Auteur : Manouane, Laurent

Notes : 04.08.10

  • Mise en page – 1er passage.- Sylvie
  • Reste à faire : liens internes, tdm, en bref !, passage général sur la mise en page de la feuille.

Mise en page – Sylvie (08.2010)

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  • Mise en page globale : listes, tableaux, typographie, images, …

Les propos de cette page concernent surtout les installations domestiques …
L’objectif n’est pas ici de donner une méthodologie de dimensionnement, mais bien de mettre en évidence les points caractéristiques à prendre en compte lors de la conception.

Optimiser l’installation

Une évolution de la puissance en sens contraire de la demande

Prenons le cas d’une pompe dont la source froide est l’air extérieur. On constate que malheureusement, l’évolution de la puissance fournie par la PAC se fait en sens contraire de la puissance appelée par le bâtiment.
Dimensionner une PAC capable de fournir la chaleur nécessaire par – 10 °C extérieurs générerait une puissance beaucoup trop élevée en mi-saison. Elle serait coûteuse à l’investissement et fonctionnerait alors durant de courtes périodes, avec une performance réduite.
Mais choisir une petite pompe à chaleur suppose un appoint de chaleur fort important, ce qui n’est pas plus performant, surtout si l’appoint est électrique.

Il faut donc évaluer la situation au cas par cas et optimiser le système.

Température de dimensionnement, de bivalence et limite

Le diagramme représente, dans la partie supérieure, les courbes relatives au circuit de chauffage, et, dans la partie inférieure, les besoins calorifiques et la puissance de chauffage de la PAC, le tout en fonction des températures extérieures.
Trois paliers importants sont définis en fonction des températures extérieures :

  • La température de dimensionnement (ou de base) : le système de chauffage est dimensionné en fonction de cette température.
  • La température de bivalence : en cas de fonctionnement bivalent, c’est au-dessous de cette température que la chaudière est utilisée.
  • La limite du chauffage : au-dessous de cette température, un système de chauffage est nécessaire.

Dans le diagramme supérieur, on voit que la PAC tente de donner un ΔT° à l’eau de retour mais que en dessous de la température de bivalence, elle n’arrive plus à assurer le niveau de t° de départ souhaité.
Le diagramme inférieur présente 2 fonctionnements bivalent-parallèles dont les sources de chaleur sont fondamentalement différentes :

  • Puissance chauffage PAC à peu près constante : la température de sortie du condenseur évolue parallèlement à la température de retour du chauffage (source de chaleur : par exemple nappe phréatique).
  • Puissance chauffage PAC fortement variable : la différence de température dans le condenseur augmente si la température extérieure croît (source de chaleur : par exemple air extérieur).

Dimensionnement de la pompe à chaleur Air/Eau

La première chose à faire est d’estimer les besoins calorifiques du bâtiment Q selon les normes en vigueur. Comme estimation rapide, on peut multiplier la surface chauffée (en tertiaire) par les besoins calorifiques suivants :

  • bâtiment neuf, isolation au niveau passif : 10 W/m²
  • bâtiment neuf, isolation de très bonne qualité : 40 W/m²
  • bâtiment neuf, isolation de bonne qualité : 50 W/m²
  • bâtiment présentant une isolation normale : 80 W/m²
  • bâtiment ancien sans isolation spéciale : 120 W/m²

Les études techniques et économiques montrent que la pompe à chaleur bivalente financièrement optimale doit être dimensionnée à 70 – 80 % des besoins d’énergie calorifique maximaux.
La PAC fournit la totalité des besoins calorifique jusqu’à la température d’équilibre (température de bivalence) en dessous de laquelle l’installation fonctionne en mode bivalent (la pompe à chaleur augmente la température de retour du chauffage et le second générateur de chaleur assure le complément). Cette température d’équilibre peut être déterminée sur base des graphiques de performance des appareils fournis par les constructeurs.

Reprenons l’exemple d’un constructeur allemand :

Les besoins calorifiques sont de 9 kW par – 14 °C (remarque : en Belgique, on dimensionne généralement pour – 10 °) et la limite de chauffage est fixée à 15 °C. Le graphique de performance indique une puissance de 5 kW pour la pompe à chaleur à – 14 °C. Pour la PAC choisie, le point d’équilibre se trouve à – 4,5 °C et indique une puissance à installer de 6,1 kW.

La puissance du chauffage d’appoint se mesure par la différence entre la puissance calorifique à fournir et la puissance de la PAC à la température de dimensionnement. Ici, elle est de 9 – 5 = 4 kW.

En mode monovalent, la pompe à chaleur est le seul générateur de chaleur à couvrir les besoins du bâtiment. Il faudra donc, le cas échéant, prendre en compte les besoins en eau chaude sanitaire.
Pour les pompes à chaleur avec appoint, ce supplément ne sera pris en compte que si la somme de puissance de chauffage supplémentaire demandée par l’ECS dépasse de 20 % les besoins calorifiques calculés selon la norme. Dans le cas contraire, on comptera sur l’appoint pour fournir le surplus de puissance.

Dimensionnement de la pompe chaleur Eau/Eau

Comme pour la pompe à chaleur Air/Eau, les fournisseurs proposent des graphiques des performances en fonction de la température de la source froide. Il suffit, une fois la température de la source froide évaluée (par exemple une nappe phréatique à 10 °C), de choisir l’installation qui, pour cette température, peut fournir la puissance calorifique demandée par l’utilisateur.
Le débit d’eau nécessaire est fonction de la puissance pompée dans l’évaporateur. Un débit suffisant assurera la constance de la température de la source froide et des performances de la PAC. Une approximation du débit minimal nécessaire peut-être de 150 l/h par kW absorbé pour un refroidissement de 4 à 5 °C dans l’évaporateur. Le débit précis sera déterminé par les formules suivantes :

Qf = V x cv x (tESF – tSSF)

La puissance frigorifique à l’évaporateur Qf est la puissance de chauffage de la pompe à chaleur QPAC moins l’énergie électrique motrice PPAC.

Qf = QPAC – PPAC

où,

  • QPAC = Puissance de chauffage [kW]
  • Qf = Puissance frigorifique [kW]
  • V = Débit volumique [m³/h]
  • tESF = Température d’entrée de la source froide [K]
  • tSSF = Température de sortie de la source froide [K]
  • c= Capacité calorifique ou chaleur spécifique [kWh/m³.K]
  • PPAC = Puissance électrique absorbée [kW]

Exemple
Pour un débit d’eau de 2,5 m³/h et un refroidissement de 4 K, une puissance de 11,6 kW est absorbée à l’évaporateur (c’est-à-dire la puissance frigorifique).

Qf = 2,5 [m³/h] x 1,163 [kWh/m³.K] x 4 [K]

Pour les pompes à chaleur alimentées par des eaux de surface, on limite le refroidissement dans l’évaporateur à 2 °C. Il faudra donc s’assurer un débit double pour pomper la même quantité de chaleur. On peut donc prendre comme évaluation le chiffre de 300 l/h par kW.
Lorsque la vitesse d’écoulement est insuffisante pour assurer le débit demandé, il faudra augmenter la taille de l’échangeur de chaleur en compensation.

V = v x A

Où :

  • V = Débit volumique [m³/h]
  • v = vitesse d’écoulement [m/s]
  • A = surface d’échange [m²]

Le calcul du débit d’air dans un évaporateur de PAC Air/Air ou Air/Eau se fait exactement de la même façon.