Régulation des pompes à chaleur

Quelle 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 peut également être une bonne solution.

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 (voir ci-dessous).

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.

Monovalent, bivalent ou avec résistance d’appoint électrique ?

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. Cependant, 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 celle permise par la PAC, la combinaison avec autre source de chaleur, en général une chaudière, est nécessaire. On parle alors de système bivalent. 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.

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.

Bivalent

Le fonctionnement bivalent alternatif a l’avantage de la simplicité de compréhension et de régulation. Le passage du point de bivalence entraîne la commutation d’un producteur de chaleur à l’autre. On obtient ainsi des conditions de fonctionnement clairement définies et facilement compréhensibles, ce qui n’est pas le cas pour le bivalent-parallèle. Ce système implique les conditions suivantes :

  • La température de départ du système de chauffage, au point de bivalence, ne doit pas dépasser la température maximale de sortie du condenseur.
  • Lors de la commutation, le producteur de chaleur superflu doit être chaque fois déconnecté du système hydraulique.
  • La commutation inverse s’effectue en respectant un écart de T° réglable (sécurité).

Fonctionnement bivalent alternatif chaudière et pompe à chaleur.

Le fonctionnement parallèle par contre profite mieux de la pompe à chaleur puisqu’elle fonctionne toute la saison de chauffe. “Parallèle” signifie qu’en dessous du point de bivalence, les deux producteurs de chaleur travaillent parallèlement. Avec un point de bivalence situé à 50 % de la puissance de dimensionnement, 80 à 90 % du besoin annuel de chaleur peut être couvert par la pompe à chaleur. Les conditions suivantes doivent être remplies :

  • La température de retour maximale du système de chauffage ne doit pas dépasser la température maximale admise à l’entrée du condenseur.
  • La température de départ du système de chauffage ne doit pas excéder, au point de bivalence, la température maximale de sortie du condenseur.
  • Le système de raccordement hydraulique et les débits doivent être réglés de telle façon que la puissance puisse être délivrée à n’importe quelle phase du fonctionnement et que la température maximale admise de sortie du condenseur ne soit jamais dépassée.

Fonctionnement parallèle chaudière et pompe à chaleur.

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 à 90 % du besoin de chaleur).

Avec appoint électrique

Une installation avec appoint électrique est perçue comme un compromis. 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.

Régulation de l’accumulation de chaleur

La commande et le réglage de la température de sortie du condenseur peuvent se dérouler de manière adaptée ou constante, cela dépend du mode de chargement : étagé ou par stratification.

Chargement étagé

Dans ce cas, l’accumulateur est chargé par étapes, en plusieurs passages avec des températures de sortie du condenseur croissantes. L’avantage est de pouvoir travailler une partie du temps avec une température de sortie du condenseur assez basse, ce qui améliore le COP de la PAC.

Pour diminuer encore cette température en conservant un transfert de chaleur constant, on multiplie le débit par 2 pour autoriser un écart de température 2 fois moins important.

Toutefois, ce système a différents désavantages :

  • l’ augmentation du débit s’accompagne malheureusement d’un quadruplement des pertes de pressions, et donc d’une consommation électrique supplémentaire de la pompe du condenseur.
  • Variations de la température de départ du chauffage difficiles à évaluer.
  •  L’accumulateur ne peut pas être chargé avec une température finale exacte. Celle-ci varie selon les différences de température choisie à travers le condenseur.
  • N’utilise pas pleinement les capacités de l’accumulateur.
  • Manque de capacité au premier passage.

 

Illustration du principe de chargement par étage.

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.

Chargement par stratification

Dans ce cas, l’accumulateur est chargé en un passage et de manière stratifiée avec une température de sortie du condenseur constante et une différence de température entre l’entrée et la sortie du condenseur variable. La température de consigne du chargement peut être choisie avec précision.

Cette valeur peut être définie selon les conditions météorologiques. Comme la température de sortie du condenseur est constamment élevée, le COP sera moins bon que pour le chargement étagé. Cependant, le chargement par stratification 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.

Illustration du chargement par accumulation

Une fois choisi le type d’accumulateur et le mode de chargement, il faut définir trois points essentiels :

  • La différence de température dans le condenseur, qui détermine le débit et la consommation de courant de la pompe du condenseur.
  • Le point d’enclenchement, mesuré par la sonde supérieure de l’accumulateur et permettant de savoir si l’accumulateur est “vide”, ce qui provoque l’enclenchement de la pompe à chaleur.
  • Le point de déclenchement, mesuré par la sonde inférieure de l’accumulateur (ou sonde dans le circuit de retours vers la pompe à chaleur permettant de savoir si l’accumulateur est “plein”, ce qui provoque le déclenchement de la pompe à chaleur).

En outre, on peut également prévoir une régulation supplémentaire permettant, en fonction des conditions météorologiques :

  • L’enclenchement et le déclenchement étagé ou par stratification.
  • Le réglage de la température de charge en cas de chargement par stratification.

Influence sur le COP

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

Les dispositifs de sécurité

Différents dispositifs de sécurité veillent au maintien de conditions d’exploitation admissibles :

  • pressostats Haute (1) et Basse (2) Pression pour le contrôle des valeurs limites dans le condenseur et l’évaporateur,
  • thermostat de surveillance de la température des gaz chauds (3),
  • soupapes de sécurité, points ou membranes de rupture assurant la protection contre les explosions ou les surpressions extrêmes,
  • thermostat de protection du bobinage (klixon) contrôlant la température du moteur électrique (4),
  • pressostats de sécurité pour la pression de l’huile (5) destinée à la lubrification,
  • déshydrateur assurant une protection contre l’humidité et les impuretés dans le fluide (6),
  • regard sur le passage du fluide (7),
  • thermostat de protection antigel évitant l’apparition de givre sur l’évaporateur (8),
  • dispositif de surveillance des flux pour protéger l’évaporateur contre le danger de gel et le condenseur contre le danger de surchauffe (9),
  • bypass “gaz chaud” pour la protection contre le gel dans les PAC air/eau (A),
  • bypass de détente pour démarrage (B).

Ces dispositifs de sécurité doivent absolument fonctionner comme organe de sécurité et jamais comme organe de commande. Une plage suffisamment grande doit toujours être maintenue entre les valeurs de consigne de la commande/régulation et les valeurs du système de sécurité.