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Mise en page – Sylvie (08.2010)

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Fonctionnement monovalent

Dans un fonctionnement monovalent, la PAC représente l’unique producteur de chaleur et couvre tous les besoins en énergie de chauffage du bâtiment, c’est pourquoi la température maximale possible du système de chauffage est fonction de la température maximale autorisée en sortie du condenseur.

Fonctionnement bivalent

PAC domestique mono-énergétique

La petite PAC de chauffage domestique est disponible de série. Par exemple, pour une maison familiale très isolée dont les besoins thermiques maximums se montent à 8 kW, une PAC compacte de 4 kW de puissance thermique (1.3 kW au compresseur) fonctionnant en mode bivalent peut couvrir près de 70 % des besoins de chauffage annuel.
La partie centrale de ce genre d’appareils présente une unité compacte composée d’un compresseur et d’un condenseur aux dimensions réduites. Ce genre d’appareil se branche sur les réseaux de distribution de chaleur comme les chaudières classiques. Le but des fournisseurs est d’offrir aux acheteurs et aux installateurs une pompe à chaleur qui soit pour eux aussi simple d’utilisation que n’importe quel autre générateur de chaleur.
Fonctionnant en général avec l’air extérieur comme source froide, ces modèles sont universels et demandent des frais d’installation relativement limités (conduites d’amenée d’air,.). Ils peuvent donc être adaptés à des réseaux de distribution existants lors du remplacement d’une chaudière.
Un chauffage électrique d’appoint permet de couvrir les périodes de pointe. Cet appoint peut être constitué d’une résistance installée au départ du réseau de distribution. Ce fonctionnement « monoénergétique » engendre des frais d’investissement peu élevés, mais une dégradation du rendement énergétique.
Un enclenchement manuel est souvent moins gourmand en énergie qu’un enclenchement automatique. De plus, par grand froid, il vaut mieux renoncer à l’abaissement nocturne de la température afin d’éviter une forte demande d’énergie matinale (qui requiert une forte contribution de l’appoint électrique direct). C’est la qualité de la régulation qui diminue d’autant …

Fonctionnement bivalent-parallèle

On parle de fonctionnement bivalent lorsque, en plus de la PAC, un producteur de chaleur supplémentaire est à disposition (en général une chaudière). « 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 bivalent-alternatif

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).

Régulation de l’accumulation de chaleur

Deux types d’accumulateur de chaleur

Le condenseur ne contient qu’une très faible quantité d’eau et son comportement ressemble à celui d’un chauffage instantané. Un accumulateur à la sortie du condenseur est donc souvent indispensable. On distingue l’accumulateur tampon, mal nécessaire pour garantir une fréquence d’enclenchement maximale admissible (avec une fréquence d’enclenchement trop importante, on risque une usure prématurée du matériel et la PAC ne donne pas ces meilleurs rendements), de l’accumulateur de chaleur, pour stocker de grandes quantités de chaleur sur une longue période. C’est bien de ce dernier dont nous discutons ici.
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 :

> Dans le cas d’un chargement étagé, 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.

Cette augmentation du débit s’accompagne malheureusement d’un quadruplement des pertes de pressions. 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.

> Lors d’un chargement par stratification, 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.

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.

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.