sens inverse. Elle vaut environ l’énergie utile de fonte du givre EFGu (énergie pour élever la température du givre à 0 °C + chaleur latente de fusion du givre + énergie pour élever la température de l’eau de 0 °C à 10 °C pour éviter un regel immédiat) divisée par un rendement de 50 %. Cette énergie sera prélevée dans le bâtiment et devra en suite lui être restituée lorsque la pompe se remettra en mode chauffage. Pour des machines bien réglées avec des détections du givre optimales, la perte de COP peut valoir jusqu’à 10 % par temps froid.

Il n’est pas rare de voir des pompes à chaleur dont le système de détection du givre est mal réglé et la durée de dégivrage trop longue. Il s’en suit des consommations d’énergie excessives qui peuvent conduire à des COP inférieurs à 1.

Le graphique ci-contre, issu d’une fiche technique de constructeur, illustre l’influence du dégivrage sur la puissance calorifique et le COP d’une pompe à chaleur Air/Eau. On voit clairement la perte de COP survenant entre 3 et 10 °C. L’air extérieur est chargé d’eau et le fluide frigorigène est à une température inférieure à zéro degré. La glace qui se forme « colle » à l’évaporateur.

Par contre, lorsqu’il fait très froid, l’air extérieur est plus sec et le givre apparaît alors davantage sous forme de cristaux qui n’adhèrent plus sur la paroi de l’évaporateur.

Choix de la technique de dégivrage

Sur le plan énergétique, le dégivrage par inversion du cycle est plus avantageux que le chauffage par injection de gaz chauds. Mais quelle que soit la méthode choisie, c’est surtout la durée du dégivrage qui sera le facteur important pour l’évolution du COP. Le critère d’enclenchement et de déclenchement doit être choisi avec soin.

Le choix du paramètre qui décrit la couche de givre dans l’évaporateur peut être multiple. En utilisation industrielle, il faut choisir un paramètre robuste et assez sensible. Plusieurs choix pour le lancement du dégivrage peuvent être faits :

  • Perte de charge dans l’évaporateur : la mesure de cette grandeur peut provoquer des dérives lorsqu’il y a risque de « bouchonnement » par des impuretés (feuilles, animaux,.) ou par des variations de pression causées par les vents externes.
  • Température de surface des ailettes : la différence entre la température de surface des ailettes et la température de l’air indique bien si une couche de givre (= isolation thermique) s’est formée. Comme le développement de givre n’est pas uniforme sur la surface de l’évaporateur, il faut bien vérifier l’emplacement du capteur de température.
  • Pincement dans l’évaporateur : la couche de givre provoque un blocage du transfert de chaleur qui se traduit par une diminution de l’efficacité de l’échangeur. Par conséquent, il y a une augmentation de l’écart de température minimal entre la température d’évaporation du frigorigène et la température de l’air en sortie d’évaporateur, écart appelé « pincement ». Pour détecter ce pincement, il faudra en général une prise de température de l’air sortant ainsi que le calcul de la température de saturation correspondante à la pression de vaporisation.

De même pour le paramètre d’arrêt, définissant la durée de dégivrage, plusieurs mesures peuvent être considérées :

  • La température du réfrigérant à la sortie de l’évaporateur : pendant le dégivrage de la batterie par inversion de cycle, un film d’eau ruisselle sur l’échangeur en refroidissant le fluide frigorigène. Une fois le dégivrage achevé, une grande partie de l’évaporateur est libérée et le transfert de chaleur diminue, ce qui provoque une réaugmentation de la température de sortie du fluide frigorigène.
  • Température de la surface des ailettes : cette mesure indique directement si l’échangeur est libéré de la couche de givre. Il est cependant difficile de bien placer la sonde pour avoir une bonne représentativité globale de l’échangeur.
  • Optimisation globale par microprocesseur : en combinaison avec les critères étalonnés en usine, le calcul du bilan énergétique par cycle de chauffage permet d’optimiser les grandeurs limites imposées sur site et en cours de fonctionnement.

Ces critères, ainsi que le critère plus « archaïque » qu’est l’horloge, devront être étalonnés soigneusement et vérifiés.

Une fois le cycle de dégivrage achevé, l’enclenchement du ventilateur à plein régime sans mettre en route le compresseur permet de sécher l’évaporateur. À défaut, les gouttelettes restantes seront rapidement gelées.


Choix de l’emplacement de la pompe à chaleur

De façon générale, l’unité principale d’une pompe à chaleur se trouve à l’intérieur du bâtiment à chauffer.

Une PAC à l’intérieur du bâtiment

D’un point de vue acoustique, si l’unité principale d’une pompe à chaleur se trouve à l’intérieur du bâtiment, elle doit être placée dans un local suffisamment éloigné des pièces calmes. On la pose sur des plots antivibratiles (dans le cas où la PAC est bruyante), eux-mêmes placés sur une plateforme stable en béton ou en fer. Les parois du local peuvent également être construites dans des matériaux spéciaux qui atténuent la réverbération des sons.

L’installation d’une PAC doit évidemment répondre aux spécifications du constructeur.

L’air …
Si la PAC véhicule de l’air dans des conduites, l’air doit avoir une vitesse de maximum 4 m/s (circuits principaux). Dans les conduits secondaires, l’air doit avoir une vitesse de maximum 3 m/s. Ces conduits doivent être construits dans des matériaux absorbants et les grilles de prise et de rejet d’air doivent être équipées de grillage antivolatiles.

L’eau …
Si la PAC est à eau, les conduites seront fixées aux parois avec des supports de façon à éviter la transmission des vibrations au bâtiment. Il faudra utiliser des flexibles pour toutes les liaisons à la PAC.

Une PAC à l’extérieur du bâtiment

Il n’existe pas de distance minimale entre une unité extérieure de PAC et le voisinage. Attention par contre à la gêne que peut occasionner une PAC bruyante et aux litiges qui peuvent en découler. Le meilleur choix d’une PAC extérieure est celui d’une très peu bruyante. Si c’est nécessaire, penser aux écrans acoustiques tels que des parois ou bien des arbres à feuilles permanentes.