Nous souhaitons à tous nos lecteurs une information riche d enseignement et beaucoup de satisfaction lors de l utilisation de ce manuel.

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2 Préface L époque où les constructeurs et les concepteurs de chauffage ne pouvaient choisir qu entre un chauffage au fuel ou au gaz, est révolue. Les prix du pétrole en augmentation constante et la transformation du climat ont contribué plus que jamais à trouver d autres alternatives. Le chauffage avec des pompes à chaleur en a profité. De plus en plus de constructeurs se convertissent à l énergie propre, renouvelable, «la chaleur ambiante». Le marché des pompes à chaleur s est développé de manière impressionnante ces dernières années dans toute l Europe. Des taux de croissance annuels de 30-50% et plus parlent d euxmêmes. Nous croyons cependant qu il subsiste encore un énorme potentiel dans ce domaine. L utilisation de la chaleur ambiante provenant de l air, du sol et de l eau pour le chauffage, le refroidissement et la préparation d eau chaude sanitaire est d ailleurs bien plus qu un phénomène de mode. C est avant tout une mesure pleinement efficace pour réduire les émissions de CO 2. Notre génération actuelle porte la responsabilité de la génération future. La sauvegarde et la préservation de l environnement en font également partie. En outre, le pétrole et le gaz en tant que matières brutes sont beaucoup trop précieux pour être brûlés simplement et de manière irrémédiable. La politique aussi a reconnu cela. Les enquêtes actuelles sur l efficacité des différentes lois et décrets relatifs à la réduction de CO 2 prouvent que les pompes à chaleur en considérant toutes les énergies sont particulièrement avantageuses. Grâce à notre guide technique sur les pompes à chaleur, nous mettons à la disposition des architectes, des concepteurs et des installateurs un outil d utilisation facile et sûr pour le conseil, la planification et l exécution. A côté des principes généraux physiques et techniques, notre guide vous offre également de nombreuses astuces d application. Les systèmes de pompes à chaleur Alpha-InnoTec jouissent d une excellente réputation. Grâce à de réelles évolutions hautement innovantes dans le domaine de la technique des pompes à chaleur, nous enregistrons en Europe des taux de croissance remarquables. Notre succès repose sur des systèmes compacts et conviviaux, hautement intégrés, qui regroupent en un seul appareil tous les composants hydrauliques nécessaires ainsi que la préparation d eau chaude sanitaire et le refroidissement passif. La fonction de refroidissement revêt une importance de plus en plus significative et représente donc un argument déterminant vis à vis des producteurs de chaleur fossiles. Afin que la pompe à chaleur travaille le plus efficacement et le plus économiquement possible, veuillez respecter certains principes essentiels. Vous trouverez tous ces détails pratiques résumés dans le guide de pompes à chaleur Alpha-InnoTec. Que vous souhaitiez juste vous procurer un bref aperçu sur le sujet ou que vous cherchiez une notice détaillée pour l installation d une pompe à chaleur : vous trouverez à chaque fois votre bonheur dans le guide d Alpha-InnoTec. Utilisez l ouvrage comme une référence technique, une aide d utilisation pratique ou pour argumenter et consolider votre choix. La pompe à chaleur n est plus un produit de niche et s est répandue aujourd hui dans le monde entier. Pour cette raison, nous considérons également le GUIDE comme un ouvrage dépassant les frontières et nous désirons remercier par la même occasion nos partenaires francophones : Alpha-InnoTec France pour la France, Calmotherm S.A pour la Suisse ainsi que Nathan Import / Export B.V. pour la Belgique, pour l assistance diverse et variée, l adaptation de toutes les normes nécessaires et données spécifiques aux pays et la collaboration stimulante. Nous souhaitons à tous nos lecteurs une information riche d enseignement et beaucoup de satisfaction lors de l utilisation de ce manuel.

3 1 Plan Principes physiques et techniques...5 Energie et puissance nécessaires Pompes à chaleur Pompe à chaleur air/eau...15 Installation extérieure air/eau Installation intérieure air/eau...26 Pompe à chaleur saumure/eau...29 Source de chaleur du sol...30 Collecteur de chaleur terrestre...33 Sonde géothermique...39 Pompe à chaleur eau/eau...45 Source de chaleur eau souterraine Technique de l installation Modes d utilisation de la pompe à chaleur Intégration dans le système de chauffage...52 Chauffage de piscine Connaissances Astuces pratiques et questions fréquentes...59 Glossaire...71

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5 Principes physiques et techniques 3. Principes physiques et techniques. Mode de fonctionnement des pompes à chaleur...5. Rendement et coefficient de performance...6. Chaleur et puissance nécessaires. Puissance nécessaire...7. Puissance totale nécessaire...7. Puissance thermique nécessaire...7. Puissance nécessaire pour la préparation d eau chaude sanitaire...8. Puissance nécessaire pour une utilisation spéciale...8. Délestage...8. Température de départ du système de distribution...9. Sélection de la source de chaleur...9. Source de chaleur air Source de chaleur sol Source de chaleur eau Modes de fonctionnement Courbe de fréquence annuelle de la température extérieure Mode de fonctionnement monovalent Mode de fonctionnement mono-énergétique Mode de fonctionnement bivalent Sélection de pompe à chaleur avec fonctionnement mono-énergétique ou bivalent Exemples de configuration mono-énergétique Consignes de planification Indications de puissance Remarques récapitulatives

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7 Principes physiques et techniques 5 Mode de fonctionnement des pompes à chaleur En Europe, un bon quart (29 %) de l énergie finale transformée est consommée dans les foyers privés (source : groupe de travail, bilan énergétique 08/2003). Les trois-quarts pratiquement sont utilisés pour le chauffage ambiant. Une raison suffisante pour concentrer ses efforts sur les économies d énergie et la diminution des émissions de CO 2. Le potentiel peut être utilisé pour la protection thermique, par ex. l amélioration de l isolation, des fenêtres modernes et un système de chauffage économique et écologique. consommation d'énergie de fin des ménages Mode de fonctionnement des pompes à chaleur Les pompes à chaleur travaillent selon le principe d un réfrigérateur : même technique, mais avec une utilisation inverse. Le réfrigérateur absorbe la chaleur des aliments. Il la distribue dans la pièce grâce à des lamelles situées à l arrière. La pompe à chaleur prélève la chaleur de notre environnement à partir de l air, la terre ou l eau. Cette énergie acquise par l appareil est ensuite transmise à l eau de chauffage. Même lorsqu un froid glacial règne à l extérieur de l habitation, la pompe récupère toujours autant de chaleur dont elle a besoin pour chauffer l habitation. Cuisine 3,7 % Eau chaude sanitaire 10,5 % Eclairage 1,4 % Appareils électriques 6,6 % Chaleur sans combustion le fonctionnement de la pompe à chaleur peut être résumé en gros de cette manière. Ce principe devra être considéré de plus près pour expliquer les différences par rapport aux chaudières traditionnelles : la pompe à chaleur a besoin d une source de chaleur supplémentaire pour le raccordement énergétique. Les températures d eau de chauffage à la sortie de la pompe à chaleur sont limitées à 55 C, 65 C ou de manière idéale entre 35 C et 40 C. Les températures aller basses sont récompensées par des coûts de fonctionnement moindres. Chauffage 77,8 % Source : BWP La plus grande partie de l énergie thermique, qui est transmise par la pompe à chaleur, provient de l environnement. Seule une fraction doit être alimentée en tant qu énergie électrique. Le coefficient de performances (COP) de la pompe se situe généralement entre 3 et 6. Les pompes à chaleur offrent donc les conditions idéales pour un chauffage écologique qui préserve l énergie. Exemple de flux de température sur une installation avec une pompe à chaleur air/eau extérieure Comment cela fonctionne t-il? La pompe à chaleur est une machine thermodynamique dans laquelle un réfrigérant (gaz frigorifique) parcours un circuit fermé. Le réfrigérant modifie ainsi son état physique pour passer d un état liquide à gazeux. Le processus traverse les uns après les autres les composants ou étapes suivantes : Evaporateur : le processus est alimenté par l énergie ambiante. Le réfrigérant pénètre à une température basse et à l état liquide dans l évaporateur de la pompe. Il prélève ici la chaleur provenant de la source de chaleur (par ex. l air extérieur), la température du réfrigérant monte et quitte l évaporateur, réchauffée sous forme de gaz. Energie primaire Pompe à chaleur (PàC) Compresseur : le processus est alimenté par l énergie électrique. Le réfrigérant à l état gazeux est compressé et la pression augmente ainsi. Comme sur une pompe à vélo, la température du réfrigérant est accrue par la hausse de pression (gaz chaud). Condensateur : le processus fournit de la chaleur à l eau de chauffe au moyen du gaz chaud. Le réfrigérant est donc de nouveau liquide, il se refroidit quelque peu au contact de la température de l eau de chauffage. Air 0 C Air -5 C Retour chauffage 28 C Aller chauffage 35 C Détendeur : la pression du réfrigérant est réduite et celuici se refroidit. Un effet comparable peut être observé avec des bombes à aérosol : lors de la pulvérisation (expansion ou réduction de pression du contenu), les bombes deviennent nettement plus froides. Le réfrigérant quitte le détendeur à une température qui se situe en dessous de la température de la source de chaleur.

8 6 Principes physiques et techniques Rendement et coefficient de performance Le rendement (taux d efficacité) ( ) décrit le rapport entre la puissance utile et la puissance absorbée. De manière idéale, le taux d efficacité est 1. Mais les processus techniques sont toujours associés à des pertes, c est pourquoi, les taux d efficacité des appareils techniques sont toujours plus petits que 1 ( < 1). : taux d efficacité Q. : puissance utile émise N P el : puissance distribuée (électrique) = QN Pel Sur les pompes à chaleur, une grande part de l énergie est prélevée dans l environnement. Cette part n est pas considérée comme une énergie déployée car elle est fournie gratuitement. Le rendement ainsi calculé serait supérieur à 1 et cela n est pas correct techniquement. C est pourquoi, le coefficient de performance (ou COP) a été introduit pour la description du rapport de l énergie utile par rapport à l énergie déployée (l énergie de travail pure dans ce cas). Le coefficient de performance des pompes à chaleur se situe dans un ordre de grandeur : = 3-6. cop= QPàC cop: coefficient de performance (COP = Coefficient Of Performance) Q. : puissance thermique émise PàC P el : puissance électrique absorbée (EN 14511) Pel Tandis que le coefficient de performance décrit l efficacité de la pompe à chaleur à un point de travail défini, le rendement de toute l installation est décrit sur toute l année par le taux de travail annuel : = Wutile Wel : taux de travail annuel W utile : travail du chauffage W el : travail alimenté par l électricité Le taux de travail annuel des installations de pompes à chaleur Alpha-InnoTec peut être estimé suffisamment bien avec le programme de calcul «Alpha-Plan». La chaîne de transport pré-installée et la transformation des porteurs d énergie électriques et fossiles s accompagnent de pertes plus ou moins importantes. Une comparaison correcte entre la chaudière et la pompe à chaleur doit prendre en compte ces pertes. Le taux d utilisation de l énergie primaire (TEP) décrit le rapport de l énergie utile par rapport à l énergie primaire déployée en tenant compte des pertes subies lors de la transformation et du transport (voir le graphique sur la consommation d énergie primaire). Pour la chaudière, le taux TEP est toujours < 100 %, tandis que les pompes à chaleur atteignent un taux TEP > 100 %. Le coefficient de performance et le taux de travail annuel associé peuvent être influencés lors de l étude de l installation par le choix judicieux de la source de chaleur et du système de distribution de chaleur. Plus la différence est petite entre la température aller chauffage et la température de la source de chaleur, meilleur est le coefficient de performance. Le meilleur coefficient de performance est réalisé lors de températures élevées de la source de chaleur et de températures aller basses dans le système de distribution de chaleur qui peuvent être atteintes principalement grâce aux chauffages de surface (plancher chauffant / chauffage de sol). Lors de l étude de l installation, une comparaison est effectuée entre un mode de fonctionnement efficace et les frais d investissement ou les dépenses engagées pour la réalisation de cette installation. Consommation d'énergie primaire nécessaire pour produire l'énergie utile nécessaire Chauffage central au fuel Pertes Energie thermique Pompe à chaleur électrique (saumure/eau) Pertes Energie thermique Réglage et distribution Energie utile Réglage et distribution 5 Energie utile 100 Chaleur ambiante (chaleur terrestre) 105 Chaudière Approvisionnement et transport Energie finale à payer par le client (fuel domestique) Energie primaire (pétrole) Distribution électrique Centrale électrique Approvisionnement et transport Energie finale à payer par le client (courant électrique) Energie primaire (énergie hydraulique, énergie nucléaire, charbon)

9 Chaleur et puissance nécessaires 7 Consommation Un dimensionnement exact est particulièrement important sur les installations de pompes à chaleur. Des pompes sousdimensionnées entraînent des pertes de confort et des coûts de chauffage accrus. La sélection d appareils trop gros est souvent associée à des coûts d installation excessivement élevés. Les dimensions supérieures et inférieures doivent donc être impérativement évitées! Pour une configuration adaptée au besoin de l installation de pompes à chaleur, les données suivantes sont nécessaires : Puissance totale nécessaire Puissance thermique nécessaire du bâtiment Puissance nécessaire pour la préparation de l eau chaude sanitaire Puissance nécessaire pour utilisation spéciale Temps d arrêt éventuels du fournisseur en énergie (Délestage en Suisse) Température aller du système de distribution Sélection de la source de chaleur Mode de fonctionnement de la pompe à chaleur Puissance totale nécessaire = Q PàC La puissance totale nécessaire provient de l utilisation des bâtiments et des habitudes de consommation des habitants. Elle se compose des puissances nécessaires pour couvrir la demande de chaleur pour le chauffage, la demande d eau chaude sanitaire et la demande provenant d utilisations spéciales, comme par exemple le chauffage d une piscine. Puissance thermique nécessaire + puissance nécessaire pour la préparation d eau chaude sanitaire + puissance nécessaire pour l utilisation spéciale = puissance totale nécessaire La puissance totale nécessaire doit être couverte par l installation de chauffage. De plus, la puissance nécessaire de la pompe à chaleur est déterminée par d autres facteurs, comme le mode de fonctionnement et les temps d arrêt provenant des distributeurs d énergie électrique. Puissance thermique nécessaire = Q B (puissance du bâtiment) Le calcul exact de la puissance thermique nécessaire ou de la maison à chauffer s effectue selon la norme UE EN ou selon les normes et directives en vigueur spécifiques au pays. Sur les bâtiments existants, on peut recourir d avance et de manière approximative à la consommation d énergie des années précédentes ou effectuer une estimation moins exacte à l aide de l année de construction. Le calcul de la consommation d énergie présente l avantage que les habitudes de consommation déviant de la norme sont également prises en compte. En aucun cas, l indication de puissance d une chaudière présente ne devra être reprise car celles-ci sont en général surdimensionnées. Le calcul de la puissance thermique de chauffage nécessaire à partir des valeurs de l utilisateur s effectue en divisant la consommation avec un facteur dépendant du support d énergie. Par exemple, la puissance thermique de chauffage nécessaire s élève avec une consommation de fuel de 3500 l/a : France : 3500 l/a : 250 l/(a kw) = 14 kw Suisse : 3500 l/a : 300 l/(a kw) = 11,7 kw Support d énergie Valeurs pratiques France 1) facteur Valeurs pratiques Suisse 2) facteur Gaz naturel (m 3 ) 230 m 3 /(a kw) 280 m 3 /(a kw) Fuel domestique (l) 250 l/(a kw) 300 l/(a kw) Gaz liquéfié (l) 335 l/(a kw) *) 400 l/(a kw) *) Le diviseur s applique pour la consommation normale d eau chaude sanitaire, les habitations individuelles et à deux logements 1) valable pour 1900 heures de pleine utilisation et un rendement annuel de la chaudière de 75 %. 2) valable pour 1800 heures de pleine utilisation et un rendement annuel de la chaudière de 70 %. *) en fonction de la température Si la puissance thermique nécessaire est calculée d après les valeurs de consommation, la valeur moyenne de la consommation d énergie des 3 dernières années, voire des 5 dernières années, devra être étudiée de plus près afin d éliminer les aberrations statistiques. Veuillez tenir compte du fait que la puissance nécessaire ne peut pas être calculée à partir de la consommation lorsque la consommation d eau chaude sanitaire a augmenté (par ex. dans un centre sportif). Si, dans une habitation individuelle (env. 4 personnes), la préparation d eau chaude sanitaire est également comprise dans les valeurs de consommation, env. 15 % de la consommation pourront être déduits lorsque la préparation de l eau sanitaire provient d une centrale raccordée. Si les valeurs de consommation ne sont pas présentes, la puissance thermique nécessaire pourra être calculée de manière approximative à partir de la surface chauffée. Vous disposez pour cela des valeurs indicatives suivantes : Valeur indicative en France : Normes Puissance thermique spécifique nécessaire Normes RT W/m 2 Normes RT W/m 2 Bâtiment isolé normalement W/m 2 Bâtiment mal isolé W/m 2 Par exemple, la puissance maximale de chauffage nécessaire d un bâtiment érigé selon la norme 2005 avec une surface chauffée de 150 m 2 s élève en France à : 150 m 2 x 55 W/m 2 = W (8,25 kw) Valeur indicative en Suisse : Bâtiment Année de construction des habitations avant 1990 Habitations bien isolées thermiquement Energie minimale Habitations à très basse énergie Puissance thermique spécifique nécessaire W/m W/m 2 25 W/m 2 Par exemple, la puissance maximale de chauffage nécessaire d un logement bien isolé thermiquement s élève en Suisse à : 150 m 2 x 35 W/m 2 = W (5,25 kw)

10 8 Chaleur et puissance nécessaires Consommation Consommation pour la préparation d eau chaude sanitaire Q ECS La consommation d eau chaude sanitaire est fortement dépendante des habitudes individuelles. Afin de satisfaire aux exigences de confort actuelles, la consommation devra être fixée entre 80 et 100 l d eau pour une température de 45 C. Cela correspond à des besoins en énergie de 4 kwh par jour et par personne ou à une puissance moyenne nécessaire de 0,17 kw par personne. La puissance devra être dimensionnée en fonction de la demande maximale. Afin d avoir suffisamment de réserves, la puissance thermique pour la préparation de l eau sanitaire dans une habitation individuelle et une habitation à deux logements devra être prise en compte avec 0,25 kw par personne. Le dimensionnement exact pour la préparation de l eau chaude sanitaire est représenté dans le Guide de pompes à chaleur, Modes d utilisation de la pompe à chaleur. En France, la consommation devra être fixée à 50 l d eau avec une température de 50 C. Cela correspond à des besoins en énergie de 3 kwh par jour et par personne ou à une consommation moyenne de 0,125 kw par personne. Les conduites de circulation (bouclage ECS) ne devront si possible pas être utilisées. Elles augmentent la chaleur nécessaire de l installation jusqu à 50 % pour la préparation d eau chaude sanitaire. Si les conduites de circulation sont vraiment indispensables (contenance de la canalisation > 3 litres), la pompe de circulation devra être commandée au moyen d une minuterie de façon à être actionnée uniquement au moment des pics de consommation (le régulateur de la PàC dispose de cette fonction). Si le besoin d eau chaude est déjà pris en compte dans la demande de chaleur de chauffage, étant donné que celle-ci a été calculée uniquement en fonction de la consommation énergétique, y compris la préparation de l eau chaude, l ajout de la puissance nécessaire pour la préparation d eau chaude n est pas indispensable lors du calcul de la puissance totale nécessaire. Celui-ci s annule aussi lorsque la préparation d eau chaude a été reportée sur les heures de nuit et que le chauffage durant cette période a baissé, de manière significative d ailleurs sur les pompes à chaleur saumure et eau/eau. Cela peut être réglé sur le régulateur de la pompe à chaleur. Puissance nécessaire pour une utilisation spéciale Q S Dans de nombreux cas, une piscine est chauffée. Le type de construction et le mode de fonctionnement de la piscine déterminent (voir les modes d utilisation de la pompe à chaleur) si ce besoin thermique entre dans la demande thermique globale. Si la piscine est chauffée exclusivement en dehors de la saison de chauffage, la puissance nécessaire ne doit pas être prise en compte. Le chauffage annuel d une piscine fait toujours partie de la puissance totale nécessaire de toute l installation. La puissance nécessaire pour le chauffage ambiant ainsi que pour le chauffage de l eau du bassin doivent être pris en compte dans ce cas. La puissance nécessaire pour le chauffage ambiant, l aération et le système de déshumidification et d humidification doit être déterminée dans tous les cas par un calcul de la puissance nécessaire et ajoutée à la puissance totale nécessaire. Temps d arrêt Z (délestages) Les temps d arrêt sont réglés par les entreprises d approvisionnement en énergie électriques et sont différents d un pays à l autre. En France et en Belgique, il n existe pas de temps d arrêt. Le tarif électrique avantageux pour pompe à chaleur est généralement associé aux temps d arrêt, durant lesquels l installation de pompes à chaleur n est pas alimentée en courant électrique. L alimentation en courant peut être interrompue par exemple 3 x 2 heures en 24 heures. Ces temps d interruption sont pris en compte au moyen d un facteur afin de calculer la puissance nécessaire. Dans la pratique, des facteurs plus petits peuvent être utilisés dans une construction récente avec chauffage au sol (plancher chauffant) grâce à l inertie thermique du sol. Le facteur additionnel Z nécessaire est calculé de la manière suivante : Pour les temps d arrêt courants, le facteur s élève à : Temps d arrêt Valeur calculée Z Construction avec chauffage au sol 1 x 2 heures 1,10 1,05 2 x 2 heures 1,20 1,10 3 x 2 heures 1,33 1,15 L inertie thermique suffit en général sur des maisons construites massivement, en particulier avec le chauffage au sol, pour courtcircuiter les temps d arrêt de 2 heures sans perte de confort. L augmentation de la puissance de la pompe à chaleur est cependant nécessaire à cause du réchauffement de la masse de l habitation. La pratique montre que les pièces ne sont jamais toutes chauffées et que la température extérieure minimale se rapprochant de la norme UE EN n est que rarement atteinte ou inférieure. Le dimensionnement de l installation s effectue par la puissance totale nécessaire x Z. Q PàC Q B Q ECS Q S Exemple : 3 x 2 h temps d'arrêt = 6 h 24 h Z = 24 h - 6 h Z = 1,33 Q PàC = (Q B + Q ECS + Q S ) x Z = puissance totale nécessaire = puissance de chaleur nécessaire (besoin thermique du bâtiment) = puissance nécessaire pour la préparation d eau chaude sanitaire = puissance nécessaire pour une utilisation spéciale

11 Chaleur et puissance nécessaires 9 Sélection de la source de chaleur Température de départ du système de distribution Le système de distribution de chaleur des installations de pompes à chaleur devra être dimensionné dans tous les cas de façon à ce que le besoin thermique nécessaire puisse être couvert en cas de températures de départ les plus basses possibles. Chaque degré en moins sur la température de départ correspond à une économie allant jusqu à 2,5 % de la consommation énergétique de l installation. Pour les températures aller supérieures à 55 C, une pompe à chaleur spéciale adaptée à cette plage de température (série haute température(h) jusqu à 65 C) doit être installée ou une pompe à chaleur assistée par un deuxième système de chauffage. En fonctionnement bivalent, la chaudière présente peut être installée dans le bâtiment pour assister en cas de températures extérieures basses. La pompe à chaleur peut être assistée également de manière mono-énergétique avec un appoint électrique (corps de chauffe). Température de départ ( C) A Courbe A : Température de départ de 90 C en fonctionnement bivalent, avec réservoir tampon séparé B C Température de départ maximale des pompes à chaleur Courbe B : Température de départ de 75 C en fonctionnement bivalent, avec réservoir tampon séparé D E Courbe C : Température de départ de 60 C fonctionnement mono-énergétique possible uniquement avec une pompe air/eau modèle H, fonctionnement monovalent possible avec une pompe saumure/eau modèle H Courbes D et E : La température de départ est inférieure à 55 C, si bien qu'un fonctionnement mono-énergétique avec des pompes air/eau modèle M ou un fonctionnement monovalent avec des pompes saumure/eau et eau/eau est possible Température extérieure t A Les systèmes de chauffage à basses températures, principalement les chauffages au sol et les chauffages muraux, sont particulièrement adaptés. Ces systèmes de chauffage de surface permettent généralement une température de départ maximale inférieure à 35 C et un fonctionnement efficace des installations de pompes à chaleur. Si une pompe à chaleur est installée dans un bâtiment existant, la mise en place sur un système de chauffage de surface n est généralement pas possible. Dans de tels cas, une température de départ d env. 55 C (65 C) ne devra pas être dépassée. La température aller peut être abaissée en diminuant les pertes thermiques. Les mesures suivantes sont particulièrement adaptées pour les bâtiments : Remplacement des fenêtres Limiter l aération Isolation des planchers, des combles et de la façade Grâce aux besoins thermiques moindres et à un rendement amélioré de la PàC, la consommation énergétique est réduite. En général, une pompe à chaleur de plus petite puissance et plus avantageuse peut être incorporée. Le remplacement des radiateurs afin de baisser la température de départ en augmentant la surface de chauffage ne devra être envisagé qu en dernier. Sélection de la source de chaleur L avantage de la pompe à chaleur réside avant tout dans l utilisation de la chaleur environnementale fournie gratuitement. Les sources de chaleur sol, eau et air ambiant sont mises à disposition gratuitement. La désignation de la pompe à chaleur provient de la source de chaleur et du support thermique de l installation côté chauffage : Pompe à chaleur saumure/eau Pompe à chaleur air/eau Pompe à chaleur air/air Pompe à chaleur eau/eau Les sources de chaleur possèdent différentes propriétés. Elles ne peuvent pas être installées et exploitées partout de la même manière. Les exigences et les données spatiales diffèrent d un cas à l autre, c est pourquoi il n existe pas de solution meilleure qu une autre en fonction des différentes utilisations. Pour chaque cas particulier, une comparaison des avantages et des inconvénients s impose. Les critères suivants devront être pris en compte pour la sélection de la source de chaleur : Disponibilité suffisante Capacité de stockage la plus élevée possible Niveau de température le plus élevé possible Régénération suffisante Exploitation avantageuse

12 10 Chaleur et puissance nécessaires Sélection de la source de chaleur Source de chaleur air Généralement, l air extérieur sert de source de chaleur sur les pompes air/eau. Il est possible également d utiliser l air des locaux ou l air refoulé dans les installations commerciales et industrielles. Cependant, l utilisation de l air des locaux ou de l air refoulé devra être décidée avec nos partenaires lors de l étude préalable. L emploi de l air des locaux comme source de chaleur est tout à fait judicieux dans les entreprises commerciales avec de grandes quantités d air refoulé tempéré ou lorsqu un refroidissement des locaux est nécessaire. L utilisation d air chargé chimiquement ou contenant de l ammoniaque (par ex. l air refoulé d une étable) n est pas autorisée. La ventilation contrôlée d une pièce d habitation avec une récupération de chaleur représente un cas particulier. Dans les appareils de ventilation, des pompes à chaleur air/air sont souvent incorporées. La règle suivante prévaut ici : l utilisation de l air extérieur par une pompe à chaleur air/eau. Les coûts d équipement bas, facilement calculables, représentent un énorme avantage de la source de chaleur air/eau. L utilisation de l air ne nécessite aucune autorisation. Les pompes à chaleur air/eau peuvent être montées à l intérieur ou à l extérieur de la maison. Le montage intérieur nécessite des canaux d air pour l aspiration et le refoulement de l air extérieur. Le montage extérieur nécessite peu d espace; prière de respecter ici les consignes de montage (afin d éviter toutes perturbations par émissions sonores). Source de chaleur sol Le sol emmagasine chaque saison la chaleur de l environnement, ceci sur un espace de temps assez long. Il entraîne une température de la source de chaleur relativement haute et uniforme sur toute l année et permet ainsi un bon coefficient de performance. L utilisation de la chaleur stockée dans le sol s effectue au moyen de collecteurs horizontaux ou de sondes géothermiques (forages). La chaleur est ainsi captée par un circuit auxiliaire (circuit de saumure) qui délivre pour sa part d énergie à la pompe à chaleur. Collecteurs de chaleur terrestre Le rendement est déterminé essentiellement par la nature et la contenance en eau du sol. Les sols fermes et humides sont de meilleures sources de chaleur que les sols secs et sablonneux. Le sol se régénère avant tout grâce aux eaux pluviales. Sa surface ne doit donc pas être recouverte ou obstruée. Les collecteurs posés horizontalement ont besoin d une surface plus importante. La surface nécessaire au collecteur s élève environ à 1,5 à 2,5 fois la surface d habitation chauffée. Cette surface doit rester vierge et non recouverte de façon à pouvoir poser le collecteur à une profondeur de 1,2 m à 1,5 m. Le niveau de température de l air extérieur fluctuant et bas durant la saison de chauffage justement provoque une demande énergétique à peine plus élevée. Le fonctionnement bivalent peut être une alternative intéressante et bon marché dans l équipement d un bâtiment. La configuration de la pompe à chaleur est effectuée sur le point de bivalence, celui-ci peut se situer entre 3 et -5 C en fonction de l investissement. Dans une construction neuve, les pompes à chaleur air/eau représentent également une alternative avantageuse par rapport à d autres sources de chaleur. Le fonctionnement est généralement mono-énergétique avec un point de bivalence entre -2 et -7 C. La PàC couvre ici environ % de l ensemble des besoins énergétiques annuels. La définition exacte du point de bivalence est fonction de chaque région et dépend des différentes conditions climatiques associées. Vous pouvez obtenir des informations plus détaillées auprès de nos partenaires nationaux. Dans les zones de constructions nouvelles, un collecteur peut être très facilement installé durant la phase de construction en repoussant la terre sur la surface nécessaire et en remplissant de nouveau cette surface après la pose du collecteur. Le collecteur peut être également posé dans les fossés, cela à l avantage de ne pas accumuler de trop gros mouvements de terrain. Si les deux solutions ne sont pas réalisables, il existe la possibilité d intégrer des sondes verticales.

13 Chaleur et puissance nécessaires 11 Sélection de la source de chaleur Sondes géothermiques Les sondes géothermiques verticales ont besoin d une surface nettement moins grande (diamètre de la taille d un CD). Comme les sondes géothermiques doivent être réalisées par des entreprises de forage spécialisées, elles entraînent généralement des coûts d aménagement plus élevés que les collecteurs de chaleur terrestre. Autorisation En France il n est pas nécessaire de disposer d une autorisation pour la mise en place de capteurs horizontaux. Pour les sondes verticales, le forage est possible sans autorisation administrative, limité à 100m en Province et 80m en région parisienne. Il suffit d une déclaration à la DIRIRE, qui est généralement faite par le foreur. Au-delà, l autorisation de la préfecture sera nécessaire. Aucun puits de plus de 80m de profondeur ne peut être foré sans autorisation préalable en Ile-de-France (décret du 8 août 1935). Il faut aussi consulter la DASS (Direction des affaires sanitaires et sociales) pour s assurer que le forage n a pas lieu dans une zone de prélèvement d eau potable. Si le forage a lieu à proximité d une nappe phrèatique, il faut alors contacter la DIREN Direction régionale de l environnement). En Suisse, il n est également pas nécessaire de disposer d une autorisation pour les collecteurs horizontaux. Cependant pour tout forages verticaux il faut effectuer une demande auprès des services cantonaux. En Belgique, pas de demande nécessaire pour la pose de collecteur horizontaux, mais une demande de permis à la commune est nécessaire afin d effectuer des forages verticaux. La source de chaleur sol présente durant l année des températures à peu près constantes. Pour l installation de pompes à chaleur, il en résulte un redement élevé et une consommation énergétique moindre. Les pompes à chaleur saumure/eau sont exploitées en général en fonctionnement monovalent. Source de chaleur eau L eau superficielle, tout comme l eau souterraine peuvent être utilisées comme source de chaleur. L eau superficielle convient uniquement dans des cas exceptionnels. Il subsiste cependant des risques de saletés (algues, matières en suspension) et le risque que la température varie au cours de l année (fonte de neige). En général, l eau souterraine est utilisée comme source de chaleur pour les PàC eau/eau. L eau souterraine a une température constante durant l année qui est relativement élevée à environ 10 C. Il en résulte un haut coefficient de performance. L installation de pompes à chaleur peut également être exploitée en fonctionnement monovalent. Vue d ensemble des différentes sources de chaleur Veuillez tenir compte des frais d équipement élevés car des puits d absorption et de refoulement devront être forés pour l utilisation de l eau souterraine. Avant de vous décider pour l eau souterraine comme source de chaleur, vérifiez si il y a de l eau souterraine en quantité et en qualité suffisantes à la profondeur appropriée. L analyse de l eau et la construction des puits doivent toujours être réalisées par un foreur de puits expérimenté. Saumure Air Eau Collecteur Sonde Air extérieur Eau souterraine Disponibilité o + ++ o Capacité de stockage Niveau de température + + o ++ Température de calcul 0 C 0 C 3 C / -5 C 1) 10 C Régénération Frais d équipement / ++ 2) 1) 3 C avec un fonctionnement bivalent et -5 C avec un fonctionnement mono-énergétique 2) en fonction de la profondeur de l eau souterraine Signes : ++ très élevé, + élevé, o moyen, - bas, -- très bas

14 12 Chaleur et puissance nécessaires Modes de fonctionnement Modes de fonctionnement Si le besoin thermique est calculé, il faut encore déterminer comment l installation doit fonctionner afin d obtenir un résultat techniquement et économiquement optimal. Les modes de fonctionnement suivants sont possibles : monovalent uniquement pompe à chaleur bivalent pompe à chaleur et chaudière à combustion mono-énergétique pompe à chaleur et chauffage d appoint électrique. La décision concernant le bon mode de fonctionnement dépend également de la source de chaleur éventuelle sol, eau ou air. Peu importe quel système de chauffage est installé, le client devra d abord se préoccuper d une isolation thermique maximale. Meilleur est l isolement, plus les frais de fonctionnement sont bas. Cela signifie, en particulier pour la pompe à chaleur, que des appareils de plus faible puissance peuvent être choisis afin de diminuer encore les frais d investissement. Les systèmes de chauffage à basse température, les chauffages au sol et les chauffages muraux, sont particulièrement bien adaptés pour l exploitation des installations de pompes à chaleur. Une température de départ de C est souhaitable. Courbe de fréquence annuelle de la température extérieure Le classement de la courbe de fréquence annuelle de la température extérieure montre les jours complet (24 heures) de l année où la température extérieure est inférieure à une valeur définie. Le tracé de la courbe dépend des conditions climatiques locales. Sur la courbe représentée pour Lyon, on peut voir que la température est inférieure à 15 C 225 jours par an. Mais, on peut également remarquer que la température se situe en dessous de -5 C seulement 3 jours (72 heures) environ; sur la courbe de Lausanne, on note que la température est inférieure à -5 C seulement 2 jours (48 heures) dans l année et qu elle est inférieure durant 85 jours à + 5 C. Les pompes à chaleur, qui ont été dimensionnées pour une point de bivalence de -5 C, ont besoin d un système de chauffage parallèle juste pour quelques jours (par ex. corps de chauffe électrique) afin d assister la pompe à chaleur. Dans le programme de dimensionnement «Alpha-Plan», les données climatiques de certaines villes de France, de Suisse et de Belgique sont déjà consignées et rapprochées pour le calcul des coefficients de performance et des taux de couverture. Sur le graphique de la courbe, prière de tenir compte que les heures mesurées où la température était inférieure à une valeur définie, ont été additionnées et représentées en jours. Dans la pratique, il s avère que les températures fluctuent de plusieurs degrés Kelvin en 24 heures. Courbe de fréquence annuelle de la température extérieure Lyon Lausanne Température extérieure en C Température extérieure en C env. 3 jours Jours par an env. 2 jours Jours par an

15 Chaleur et puissance nécessaires 13 Modes de fonctionnement La surface entre la température limite de chauffage et la courbe de fréquence annuelle représente l énergie thermique nécessaire. Dans les exemples suivants, la part de la pompe à chaleur par rapport à l énergie thermique nécessaire est représentée par une trame hachurée. Mode de fonctionnement monovalent En général, seules les installations de pompes à chaleur saumure/eau et eau/eau fonctionnent de manière monovalente. La pompe à chaleur est configurée de façon à ce qu il y ait suffisamment de puissance même en cas de températures extérieures extrêmement basses. La pompe à chaleur monovalente couvre seule les besoins thermiques du bâtiment. Même en cas de températures extérieures très basses, la source de chaleur fournit suffisamment d énergie. Le taux de couverture est de 100 %. Le fonctionnement mono-énergétique ne s applique généralement qu aux pompes à chaleur air/eau. Et dans des cas exceptionnels sur des pompes eau/eau lorsque par ex. le débit des puits est trop faible. Ce qui signifie en l occurrence que la puissance frigorifique de la pompe à chaleur doit être adaptée au débit de la source. Si les pompes à chaleur saumure/eau fonctionnent de manière mono-énergétique, le collecteur de chaleur terrestre ou la sonde géothermique doit être calculé séparément, car dans ce cas il ne faut pas prendre en compte uniquement la puissance d extraction du sol, mais également le travail de captage en fonction des heures d utilisation pleine. La source de chaleur doit être dimensionnée en cas de fonctionnement mono-énergétique d une pompe à chaleur saumure/ eau sur la puissance totale nécessaire du bâtiment. Si la surface nécessaire n est pas disponible pour un collecteur, un fonctionnement mono-énergétique avec une pompe à chaleur air/eau est recommandé. C Point de dimensionnement C Point de dimensionnement % > 95 % 20 Fonctionnement monovalent Jours 20 Fonctionnement mono-énergétique Jours Mode de fonctionnement mono-énergétique Le mode de fonctionnement mono-énergétique suit le même principe que le mode de fonctionnement bivalent. Cependant, le producteur d énergie d appoint n est pas une chaudière à fuel ou à gaz, mais un chauffage électrique, le plus souvent sous la forme d un corps de chauffe électrique dans le réservoir tampon, ou déjà intégré dans la pompe à chaleur. Le chauffage électrique d appoint assiste la pompe à chaleur juste quelques jours très froids pour couvrir la consommation. Le régulateur de la PàC permet de s assurer que le chauffage d appoint ne fonctionne pas plus longtemps que nécessaire. La part de travail du chauffage annuel de la PàC est également extrêmement élevée comme en fonctionnement bivalent et est supérieure généralement à 95 %, ce qui signifie que moins de 5 % de l énergie thermique sont produits avec le corps de chauffe. La puissance de la pompe à chaleur peut être sélectionnée pour un point de dimensionnement (point de bivalence) entre - 2 C et - 7 C (en fonction de la température extérieure normalisée). Mode fonctionnement bivalent En fonctionnement bivalent, il y a en plus de la pompe à chaleur un deuxième producteur de chaleur qui assiste le chauffage du bâtiment en cas de températures extérieures très basses. Le mode de fonctionnement bivalent est employé en priorité lors de l assainissement des bâtiments existants car la chaudière déjà présente peut être facilement utilisée pour compléter la pompe à chaleur. La pompe à chaleur est dimensionnée pour la température à laquelle le deuxième producteur de chaleur est enclenché. C est pourquoi, cette température est désignée comme le point de dimensionnement ou le point de bivalence. Le mode de fonctionnement bivalent alternatif est sélectionné lorsque les températures d aller et de retour sont nécessaires ou lorsque le flux calorifique provenant de la source de chaleur n atteint juste qu un certain degré. La PàC ou bien le deuxième producteur de chaleur sont activés. Comme le taux de couverture annuel par rapport aux autres modes de fonctionnement est relativement faible (par ex. 60 %), ce mode est rarement choisi.

16 14 Chaleur et puissance nécessaires Modes de fonctionnement En fonctionnement bivalent parallèle, la pompe à chaleur et le deuxième producteur de chaleur fonctionnent ensemble à partir d une certaine température extérieure, le point de bivalence (par ex.3 C). Ce mode de fonctionnement est choisi lorsque par exemple une pompe à chaleur air/eau est installée, lors de la rénovation d un bâtiment, en plus de la chaufferie existante. Le fonctionnement bivalent semi parallèle signifie qu à partir d une certaine température extérieure la pompe à chaleur et le deuxième producteur de chaleur fonctionnent ensemble en fonction de la charge. En cas extrême, seul le producteur de chauffage d appoint est encore en service. Ce mode de fonctionnement est le plus souvent choisi associé à la source de chaleur air ou sur des systèmes de chauffage à température de retour élevée. C Fonctionnement bivalent Sélection de pompes à chaleur à fonctionnement mono-énergétique ou bivalent La puissance thermique et la puissance totale nécessaires calculées conformément à la norme UE EN par ex. se rapportent au point de dimensionnement normalisé. En fonctionnement bivalent ou mono-énergétique, cela ne représente pourtant pas le point de dimensionnement de la pompe à chaleur. La pompe à chaleur air/eau est configurée en fonctionnement mono-énergétique sur le point de bivalence. Point de bivalence Point de dimensionnement > 60 % Jours Le point de bivalence décrit la température extérieure jusqu à laquelle la pompe à chaleur couvre la demande thermique calculée sans chauffage d appoint. Dans la pratique, il arrive souvent que toutes les pièces ne soient pas entièrement chauffées, par ex la chambre à coucher, la chambre d ami ou la salle de jeux. Un point de bivalence réduit est ainsi le plus souvent utilisé. Les points de bivalence pratiques se rapportant à la température extérieure normalisée peuvent être consultés dans le tableau qui suit. Température extérieure normalisée Point de bivalence F Point de bivalence CH - 16 C de - 6 C à - 9 C de - 9 C à - 12 C - 12 C de - 5 C à - 8 C de - 5 C à - 8 C - 10 C de - 2 C à - 5 C de - 4 C à - 7 C - 8 C de - 1 C à - 4 C de - 3 C à - 6 C Exemple de dimensionnement en France Afin de sélectionner la pompe à chaleur appropriée, la caractéristique du bâtiment est reportée sur le diagramme de la courbe de puissance thermique. Elle peut être représentée simplifiée comme une ligne droite entre la puissance requise établie au point de calcul normalisé (dans l exemple 16 C, 12 kw) et une puissance thermique de 0 kw à 20 C. Si le point d intersection de la caractéristique du bâtiment se situe avec une courbe de puissance thermique proche de la température de bivalence prévue, la pompe à chaleur correspondante peut être choisie; dans l exemple pour la France, la PàC 4 a été sélectionnée. La distance entre la courbe de puissance thermique et la caractéristique du bâtiment au point de calcul normalisé permet de connaître la puissance nécessaire supplémentaire qui est recouverte par cartouche chauffante électriques ou une chaudière. La puissance totale nécessaire (puissance thermique + puissance nécessaire pour l eau sanitaire) x temps d arrêt = puissance totale nécessaire au point de calcul normalisé : Q. erf = 12 kw La pompe à chaleur sélectionnée a une puissance thermique de 7,2 kw au point de calcul normalisé. La puissance rapportée cartouche chauffante électriques (mono-énergie) ou un deuxième producteur de chaleur (bivalence) se calcule de cette manière : Q. = Q. - Q. =12 kw - 7,2 kw =4,8 kw appoint tot PàC(-16 C) En général, la puissance du chauffage additionnelle s élève à env % de la puissance thermique nécessaire. Bien que les frais d utilisation d un chauffage d appoint électrique soit relativement élevé, la part de travail ne s élève qu à env. 2-5 % du travail de chauffage annuel. Le point de bivalence calculé se situe à - 7,5 C. Exemple de dimensionnement en Suisse Pour une température extérieure de référence de - 11 C, la puissance totale nécessaire requise s élève par ex. à 11 kw. La PàC 5 a été sélectionnée dans l exemple pour la Suisse. La pompe à chaleur sélectionnée a une puissance thermique de 8,2 kw au point de calcul normalisé. La puissance additionnelle nécessaire requise s élève à : Q. = Q. - Q. =11 kw - 8,2 kw = 2,8 kw appoint tot PàC(-11 C) Le point de bivalence calculé se situe à - 6 C.

17 Chaleur et puissance nécessaires 15 Exemples de configuration mono-énergétique France Puissance thermique (kw) Courbe de puissance des pompes à chaleur air/eau, série M aller 35 C WP7 WP5 Chauffage d'appoint nécessaire WP6 Point de bivalence de la pompe à chaleur sélectionnée (PàC 5) WP4 WP3 WP2 WP1 6 4 Caractéristique du bâtiment (simplifiée) , Température extérieure normalisée Température de l'air ( C) Suisse Puissance thermique (kw) Courbe de puissance des pompes à chaleur air/eau, série M, aller 35 C WP7 WP5 18 WP6 WP4 Chauffage d'appoint nécessaire Point de bivalence de la pompe à chaleur sélectionnée (PàC 5) WP3 WP2 WP1 6 4 Caractéristique du bâtiment (simplifiée) Température extérieure normalisée Température de l'air ( C)

18 16 Chaleur et puissance nécessaires Récapitulatif des consignes de planification Indications de puissance La puissance thermique des pompes à chaleur dépend de la température de la source de chaleur et de la température de départ de l installation de chauffage. Les données de puissance de la pompe à chaleur se rapportent toujours à ces températures. De nouvelles désignations relatives aux données de température ont été définies dans la norme européenne EN Celles-ci se composent de caractères et de chiffres. La première lettre désigne la source de chaleur, la deuxième lettre le milieu de captage de la chaleur. Les chiffres se rapportent aux températures en C. Les brèves dénominations suivantes sont prescrites dans la norme : Milieu de la source de chaleur : saumure Température de la source de chaleur : 0 C B 0 W 35 Température d'amission : 35 C Milieu de captage de la chaleur : eau Désignation des sources de chaleur W water eau B brine saumure A air air La puissance de chauffage peut être consultée pour chaque point défini dans les tableaux de données. Les états de fonctionnement situés entre peuvent être prélevés à partir des courbes de puissance de chauffage. Pour la sélection de la pompe à chaleur, la consommation provenant de la puissance totale nécessaire et des temps d arrêt (en France et en Belgique, il n existe pas de temps d arrêt) ainsi que la température d admission et la température de la source de chaleur doivent être connues au point de dimensionnement. Une vérification doit être effectuée à l aide des données techniques de la pompe sélectionnée. Remarques récapitulatives : La puissance thermique nécessaire de l installation représente la base du dimensionnement de l appareil. Tenir compte des températures aller basses lors du dimensionnement du système de chauffage. Il est préférable d utiliser des systèmes de chauffage basse température comme les chauffages au sol ou muraux. Le mode de fonctionnement détermine le point de bivalence pour le dimensionnement de la puissance de la pompe à chaleur. Les délestages (en France et en Belgique, il n existe pas de temps d arrêt) des entreprises d approvisionnement en énergie doivent être pris en compte. L expérience montre qu une augmentation de la puissance thermique de la pompe d env % (sur des systèmes de chauffage basse température) est suffisante. La sélection de la pompe à chaleur s effectue à l aide des données de l appareil et des courbes de performance. Les limites d utilisation prescrites pour la pompe à chaleur doivent être strictement respectées. Pour l installation et l intégration de la pompe, prendre en compte les prescriptions techniques et le schéma de mise en place. Avant de commencer toute manipulation sur la pompe à chaleur, il conviendra de respecter les consignes d installation. Les pompes à chaleur destinées à l installation intérieure doivent être montées dans une pièce isolée contre le gel. Afin d éviter la transmission du bruit émanant du corps solide, effectuer le raccordement au système de chauffage avec des tuyaux flexibles. Ne pas utiliser les plates-formes de chaudière PU. Tenir compte de la distance par rapport au bâtiment voisin en cas d installation extérieure de pompes à chaleur air/eau (valeur de consigne 8-10 m). Respecter les débits volumétriques des sources de chaleur pour le chauffage et la préparation de l eau chaude sanitaire. Régler les courbes de chauffage sur la température de retour. Sur les pompes à chaleur eau/eau, contrôlez la qualité et la quantité disponible de l eau utilisée.