formation POMPES A CHALEUR EN HABITAT INDIVIDUEL

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1 formation POMPES A CHALEUR EN HABITAT INDIVIDUEL Domaine de Saint Paul - B.P SAINT REMY-LES-CHEVREUSE Téléphone : Télécopie : Mél : contact@costic.com Site Internet : Reproduction interdite

2 EU-CERT.HP PAGE 2 Introduction Ce manuel est divisé en plusieurs parties. Au début de chaque partie, un encadré récapitule les compétences particulières que les candidats doivent acquérir pour obtenir à terme l agrément de l UE ( en cours de mise au point). Nous conseillons toutefois aux candidats de lire et d étudier l intégralité du manuel afin de bien connaître la technologie des pompes à chaleur. 2 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

3 3 PROJET EU-CERT.HP TABLE DES MATIERES 1 LE MARKETING : UNE NOTION MECONNUE, COMPLIQUEE ET COUTEUSE? Erreur! Signet non défini. 1.1 Définitions du marketing... Erreur! Signet non défini Définitions officielles du marketing Le plan de marketing Le principe SMART Le déroulement d une vente LE COUT D UN SYSTEME DE POMPES A CHALEUR... Erreur! Signet non défini. 2.1 Introduction Les coûts des systèmes de chauffage Coûts d immobilisation du capital Coûts de fonctionnement Coûts de fin du cycle de vie Coûts des systèmes de pompes à chaleur (donnés à titre indicatif) Evaluation des investissements Récupération simple Taux de rendement moyen Méthode de calcul des flux de trésorerie Evaluation du coût du cycle de vie Valeur actualisée nette (VAN) Calcul des coûts du cycle de vie avec la VAN Incidence sur l environnement tout au long du cycle de vie Autres méthodes d évaluation des investissements Exercices Réponses Références Documentation générale AVANTAGES ENVIRONNEMENTAUX DES POMPES A CHALEUR Les politiques énergétiques La sécurité d approvisionnement énergétique La diminution des réserves de pétrole Une menace mondiale : le changement climatique Les pompes à chaleur, une solution énergétique renouvelable Comment les pompes à chaleur contribuent à réduire le CO Les fluide frigorigènes contribuent à l appauvrissement de la couche d ozone et au réchauffement de la planète L éco-label européen Bibliographie Pour en savoir plus Exercices... Erreur! Signet non défini. 4 GEOLOGIE, CLIMAT ET REGLEMENTATIONS NATIONALES...Erreur! Signet non défini. 4.1 Ressources géothermiques L eau souterraine Considérations générales L alimentation d une nappe souterraine Les systèmes d eaux souterraines Quantité d eau souterraine nécessaire au fonctionnement des pompes à chaleur Composition chimique nécessaire au fonctionnement des pompes à chaleur Protection de l eau souterraine Réglementations nationales DEPENDENT DU PAYS CONCERNE Ressources nationales en eau souterraine DEPENDENT DU PAYS CONCERNE...47 Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 3 / 262

4 EU-CERT.HP PAGE Température des eaux souterraines DEPENDENT DU PAYS CONCERNE Températures de calcul nationales Reconnaître la nature du sol Exercices LES BATIMENTS PRESENTANT UN BON RENDEMENT ENERGETIQUE Réglementation des constructions Mesures permettant de limiter les pertes de chaleur Isolation des murs extérieurs... Erreur! Signet non défini Isolation du toit ou du grenier Ventilation contrôlée Qualité de l'air... Erreur! Signet non défini Réglementation relative à la ventilation dans les habitations Principaux choix de systèmes de ventilation pour les pièces Les pompes à chaleur dans un système à bon rendement énergétique : brève introduction aux autres technologies utilisant des sources d'énergie renouvelables La conception du bâtiment solaire passif Le chauffage solaire actif Le chauffage au bois L électricité verte Exigences au niveau national Exercices LE CYCLE DES POMPES A CHALEUR : DETAILS TECHNIQUES.Erreur! Signet non défini. 6.1 Principes physiques Unités physiques (d après le Système International) Changements d état Le cycle thermodynamique Pression logarithmique diagramme enthalpique Principe de fonctionnement du cycle de la pompe à chaleur Le processus de réfrigération un cycle complet Organes du circuit de la pompe à chaleur Compresseur Vanne de détente... Erreur! Signet non défini Évaporateur Condenseur Composants secondaires Huile de graissage Fluide frigorigène Caractéristiques d un cycle de pompe à chaleur Coefficient de performance COP Rendement de Carnot Facteur de performance saisonnier (SPF) Paramètres d exploitation importants Calcul standardisé du COP et du SPF Auto-évaluation SYSTÈMES DE DISSIPATION DE LA CHALEUR ET INTÉGRATION DU SYSTÈME HYDRAULIQUE... Erreur! Signet non défini. 7.1 Détermination de la charge calorifique du bâtiment Détermination de la capacité de la pompe à chaleur Sécurité du côté alimentation Températures d alimentation Configuration de la température d alimentation du système de chauffage Dissipation de la chaleur Système de chauffage par le sol Systèmes de chauffage par les murs Radiateurs Systèmes de chauffage par l air / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

5 5 PROJET EU-CERT.HP Systèmes de chauffage à air extrait Systèmes combinés Possibilités de refroidissement avec les pompes à chaleur Refroidissement passif Systèmes réversibles Refroidissement actif Réservoir tampon Dimensionnement du réservoir tampon Intégration du système hydraulique Schéma standard Pompe à chaleur monovalente sans production d eau chaude sanitaire Pompe à chaleur monovalente avec production d eau chaude sanitaire Systèmes de pompes à chaleur monoénergétiques Pompe à chaleur en combinaison avec un système solaire thermique pour la production d eau chaude sanitaire Pompe à chaleur bivalente Conception et dimensionnement des réseaux hydrauliques avec des hybrides Auto-évaluation SOURCES DE CHALEUR... Erreur! Signet non défini. 8.1 Systèmes couplés avec le sol (pompes à chaleur géothermiques) Avantages des systèmes couplés avec le sol La puissance des capteurs enterrés Systèmes à saumure Capteurs horizontaux Sondes verticales Raccordement source de chaleur pompe à chaleur pour les pompes à chaleur saumure/eau Dimensionnement de la pompe à saumure pour les pompes à chaleur saumure/eau Nappe phréatique Aspects généraux Exigences techniques Positionnement des forages Dimensionnement de la pompe à chaleur sur nappe phréatique Raccordement avec la pompe à chaleur Détente directe Aspects généraux et principe de fonctionnement Tuyaux du capteur et fluides actifs Agencement du système Caractéristiques du sol Connaissances pratiques Raccordement source de chaleur pompe à chaleur Eau de surface Dimensionnement Air Aspects généraux Appareil monoblocs Placement à l intérieur Pompes à chaleur de type split ( air/eau et air/air) Problématique du bruit Conseils importants Dégivrage de l évaporateur Pompe à chaleur sur air extrait Partie nationale Auto-évaluation MODES DE FONCTIONNEMENT ET RÉGLAGE... Erreur! Signet non défini. 9.1 Stratégies de commande Modes de fonctionnement Fonctionnement monovalent Fonctionnement bivalent Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 5 / 262

6 EU-CERT.HP PAGE Aspect spécifiques aux systèmes de pompes à chaleur Caractéristiques d une pompe à chaleur Utilisation optimale de la Pompe à chaleur Principes de raccordement Condensation flottante Condensation fixe ou constante Stratégies de commande pour le chauffage Choix de la source de chaleur d appoint Différents types de sources de chaleur d appoint Exemple de système fréquemment installé Stratégies de commande pour la production d eau chaude sanitaire Économie Conditions à prendre en compte Légionellose Différents principes de production d eau chaude sanitaire Exemple de solutions standardisées pour les pompes à chaleur saumure/eau Pompe à chaleur saumure/eau Auto-évaluation Questions d auto-évaluation Exercices d auto-évaluation (pour une vérification supplémentaire de la compréhension de la conception du système de chauffage) PROCÉDER À L ÉVALUATION D UN SITE Objectif Données sur le bâtiment et le système de chauffage Estimation de la puissance de la pompe à chaleur Système de dissipation de la chaleur Placement de la pompe à chaleur Évaluation de la source de chaleur Capteur vertical Capteur horizontal Nappes phréatiques Air Autorisations officielles : Informations destinées au client Installation ET MISE EN SERVICE... Erreur! Signet non défini Installation Inspection des dégâts Pompe à chaleur placement Installation de la pompe à chaleur et des composants auxiliaires Finalisation du cycle de la pompe à chaleur Branchements électriques Raccordement de la pompe à chaleur à l émetteur de chaleur et à la source de chaleur Vérification générale du système Essais d étanchéité et de pression Mise en service Remise du système au client Exemple de modèle de rapport de mise en service délivré par un fabricant Auto-évaluation PRINCIPES DE BASE DE L ÉLECTRICITÉ... Erreur! Signet non défini Sécurité électrique Protection contre les blessures corporelles Protection électrique pour les moteurs Démarrage progressif Dimensionnement du fusible principal Schéma des circuits Câblages et connecteurs Commandes / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

7 7 PROJET EU-CERT.HP Dispositifs et composants de commutation Dispositifs d alarme et d affichage Moteurs Fusibles Identification du type de matériel : Différence entre le circuit principal le circuit de commande Exemples de schémas de circuit pour les pompes à chaleur Check-list précise les exigences pour les branchements électriques Exemple de schéma de câblage pour les composants de commande externes Auto-évaluation REMISE AU CLIENT ET GARANTIE Passer en revue la pompe à chaleur avec le client Documentation nécessaire pour le client Sécurité Garantie et législation sur la consommation Expérience du client avec les installations de pompes à chaleur Partie nationale Auto-évaluation ENTRETIEN... Erreur! Signet non défini Contrat d entretien Qualifications de la société d entretien Type d entretien PROBLÈMES FRÉQUEMMENT RENCONTRÉS ET EXPÉRIENCE PRATIQUE Erreur! Signet non défini Avant-propos : Pannes de la pompe à chaleur Pannes du système impliquant la pompe à chaleur Côté évaporateur interruption basse pression Côté condenseur interruption haute pression Production de chaleur insuffisante Typologie des erreurs d installation Erreurs les plus fréquentes Autres erreurs Auto-évaluation Questions sur les pannes du système de pompe à chaleur Questions sur les erreurs d installation Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 7 / 262

8 EU-CERT.HP PAGE 8 TABLE DES FIGURES Figure 1.1 : Grille d autoévaluation des activités de marketing... Erreur! Signet non défini. Figure 1.2 : Plan de marketing de l installateur I -Tec...18 Figure 1.3 : Avantages des pompes à chaleur...20 Figure 3.1 : Bilan énergétique d un système de pompes à chaleur...36 Figure 3.2 : Bilan énergétique d une chaudière au fioul ou à gaz...36 Figure 3.3 : Incidence des pompes à chaleur sur les émissions de C0 2. Source : RHD Rawlings, Erreur! Signet non défini. Figure 4.1 : Schéma d une nappe souterraine...42 Figure 5.1 : Double VMC (Comité Scientifique et Technique des Industries Climatiques)...56 Figure 5.2 : Les éléments d'un bâtiment solaire passif (Rapport du Department of Energy américain DOE/GO FS121 février 2001)...58 Figure 5.3 : Chauffe-eau solaire actif ( Figure 5.4 : Maison équipée de panneaux photovoltaïques solaires ([6] Site Internet de Librelec Figure 6.1 : Echelles thermométriques...64 Figure 6.2 : Pressions absolue et relative...65 Figure 6.3 : Les différentes phases de l évaporation...68 Figure 6.4 : L évaporation expliquée à l aide du diagramme enthalpique...68 Figure 6.5 : Courbe de liquide saturant de l eau...69 Figure 6.6 : La teneur en vapeur expliquée par le diagramme enthalpique...70 Figure 6.7 : Diagramme enthalpique...71 Figure 6.8 : Principe de fonctionnement d une pompe à chaleur (Arbeitsordner Wärmepumpe, BWP)...72 Figure 6.9 Fonctionnement d une pompe à chaleur à saumure/eau...73 Figure 6.10 : Pompe à chaleur réversible avec vanne quatre voies...75 Figure 6.11: Compresseur rotatif principe de fonctionnement...76 Figure 6.12: Compresseur à piston principe de fonctionnement...76 Figure 6.13 : Compresseur à spirale principe de fonctionnement...77 Figure 6.14 : Comparaison de l efficacité des compresseurs à piston et à spirale à différents taux de compression...77 Figure 6.15 : détendeur thermostatique avec nivellement de la pression extérieure...78 Figure 6.16 : Différents types d échangeurs de chaleur compacts à plaques brasées...79 Figure 6.17 : Principe du processus d évaporation dans un évaporateur chauffé à l air...79 Figure 6.18 : Processus dans un condenseur refroidi à l air...81 Figure 6.19 : Processus de refroidissement dans un condenseur à plaques brasées compact...81 Figure 6.20 : Refoulement de l évaporateur permettant d optimiser le retour d huile...83 Figure 6.21 : Glide représenté dans un diagramme enthalpique...85 Figure 6.22 : le COP en fonction de la courbe de température...87 Figure 6.23 : Processus de la pompe à chaleur dans le diagramme enthalpique...89 Figure 6.24 : Circuit de la pompe à chaleur...89 Figure 7.1 les besoins thermiques dans les bâtiments résidentiels dépendent de la date de construction (selon les directives allemande)...96 Figure 7.2 Influence de la température d alimentation du système de chauffage sur le SPF de la pompe à chaleur...99 Figure 7.3 Influence de la température extérieure et de la température de l eau chaude sur le COP (R134a) Figure 7.4 : Schéma de détermination expérimentale des températures réellement nécessaires pour le système Figure 7.5 Répartition idéale de la température (à gauche), répartition de la température par un plancher chauffant (à droite) Figure 7.6 Plancher chauffant ( Figure 7.7 Exemple de système de chauffage par les murs avec liaison thermique avec le bâtiment ( 8 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

9 9 PROJET EU-CERT.HP Figure 7.8 Exemple de système de chauffage par les murs sans liaison thermique avec le bâtiment ( Figure 7.9 Système à tube unique Figure 7.10 Installation sur bitube Figure 7.11: Installation sur collecteur Figure 7.12 Principe d un système de chauffage par l air ( Figure 7.13 Différence entre le refroidissement passif et actif Figure 7.14 Modes de fonctionnement possibles : chauffage eau chaude refroidissement Figure 7.15 Pompe à chaleur réversible vanne d inversion quatre voies Figure 7.16 Système de pompe à chaleur avec un circuit de chauffage direct (par ex., plancher chauffant) Figure 7.17: Système de pompe à chaleur avec commande centralisée Figure 7.18 Système de pompe à chaleur avec commande centralisée et production d eau chaude sanitaire Figure 7.19 Pompe à chaleur monoénergétique avec commande centralisée Figure 7.20 : Pompe à chaleur monoénergétique avec commande centralisée et système d eau douce Figure 7.21 : Pompe à chaleur en combinaison avec un système thermique solaire Figure 7.22 Pompe à chaleur bivalente en combinaison avec une chaudière à gaz ou à mazout Figure 7.23 Pompe à chaleur bivalente en combinaison avec une chaudière à biomasse Figure 8.1 Pompe à chaleur utilisant l air comme source de chaleur (mode bivalent) Figure 8.2 Pompe à chaleur géothermique en mode de fonctionnement monovalent Figure 8.3 Pompe à chaleur géothermique avec chauffage d appoint (mode bivalent) Figure 8.4 Température à la surface de la terre Figure 8.5 Schéma de fonctionnement du chauffage avec le sol comme source de chaleur149 Figure 8.6 Capteur en serpentins Figure 8.7 : Soulèvement par le gel et diamètre gelé autour du capteur Figure 8.8 Coupe verticale dans un sol gelé comportant des lentilles de glace Figure 8.9 Distance entre les tuyaux pour éviter le pergélisol Figure 8.10 Exemple d agencement d un capteur horizontal Figure 8.11 Section d un tuyau à double U Figure 8.12 Schéma de fonctionnement du chauffage par le substrat rocheux Figure 8.13 Logiciel fourni par NIBE AB Figure 8.14 Normbrunn Figure 8.15 Positionnement des sondes géothermiques (1, 2, 3 échangeurs de chaleur verticaux) Figure 8.16 Chambre du collecteur (Ochsner, 2000)... Erreur! Signet non défini. Figure 8.17 Agencement du collecteur Figure 8.18 Intérieur du collecteur de la saumure Exemple (Ochsner, 2000) Figure 8.19 Conduite dans le mur exemple (Ochsner) Figure 8.20 Principe d une pompe à chaleur eau/eau Figure 8.21 Positionnement des puits d alimentation et de retour Figure 8.22 Puits d alimentation et de retour illustration de la différence entre les niveaux d eau Figure 8.23 Exemple plan pour le raccordement à la source de chaleur (Ochsner, 2000)... Erreur! Signet non défini. Figure 8.24 Exemple Pompe à chaleur à détente directe Megatherm Zirius Figure 8.25 Principe de fonctionnement des systèmes DX (détente directe) Figure 8.26 Plan d installation d un capteur horizontal à détente directe (Ochsner, 2000) Figure 8.27 Collecteur de système DX à l extérieur (Ochsner, 2000) Figure 8.28 Conduite dans le mur pour système DX (Ochsner, 2000) Figure 8.29 Le principe du chauffage par l eau d un lac Figure 8.30 Le principe de fonctionnement d une PAC air/eau appareil monobloc Figure 8.31 Exemple d installation recommandée pour éviter une dérivation entre l air frais et l air vicié (Ochsner, 2000) Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 9 / 262

10 EU-CERT.HP PAGE 10 Figure 8.32 Exemple d installation recommandée pour éviter une dérivation entre l air frais et l air vicié (Ochsner, 2000) Figure 8.33 Pompe à chaleur air/eau, appareil monobloc placé à l extérieur de la maison Figure 8.34 Principe de fonctionnement d une pompe à chaleur air/eau de type split Figure 8.35 Exemple d installation (Ochsner, 2000) Figure 8.36 Exemple Chauffage du collecteur de condensat omis (Ochsner) Figure 8.37 Niveau sonore à l extérieur [dba] Figure 8.38 Niveau sonore à l intérieur [dba] Figure 8.39 Pompe à chaleur air/air typique Figure 8.40 Absorption acoustique par le gazon Figure 8.41 Isolement acoustique par la construction de barrières Figure 8.42 Isolement acoustique par un déflecteur Figure 8.43 Exemple de mesure d isolation acoustique Figure 8.44 Représentation d une batterie d air ou d un échangeur à «ailettes spiralées» en train de geler Figure 8.45 Puissance frigorifique dans des conditions de gel Figure 8.46 Évaporateur doté d un système de dégivrage électrique intégré Figure 8.47 Dégivrage par dérivation de gaz chaud Figure 8.48 Dégivrage par inversion du cycle Figure 8.49 Schéma d une pompe à chaleur sur l air extrait de la ventilation Figure 9.1 Modes de fonctionnement des pompes à chaleur Figure 9.2 Fonctionnement monovalent Figure 9.3 Fonctionnement bivalent alternatif : Figure 9.4 Fonctionnement bivalent parallèle Figure 9.5 Fonctionnement bivalent partiellement parallèle : Figure 9.6 Fonctionnement bivalent Figure 9.7 Besoins en chaleur en fonction de la température extérieure Figure 9.8 Estimation du rapport entre la chaleur produite par le chauffage d appoint et la pompe à chaleur (en mode bivalent alternatif) Figure 9.9 Nombre de jours par an (en Europe centrale) pendant lesquels la température extérieure chute sous une température donnée Figure 9.10 Exemple pour le réglage de la température de retour de l eau en fonction de la température extérieure Figure 9.11 Principes de raccordement Figure 9.12 Chauffe-eau à double enveloppe calorifugée doté d un capteur et d une résistance immergée Figure 9.13 Réservoir doté d un échangeur de chaleur et d un capteur Figure 9.14 Préchauffage de l eau chaude sanitaire dans un réservoir à double enveloppe calorifugée et chauffage final dans un chauffe-eau électrique Figure 9.15 Production d eau chaude sanitaire dans un réservoir à enveloppe calorifugée avec un échangeur de chaleur à plaques Figure 9.16 Production d eau chaude sanitaire par système d eau douce Figure 9.17 Principes de raccordement unité monobloc Figure 9.18 Principes de raccordement pompe à chaleur avec chauffe-eau séparé Figure 9.19 Les réservoirs tampons sont souvent utilisés parallèlement à des pompes à chaleur air/eau Figure 10.1 HAE Méthode brève pour le calcul approximatif de la charge calorifique d un bâtiment d après DIN 4701/83 (ne dispense pas du calcul exact de la charge calorifique selon les réglementations nationales) Figure 10.2 Schéma pour la détermination expérimentale des températures d alimentation réellement requises pour le système Figure 12.1 Risques d accident Figure 12.2 Protection du moteur Figure 12.3 Protection des conducteurs Figure 12.4 Protection du moteur par relais thermique Figure 12.5 Exemple de circuit électrique dans une maison, comportant plusieurs appareils CVCA Figure 12.6 Schéma de câblage pour l exemple choisi / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

11 11 PROJET EU-CERT.HP Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 11 / 262

12 EU-CERT.HP PAGE 12 LISTE DES TABLEAUX Tableau 2.1 : Méthode de calcul des flux de trésorerie...26 Tableau 2.2 : Exemple de deux investissements...27 Tableau 2.3 : Exemple d une pompe à chaleur géothermique...28 Tableau 2.4 : Coefficients pour le calcul de la valeur actualisée nette...29 Tableau 2.5 : Valeur actualisée nette d une série de coûts égaux...30 Tableau 2.6 : Exemple de calcul des coûts du cycle de vie d un système de pompes à chaleur en utilisant la VAN...31 Tableau 3.1 : Comparaison de divers systèmes de chauffage (rapports de l énergie primaire et rapports du CO 2 )...37 Tableau 3.2 : Légalité, sûreté et utilisation des fluide frigorigènes...38 Tableau 3.3 : Les potentiels d appauvrissement de la couche d ozone et de réchauffement de la planète des fluide frigorigènes...39 Tableau 4.1 : Qualité d eau nécessaire aux échangeurs thermiques à plaques (les valeurs dépendent des fabricants)...44 Tableau 4.2 : Liste I de la Directive «eaux souterraines» (80/68/CEE)...45 Tableau 4.3 : Liste II de la Directive «eaux souterraines» (80/68/CEE)...46 Tableau 4.4 : Caractéristiques de différents sols...48 Tableau 5.1 : Rapport coûts / économies d énergie de certains travaux d isolation (tableau issu en partie du client report 201/499 du BRE, octobre Il s agit de valeurs moyennes correspondant à un foyer)...52 Tableau 5.2 : Critères de confort (Centre canadien d'hygiène et de sécurité au travail)...54 Tableau 6.1 : Types de fluide frigorigènes...84 Tableau 6.2 : Anciens et nouveaux fluides frigorigènes...85 Tableau 7.1 Relevé du système de chauffage existant en mode monovalent Tableau 7.2 Puissance calorifique des radiateurs à colonnes en fonte (à une température de la pièce de 20 C selon DIN 4703) Tableau 7.3 Coefficients de conversion de radiateur (valables pour les radiateurs à colonnes et les radiateurs à panneaux d acier ; non valable pour les ventilo-convecteurs et le chauffage par le sol ou par les murs) Tableau 7.4 Conductibilité et résistance à la chaleur de quelques matériaux de plancher Tableau 7.5 Transmission thermique des systèmes de chauffage par les murs Tableau 8.1 Débit d extraction spécifique selon VDI Tableau 8.2 Puissance d extraction de chaleur spécifique selon le sol Tableau 8.3 Valeurs d extraction spécifique potentielle pour les échangeurs de chaleur verticaux (VDI 4640, partie 2) Tableau 8.4 Débits d extraction de chaleur spécifiques du sol d après VDI Tableau 9.1 : Heures sous une température donnée Tableau 9.2 Résumé des modes de fonctionnement les plus courants pour les différents types de pompes à chaleur Tableau 10.1 Relevé des systèmes de chauffage existants pour le mode de fonctionnement monovalent (Pièce d exemple : 1 radiateur à colonnes en fonte 980x160 avec 30 sections, température d alimentation/retour 90/70 à la température extérieure nominale 204W/section (voir Tableau 7.2 ) 204W*30= 6120W (90/70) le coefficient de conversion à 50/40 est 3,14 (voir Tableau 10.4) la puissance calorifique manquante est de 51W seulement les radiateurs existants suffisent) Tableau 10.2 Puissance calorifique des radiateurs en acier à colonnes (à une température ambiante de 20 C selon DIN 4703) Tableau 10.3 Puissance calorifique des radiateurs en fonte à colonnes (à une température ambiante de 20 C selon DIN 4703) Tableau 10.4 Coefficients de conversion des radiateurs (valables pour les radiateurs à colonnes et les radiateurs à panneau d acier, non valable pour les ventilo-convecteurs et le chauffage par le sol/mur) Tableau 10.5 Débit d extraction spécifique d après VDI Tableau 12.1 Symboles des circuits et des connecteurs / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

13 13 PROJET EU-CERT.HP Tableau 12.2 Symboles des commandes Tableau 12.3 Symboles des dispositifs et des composants de commutation Tableau 12.4 Symboles des dispositifs d alarme et d affichage Tableau 12.5 Symboles des moteurs Tableau 12.6 Symboles des fusibles Tableau 12.7 Identification du type de matériel Tableau 15.1 : pannes de la pompe à chaleur Tableau 15.2 : Liste des pannes du système du côté de l évaporateur Tableau 15.3 : Liste des pannes du système du côté du condenseur Tableau 15.4 : Causes d une production insuffisante de chaleur Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 13 / 262

14 CHAPITRE 1 : MARCHE MARKETING Les compétences clés développées dans cette partie et utiles pour obtenir l agrément de l UE sont les suivantes : Maîtriser les entretiens et techniques de vente, gérer les relations Facultatif avec les clients Connaître les principaux avantages des pompes à chaleur, les Facultatif arguments convaincants, les points importants lors d un entretien de vente et les conséquences d une déclaration incorrecte Savoir préparer une offre acceptable Facultatif Savoir préparer un salon professionnel Facultatif 1.1 MARCHE Historique Une première offre de chauffage par pompe à chaleur en habitat résidentiel individuel fut lancée pendant les années 1975 à Elle se développa rapidement (x3 en 3 ans) suite aux différents chocs pétroliers de 1975 et 1979 et grâce aux aides de l état. Cette offre chuta très vite suite à la baisse des cours du pétrole et à cause de certaines contre-références (demi-échec de PERCHE, mauvaises mises en œuvre, fuites sur capteurs enterrés, ). Depuis 1997, grâce en particulier à l offre VIVRELEC et au label PROMOTELEC, un nouveau développement du chauffage par solutions utilisant des pompes à chaleur se réalise. Un autre facteur est à prendre en compte : la lutte contre le changement climatique Air/Eau + géo Air/Air Suisse France Figure 0.1 : Ventes de PAC en Europe de 1995 à 2003 Allemagne Autriche Finlande Hollande Danemark Belgique

15 15 PROJET EU-CERT.HP réduction de consommations d énergie et lutte contre le changement climatique La lutte contre le changement climatique constitue un des enjeux majeurs des prochaines décennies. En un siècle, la concentration des gaz à effet de serre (GES) dans l atmosphère, principal responsable du réchauffement climatique et des phénomènes météorologiques extrêmes, a augmenté de 30 [%]. Nous émettons aujourd hui, au niveau mondial, près de 25 milliards de tonnes équivalent CO 2 et, sur notre lancée, nous en émettrions plus de 50 milliards en Dans le cadre du protocole de Kyoto, la France s est engagée à maintenir en 2010 ses émissions de gaz à effet de serre à leur niveau de 1990 (soit 565 millions de tonnes équivalent CO 2 ), mais les prévisions font état d émissions pour la France qui excèderaient de 10 {%] l objectif fixé. Ce dépassement est lié à un accroissement sensible dans les domaines du transport, du résidentiel et du tertiaire. Malgré ces difficultés, la France soutient la définition au niveau mondial d un objectif de division par deux des émissions de gaz à effet de serre d ici 2050 ce qui nécessite, compte tenu des besoins grandissant des pays en développement, une division par 4 ou 5 pour les pays développés. En France, le secteur du bâtiment, avec 24 [%] des émissions de CO 2 (entre l habitat et le tertiaire) représente la première source d émission de gaz à effet de serre légèrement devant le transport et l industrie. Il représente la première près de la moitié de l énergie finale consommée en France et est directement concerné par les enjeux fixés. L état entend : Promouvoir fortement les économies d énergie soit un abaissement des seuils minimaux de performance énergétique globale, avec un objectif d amélioration de 40 [%]. La RT 2005 constituera une première étape significative avec une progression de 15 [%] par rapport à la RT Favoriser les énergies qui n émettent pas de gaz à effet de serre et en particulier l utilisation des énergies renouvelables thermiques. Objectif d augmentation de 50 [%] à l horizon La pompe à chaleur est une solution efficace et pertinente pour réduire les consommations d énergies traditionnelles en valorisant les énergies renouvelables thermique et pour lutter contre les émissions de gaz à effet de serre. Extrapolation résultat étude ADEME (art. CVC n 832 Nov/déc 2004) sur MI de S=130 [m²] Besoins de 82 [kwh/m²/an] et contenu de CO 2 =200 [g/kwh élec] Les installations de chauffage avec PAC air / eau ou eau / eau émettent entre 2,5 fois et 3,5 fois moins de GES que des solutions avec chaudière combustible et 1,8 fois moins qu une solution avec chauffage électrique traditionnel. Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 15 / 262

16 1.1.3 Satisfaction des clients A partir d une enquête effectuée en France auprès de 300 clients d EDF, on observe que la quasi totalité des possesseurs de PAC sont satisfaits L installation a-t-elle % répondu à vos attentes? Oui tout à fait 85,4 Motivation Oui relativement 8,4 Coût favorable d utilisation du système Non pas tout à fait 2,3 Confort Non pas du tout 1,9 Sans réponse 1,9 Choix d un système écologique Figure 1.2 : Résultats d une enquête de satisfaction en LE MARCHE DE LA PAC EN EUROPE ET EN FRANCE Air/Air Air/Eau Géohermique Suède: France: Allemagne: Suisse: Autriche: France Allemagne Suisse Marché en Suède en % Autriche Figure 1. 3 : Estimation des ventes de PAC en Europe en % 63% 41% 95% PAC Autres Neuf Existant +renouvellement Figure 1.4 : Type de chauffage en neuf et répartition des ventes Marché en Suisse en 2004 PAC Autres 59% Figure 1.5 : Type de chauffage en neuf Neuf Rénovation / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

17 17 PROJET EU-CERT.HP MARCHE EN FRANCE Ventes air/eau eau/eau sol/sol et sol/eau % % 80% 60% 40% 20% 0% 10% 47% 32% 11% Air/Air Années Figure 1.6 : Evolution des ventes de PAC de 2002 à % PAC Autres Figure 1.7 : Type de chauffage en neuf en France 33% 51% 14% 2% Plancher > 170 m² 130 à 170 m² 100 à 130m² < 100 m² Figure 1.8 : Evolution des ventes de PAC de 2002 à 2004 en M.I 0% France : 100 % en neuf Suisse : 86% en neuf et 14% en rénovation MARCHE DE DEMAIN Figure 1.9 : Parts de marché neuf / rénovation Améliorations des produits en neuf (puissance variable) Développement des produits pour la rénovation (PAC HT, PAC en relève) Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 17 / 262

18 1.2 MARKETING Le marketing et la vente étant les seules activités qui ont un impact direct sur les clients, les entreprises s y consacrent de plus en plus, et ce quelle que soit leur taille. Le terme «marketing» fait référence à plusieurs actions qui n ont en fait que trois objectifs : Accroître les ventes Attirer davantage de clients Faire connaître l entreprise Définitions officielles du marketing Méthodes utilisées pour identifier et atteindre des segments de population spécifiques dans le but de leur vendre un produit ou un service. (Demandez-vous qui sont vos clients.) Activités en lien avec l achat et la vente d un produit ou d un service. Les 4 P (produit, place, prix et promotion). (Identifiez les 4 P de votre entreprise.) Le plan de marketing Un plan de marketing se définit de la manière suivante : Le plan de marketing met en application votre stratégie commerciale. La stratégie commerciale, quant à elle, définit les objectifs des plans de marketing. Elle vous indique dans quelle direction vous allez. Un plan de marketing peut prendre la forme d un document indépendant ou être intégré dans un plan d entreprise. Dans les deux cas, le plan de marketing a pour but de faire connaître à vos clients la valeur de vos produits et/ou services. Exemple : Méthode Objectif Durée Coûts Evaluation Publipostage Participation à des salons Participation à des activités permettant de développer notre réseau Publicité dans la presse locale Rédaction de documents présentant notre entreprise Rédaction de documents présentant nos produits/services Exposition dans les locaux de l entreprise (showroom) Total X jours Y Figure 1.10 : Plan de marketing de l installateur I Tec 18 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

19 19 PROJET EU-CERT.HP Le principe SMART Les activités de marketing obéissent au principe SMART. Spécifique : Définissez vos objectifs avec précision Mesurable : Chiffrez vos objectifs Atteignable : Assurez-vous de ne pas placer la barre trop haut Adapté à la Réalité : Assurez-vous de disposer des ressources nécessaires (maind œuvre, fonds, matériel, etc.) Limité dans le Temps : Fixez une date limite à laquelle vous devrez avoir atteint vos objectifs (dans un mois, d ici février 2007 ) Le déroulement d une vente Les sept étapes de la vente 1. Planification et/ou préparation 2. Introduction/ouverture 3. Questions 4. Argumentaire 5. Objections/négociation 6. Conclusion/fin 7. Suivi après la vente Lors d un entretien, mettez en avant les avantages, et pas les caractéristiques! Décrivez les avantages des pompes à chaleur. Ne vous contentez pas de dire qu elles sont efficaces. Expliquez qu elles permettent de réaliser des économies d énergie et qu elles sont faciles à utiliser. La description des avantages donne au client l envie d acheter! Sortez de la logique de la vente et bâtissez de vraies relations avec vos clients. Il est essentiel de se rapprocher des clients pour savoir ce qu ils veulent et de déterminer la valeur ajoutée du produit. Expliquez pourquoi le concept des pompes à chaleur est intéressant. Aspects financiers Réduction des dépenses de chauffage Investissement rentabilisé en quelques grâce à sa très grande efficacité années Frais d exploitation minimum Pas besoin de cheminée ni de conduit Les pompes à chaleur ne fonctionnent qu à Frais d entretien minimum l électricité. Aucun combustible n est nécessaire (pas besoin de stocker du fioul, par exemple), ce qui permet de réaliser d énormes économies. Possibilité d obtenir des subventions ou Tarifs spéciaux pour l électricité des prêts à faible taux d intérêt nécessaire au fonctionnement des pompes à chaleur Aspects techniques Technologie très au point Gain de place Fonctionnement très sécurisé Longévité Facilité d utilisation Conception moderne Installation de qualité Certificat de qualité Qualité du système Installation réalisée par un installateur agréé Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 19 / 262

20 Aspects environnementaux Réduction des émissions de CO 2 par Les pompes à chaleur utilisent l énergie rapport aux systèmes classiques ambiante Respect de l environnement Aucune émission locale contribuant à augmenter la pollution atmosphérique L énergie des pompes à chaleur est une L UE et les politiques gouvernementales énergie renouvelable sont favorables aux pompes à chaleur Aspects psychologiques Vous faites quelque chose pour Technologie propre l environnement Confort Système entièrement automatique Confort des systèmes à basse température Figure 1.11 : Avantages des pompes à chaleur 20 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

21 CHAPITRE 2 : COUT D UN SYSTEME DE POMPE A CHALEUR Les compétences clés développées dans cette partie et utiles pour obtenir l agrément de l UE sont les suivantes : Connaître les coûts d investissement, les coûts de fonctionnement, les coûts du cycle de vie des pompes à chaleur et le temps de retour du capital investi par rapport aux systèmes de chauffage classiques dans le pays concerné Savoir calculer les charges de capital d un système de chauffage (ce qu il faut prendre en compte) Savoir estimer et comparer les coûts existants (ce qu il faut prendre en compte) Facultatif Facultatif Facultatif 1 Introduction Pour la plupart des consommateurs, le coût est déterminant dans le choix d un système de chauffage. Actuellement, les frais d acquisition et d installation d une pompe à chaleur sont plus élevés que ceux des systèmes classiques tels qu une chaudière au fioul, une chaudière à gaz ou un chauffage électrique de base, mais les coûts de fonctionnement sont moindres. L installateur doit convaincre son client qu un système de pompes à chaleur présente le meilleur rapport qualité/prix. Pour cela, il peut calculer les coûts du cycle de vie des autres systèmes de chauffage et démontrer ainsi que les pompes à chaleur sont intéressantes d un point de vue financier. L installateur doit donc avoir une parfaite connaissance des coûts associés aux systèmes de chauffage, savoir à quel moment ces frais interviennent et être capable de comparer les différents systèmes. 2 Les coûts des systèmes de chauffage Tous les systèmes de chauffage entraînent des coûts d immobilisation du capital, des coûts de fonctionnement et des coûts de fin du cycle de vie. Coûts d immobilisation du capital : Coûts de fonctionnement : Coûts de fin du cycle de vie : Frais de conception et de gestion du projet Application de la réglementation des constructions Frais d équipement (dont frais de livraison) Frais d installation Frais de mise en service Coût du combustible sur un an Frais d entretien sur un an (pièces et main-d œuvre) Frais de réparation (en cas de panne) Coût d élimination 2.1 Coûts d immobilisation du capital Il s agit des sommes à débourser avant de pouvoir utiliser son système de pompes à chaleur. Ce sont les frais de conception, d installation et de mise en service. Pour des projets de petite envergure comme les pavillons, tous ces services peuvent être fournis par l installateur

22 moyennant une somme forfaitaire. Ce forfait pourra englober les frais d entretien de la première année, mais certains coûts liés au projet ne seront probablement pas compris, par exemple : Le réaménagement du jardin après avoir fait enterrer les serpentins La modernisation du système d alimentation en électricité et/ou du compteur électrique L installation d un système d alimentation en gaz ou d une cuve à fioul pour une chaudière traditionnelle La désinstallation et l élimination du système de chauffage en place Le réaménagement des pièces de la maison (lorsque des radiateurs sont ajoutés ou déplacés, par exemple) 2.2 Coûts de fonctionnement Ce sont les coûts entraînés par le fonctionnement et l entretien du système. Le combustible représente la plus grande partie de ces coûts. Pour calculer le coût annuel du combustible, il faut se baser sur le prix unitaire. Dans le cas des pompes à chaleur, il faut tenir compte des tarifs les plus avantageux accordés aux propriétaires de pompes à chaleur dans la région concernée. Dans certains pays, les compagnies d électricité proposent en effet des tarifs spéciaux, c est-à-dire plus bas aux heures où la demande d électricité est moindre, par exemple tôt le matin ou quelques heures dans la journée. De manière générale, les tarifs «heures creuses» destinés aux radiateurs à accumulation ne conviennent pas aux pompes à chaleur, à moins qu ils ne permettent de chauffer pendant la journée (se reporter au chapitre 8, qui traite des effets du stockage thermique sur la structure de l appareil). La plupart du temps, l approvisionnement en combustible comprend des frais d abonnement. Il s agit d un montant fixe donnant droit à la fourniture d électricité ou de gaz. Toutes les maisons ont besoin d électricité, c est pourquoi, lors du calcul, vous ne devez pas imputer l intégralité des frais d abonnement aux pompes à chaleur. Néanmoins, lorsque l installation d une pompe à chaleur se traduit par une hausse de l abonnement (car cela oblige à augmenter les capacités du compteur ou à demander un nouveau tarif), ces frais supplémentaires doivent être attribués à la pompe à chaleur. Le surcoût peut parfois s avérer important. En Suède, par exemple, 20 A coûtent 200 de plus sur une année que 16 A (courant triphasé). Pour plus de précision, l analyse du coût du combustible devrait tenir compte des variations saisonnières de la consommation d énergie et utiliser ces données pour estimer le montant de la facture mensuelle ou trimestrielle. Cependant, lorsque le coût du combustible reste le même quelle que soit la saison, de tels détails sont inutiles pour réaliser une simple comparaison entre deux systèmes. Passons maintenant à l entretien des systèmes. Dans le cas des chaudières et des pompes à chaleur, les contrats d entretien sont généralement établis sur une base annuelle et comprennent les opérations d entretien les plus courantes ainsi que la main d œuvre. Le prix des pièces peut être facturé séparément, inclus dans le contrat d entretien ou, les premières années, couvert par la garantie. 22 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

23 23 PROJET EU-CERT.HP 2.3 Coûts de fin du cycle de vie Ce sont souvent les exigences de respect de l environnement et de la législation qui font augmenter les coûts de désinstallation et d élimination d un système usagé. Dans la majorité des cas, la loi oblige les fabricants à prendre en charge les frais d élimination des principaux composants des systèmes de chauffage (voir la directive européenne relative aux déchets des équipements électriques et électroniques, par exemple), mais il vaut mieux prévoir dans votre calcul une somme raisonnable qui servira à la désinstallation du matériel. 2.4 Coûts des systèmes de pompes à chaleur en France (à titre indicatif) Coût d investissement d un système de chauffage par pompe à chaleur Maison individuelle Nous avons indiqué ci-dessous un tableau de synthèse des coûts moyens HT (2003) par systèmes thermodynamiques pour une maison individuelle de 120 m² Système Marché annuel PAC Emetteurs Capteurs Total (120m²) Prix ( /m²) français Air/eau + PC ou PCR 4000 à à 3000 à 9500 à à Air/eau + faible ~6500 ~ 4000 ~ à 90 VCV 2 tubes Air/eau +PCR+VCV faible ~6500 ~5000 ~ à 100 Eau/eau + capteurs 3000 à à ~3500 ~4000 (horiz) à 100 à 130 enterrés +PCR 5500 à ~6500 (vert) Sol/sol ou sol/eau à à ~3500 ~ à ~85 capteurs enterrés+pc Air/air +distribution 5000à ~5500 ~2000 ~ à 70 aéraulique Air/air split ~7000 ~ à 60 VCV : ventilo-convecteurs PC : plancher chauffant PCR : plancher chauffant-rafraîchissant Logement collectif Tableau 2.1 Concernant le chauffage collectif par PAC, nous avons en outre indiqué à la page suivante un exemple un extrait de la revue Chaud-Froid-Plomberie (septembre 2004), pour un appartement de 80 m². Le coût d investissement ( solution sans ECS et hors VMC) varie de 63 /m² ( air/air gainé) à 113 /m²( eau/eau avec VCV ). Cela peut atteindre 194 /m² avec des systèmes DRV 1 Ce coût ne comprend que le terrassement Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 23 / 262

24 Tableau 2.2 : coût d installation de chauffage pour un logement collectif Coût d investissement d un système de chauffage conventionnel Maison individuelle Pour un système conventionnel à fuel, le tableau ci-après donne un coût de 113 /m², ce qui est assez proche des systèmes PAC à capteurs enterrés. Pour le chauffage au gaz, les dépenses liées à de la cuve fuel sont évitées, et on arrive alors à un coût de 70 /m² Tableau 2.3: coût HT d une installation de chauffage central par chaudière fuel d une maison individuelle de 170 m² individuel ( Journal du Chauffage et du sanitaire, novembre 2003) 24 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

25 25 PROJET EU-CERT.HP 2.5 Evaluation des investissements Récupération simple C est une façon simple d évaluer les investissements. Elle peut aider à choisir entre deux options, l une des deux options pouvant être de «ne rien faire». La récupération simple correspond au moment où les bénéfices cumulés excèdent l investissement. Un propriétaire se voit par exemple proposer un système de pompes à chaleur pour , installation comprise. Les calculs démontrent que les coûts de fonctionnement annuels s élèveront à 600 par rapport aux coûts de fonctionnement annuels du système de chauffage existant qui sont de Les économies nettes annuelles ainsi réalisées se montent à 500. La récupération simple correspond au prix d achat et d installation divisé par les économies annuelles : Récupération simple = = 20 ans. Lorsque l on compare deux investissements différents comme l acquisition d une pompe à chaleur neuve avec l acquisition d une chaudière neuve par exemple, la récupération simple correspond à la différence des coûts divisée par la différence des économies. Il est un peu plus difficile de définir la période de récupération simple lorsque les coûts et les bénéfices interviennent de façon irrégulière tout au long du cycle de vie du système. La méthode utilisée habituellement consiste à créer un tableau présentant les coûts et bénéfices cumulés pour chaque mois. La lecture de ce tableau montre à quel moment les bénéfices excèdent les coûts Taux de rendement moyen Le taux de rendement est utilisé pour comparer les performances financières de différents investissements, par exemple l achat d une pompe à chaleur ou le placement d argent sur un compte d épargne. Le taux de rendement moyen correspond au bénéfice net annuel divisé par les coûts d investissement. Reprenons l exemple ci-dessus, avec un bénéfice annuel de 500 pour un investissement de : Taux de rendement moyen = = 5 % Si le taux d intérêt net du compte d épargne est supérieur au taux de rendement moyen du projet d acquisition d une pompe à chaleur, il est donc préférable, d un point de vue financier, de laisser l argent sur le compte d épargne. Il est évident que le taux de rendement moyen annuel est l inverse de la période de récupération simple. Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 25 / 262

26 2.1.3 Méthode de calcul des flux de trésorerie Une méthode simple pour comparer des investissements consiste à supposer que la différence en termes de coûts d immobilisation du capital est financée par un prêt à durée déterminée. Les économies opérationnelles des deux investissements en question (une chaudière et une pompe à chaleur, par exemple) sont ensuite comparées au coût du crédit (intérêts et remboursement du capital). Les économies et les coûts annuels peuvent ainsi être comparés sous la forme d un tableau, semblable à celui qui se trouve ci-dessous. Dans cet exemple, les économies annuelles ne sont pas toujours les mêmes car elles ont été calculées en tenant compte des variations du climat. Plusieurs fabricants proposent de tels outils d évaluation des coûts. Année Economies annuelles Coût du prêt Bénéfice net 1 546, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,28 Total 7 895, ,62 Tableau 2.4 : Méthode de calcul des flux de trésorerie L avantage de cette méthode est qu elle permet au client de voir immédiatement les économies nettes réalisées sur un an Evaluation du coût du cycle de vie Le principal problème posé par les méthodes de récupération simple et de calcul des flux de trésorerie réside dans le fait qu elles ne tiennent aucun compte de la phase qui suit la période de récupération de l investissement. Comment savoir par exemple s il vaut mieux choisir un système avec une récupération simple de 3 ans mais une durée de vie estimée à 5 ans ou un système avec une récupération simple de 4 ans mais une durée de vie estimée à 10 ans? Le tableau 3.5 une situation où une période de récupération courte ne constitue pas le meilleur investissement. 26 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

27 27 PROJET EU-CERT.HP Option 1 Option 2 Investissement Durée de vie de l équipement 5 ans 10 ans Economies annuelles Récupération simple 3 ans 4 ans Investissement total sur 10 ans (incluant le remplacement de l équipement) Economies totales sur 10 ans Bénéfice net sur 10 ans Tableau 2.5 : Exemple de deux investissements Il est évident que l option 2 permet de réaliser un bénéfice net sur 10 ans plus important que l option 1, qui présente une période de récupération simple plus courte. Il en va de même avec le taux de rendement moyen. L option 1 présente un taux de rendement moyen pour l investissement initial de 33 %. Le taux de rendement moyen de l option 2 est de 25 %. Néanmoins, l option 2 représente un meilleur investissement sur 10 ans, bien que le taux de rendement moyen diminue alors pour atteindre 16,5 %. Il ne faut pas confondre le «taux de rendement moyen» et le «taux de rendement interne» (se reporter au paragraphe intitulé «Valeur actualisée nette»). Le tableau 2.5 également le principe de l évaluation du coût du cycle de vie qui consiste à ajouter et comparer l ensemble des coûts et bénéfices tout au long de la durée de vie de chaque système. On obtient ainsi une vision plus rationnelle des investissements, bien après la période de récupération simple. Voici une méthode permettant de calculer les coûts du cycle de vie d un système de chauffage : 1. Calculer (ou faire estimer) les coûts d immobilisation du capital correspondant à l installation, en tenant compte des éventuelles subventions ou primes à l investissement. 2. Evaluer la durée de vie des principaux composants du système. 3. Calculer (ou faire estimer) les frais d entretien annuels (voir remarque n 2). 4. Evaluer la puissance calorifique demandée par le bâtiment sur un an. Diviser ce chiffre par le facteur de performance du système de pompes à chaleur (ou, dans le cas d une chaudière, par le rendement saisonnier) pour obtenir l énergie fournie sur un an. 5. Multiplier l énergie fournie par le coût unitaire du combustible pour obtenir le coût annuel du combustible (voir remarque n 2) 6. Déterminer les principales réparations ou poses de nouvelles pièces dont le système peut avoir besoin et qui ne sont pas couvertes par le contrat d entretien. Pour chacune, évaluer la probabilité, le coût et le moment où elles sont susceptibles d intervenir (voir remarque n 3). 7. Evaluer le coût d élimination à la fin du cycle de vie (voir remarque n 4). 8. Calculer le coût total. Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 27 / 262

28 Remarques : (1) La durée de vie des chaudières domestiques est comprise entre 15 et 20 ans [Réf 2]. Dans le cas des pompes à chaleur, la durée de vie dépend du type de pompes concerné : 10 à 15 ans pour les pompes air/air, 15 à 20 ans pour les pompes eau/eau. Toutefois, le capteur enterré d une pompe à chaleur géothermique peut avoir une durée de vie excédant les 30 ans. Il représente une grande partie des coûts du système, c est la raison pour laquelle il doit faire l objet d un calcul séparé (voir l exemple ci-dessous). (2) Il est impossible de prévoir avec précision l inflation des prix sur 20 ans. Pour simplifier, on considère généralement que les coûts des combustibles et les frais d entretien resteront les mêmes tout au long du cycle de vie du système. C est probablement faux, mais il est raisonnable de penser que les coûts augmenteront au même rythme pour tous les systèmes de chauffage, c est pourquoi le principe des «prix constants» permet de se faire une idée du meilleur investissement à réaliser. (3) Une chaudière moderne comprend plusieurs pièces importantes qui peuvent avoir besoin d être remplacées au cours de son cycle de vie : le ventilateur du conduit de fumée, l échangeur eau chaude/chaleur (pour les chauffe-eau domestiques mixtes), les commandes du brûleur, la pompe de circulation, etc. En principe, il faudrait estimer le coût de ces opérations ainsi que le moment où elles sont susceptibles d intervenir, et utiliser ces données dans le calcul du coût total, mais cela s avère difficile. Pour comparer plus facilement les coûts du cycle de vie, on peut considérer que la chaudière et la pompe à chaleur bénéficient d un contrat d entretien tout compris (pièces et main-d œuvre). (4) La question de la fin de vie d un système prend de plus en plus d importance. Il ne faut pas oublier que la désinstallation et l élimination d une pompe à chaleur et d une chaudière entraîneront des frais. Le tableau 3.6 présente un exemple de calcul pour un système de pompes à chaleur. Dans cet exemple, on voit bien quels problèmes se posent lorsque les divers éléments du système ont des durées de vie différentes. Ainsi, la durée de vie d un dispositif de chauffage géothermique et d un dispositif de chauffage par le sol est plus longue que celle d une pompe à chaleur. Lorsque la PAC ne fonctionnera plus, une nouvelle pompe à chaleur sera probablement installée, tandis que le système de chauffage par le sol et la boucle de terre, eux, resteront en place. Quand les systèmes et composants n ont pas la même durée de vie, il est utile de calculer les coûts de possession annuels moyens pour se faire une meilleure idée de leurs coûts respectifs. Coûts d immobilisati on du capital (en ) Coût annuel (en ) Durée de vie (en années) Coûts du cycle de vie (en ) Achat et installation d une pompe à chaleur ,67 Achat et installation d un capteur enterré ,67 Achat et installation d un système de chauffage par le sol Coûts de possession annuels (en ) Frais d entretien annuels (y compris l assurance en cas de panne) Coût annuel du combustible Coût d élimination ,33 Coûts du cycle de vie ,67 Tableau 2.6 : Exemple d une pompe à chaleur géothermale Remarque : Les chiffres indiqués dans ce tableau ne sont donnés qu à titre d exemple. Il ne s agit en aucun cas des coûts réels d un système. 28 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

29 29 PROJET EU-CERT.HP Valeur actualisée nette (VAN) Le calcul des coûts du cycle de vie illustré par le tableau 2.6 est plus fiable que le calcul de la récupération simple, mais il ne permet pas toujours de démontrer les avantages respectifs des investissements à long terme, surtout lorsque les taux d intérêt sont élevés. La valeur actualisée nette repose sur le principe suivant : l argent a plus de valeur aujourd hui que dans l avenir, et ce en raison des taux d intérêt. Par exemple, si l on vous donne 100 aujourd hui et que vous les placez sur un compte d épargne rémunéré à 3 %, vous aurez 103 dans un an. En revanche, si l on vous donne 100 et que vous n en faites rien, vous n aurez toujours que 100 au bout d un an. Le même phénomène se produit avec les coûts. Ainsi, vous serez en mesure de régler une facture de 100 dans un an si vous déposez aujourd hui 97,10 sur ce même compte d épargne. La VAN d un coût ou bénéfice futur V qui se produit dans n années se calcule de la façon suivante : VAN= V ( 1+ r) V est la valeur du coût ou du bénéfice obtenu r est le taux d escompte annuel n est le nombre d années n Le taux d escompte accordé aux investissements privés est généralement égal au taux d intérêt bancaire moins l inflation, mais différentes valeurs peuvent être utilisées. Lorsque les entreprises utilisent les taux d escompte pour évaluer les investissements internes, elles peuvent décider de choisir un taux d escompte plus élevé proportionnel au risque. Avant que les calculatrices et les tableurs ne fassent leur apparition, la VAN se présentait sous la forme d un tableau identique au tableau 2.7. Par exemple, pour trouver la VAN de 150 obtenus au bout de 5 ans avec un taux d escompte de 3 %, il fallait lire le coefficient correspondant (0,863) dans le tableau ci-dessous et le multiplier par le montant en question, soit 0,863 x 150 = 137,25. Nb Taux d escompte d années 2 % 3 % 4 % 5 % 0 1,000 1,000 1,000 1, ,980 0,971 0,962 0, ,961 0,943 0,925 0, ,942 0,915 0,889 0, ,924 0,888 0,855 0, ,906 0,863 0,822 0, ,888 0,837 0,790 0, ,871 0,813 0,760 0, ,853 0,789 0,731 0, ,837 0,766 0,703 0, ,820 0,744 0,676 0, ,804 0,722 0,650 0, ,788 0,701 0,625 0, ,773 0,681 0,601 0, ,758 0,661 0,577 0, ,743 0,642 0,555 0,481 Tableau 2.7 : Coefficients pour le calcul de la valeur actualisée nette Certains coûts reviennent régulièrement tout au long du cycle de vie du système, et il peut être utile de les calculer. La VAN d une série de coûts ou de bénéfices égaux V qui reviennent tous les ans pendant n années se calcule de la façon suivante : Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 29 / 262

30 V. r 1 n VAN ( 1+ 1 ) = r Les résultats de ce calcul peuvent eux aussi être présentés sous forme de tableau (voir tableau 2.8). Par exemple, la VAN d 1 touché tous les ans pendant 5 ans avec un taux d escompte de 3 % est de 4,58. Ce type de calcul est utilisé pour étudier les coûts de fonctionnement. Nb Taux d escompte d années 2 % 3 % 4 % 5 % 0 0,000 0,000 0,000 0, ,980 0,971 0,962 0, ,942 1,913 1,886 1, ,884 2,829 2,775 2, ,808 3,717 3,630 3, ,713 4,580 4,452 4, ,601 5,417 5,242 5, ,472 6,230 6,002 5, ,325 7,020 6,733 6, ,162 7,786 7,435 7, ,983 8,530 8,111 7, ,787 9,253 8,760 8, ,575 9,954 9,385 8, ,348 10,635 9,986 9, ,106 11,296 10,563 9, ,849 11,938 11,118 10,380 Tableau 2.8 : Valeur actualisée nette d une série de coûts égaux Si l on compare les valeurs actualisées nettes de différents investissements, les projets capitalistiques semblent moins intéressants que les autres, mais cette méthode de calcul permet de mieux connaître les coûts de fonctionnement à venir et de se rassurer en découvrant que les coûts à venir sont moins élevés que les coûts actuels. 30 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

31 31 PROJET EU-CERT.HP Calcul des coûts du cycle de vie avec la VAN Dans le tableau 2.6, les coûts du cycle de vie étaient calculés sans prendre en considération le taux d escompte. Le tableau 2.9 exploite les mêmes données mais utilise la valeur actualisée nette des coûts et bénéfices. Remarque : la VAN des coûts d achat et d installation est égale aux coûts d achat et d installation, car ces frais interviennent au début du projet. Coûts d immobilisati Coût on du capital annuel (en (en ) ) Durée de vie (en années) VAN des coûts du cycle de vie avec un taux d escompte de 3 % (en ) Coûts de possession annuels (en ) Achat et installation d une ,67 pompe à chaleur Achat et installation d une ,67 boucle de terre Achat et installation d un système de chauffage par le sol Frais d entretien annuels (y ,50 compris l assurance en cas de panne) Coût annuel du combustible ,93 Coût d élimination ,56 Coûts du cycle de vie ,33 Tableau 2.9 : Exemple de calcul des coûts du cycle de vie d un système de pompes à chaleur en utilisant la VAN Comme on le voit, l utilisation de la VAN réduit les coûts du cycle de vie et les coûts de possession moyens par rapport au tableau 2.6. Cependant, lorsque l on compare des types d investissements différents, la VAN rend plus attractifs les projets ayant un coût initial moindre ou un délai de récupération plus court Incidence sur l environnement tout au long du cycle de vie Il est possible d utiliser le calcul des coûts du cycle de vie pour évaluer les facteurs qui auront une incidence sur l environnement tout au long du cycle de vie du système, comme les émissions de dioxyde de carbone. Dans ce cas, les «coûts d immobilisation du capital» correspondent à l énergie nécessaire à la fabrication et l installation du système, tandis que les «coûts de fonctionnement» sont remplacés par les émissions de carbone de la chaudière ou les émissions de dioxyde de carbone (au niveau de la centrale) associées à l énergie électrique consommée par la pompe à chaleur. La fabrication et l installation des pompes à chaleur peuvent parfois nécessiter plus d énergie que pour une chaudière, mais elles émettent beaucoup moins de dioxyde de carbone au cours de leur cycle de vie (se reporter au paragraphe 2.3). Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 31 / 262

32 2.1.8 Autres méthodes d évaluation des investissements Le délai de récupération actualisé se calcule de la même manière que la récupération simple, mais les futurs coûts et bénéfices sont déduits de la valeur actualisée nette. Le délai de récupération actualisé couvre toujours une période plus longue que la récupération simple, ce qui le rend sans doute plus réaliste. Le taux de rendement interne est le taux d escompte pour lequel la valeur actualisée nette des coûts et des bénéfices cumulés tout au long du projet est égale à zéro. Le taux de rendement interne présente un certain nombre d inconvénients, et dans le cas de projets entraînant des décaissements intermittents, cette méthode de calcul peut générer plusieurs résultats. L utilisation du taux de rendement interne n est donc pas recommandée. 2.6 Exercices Les questions ci-dessous vous permettront de savoir si vous avez compris ce chapitre. L examen ne portera pas sur ce sujet. 1. Un propriétaire envisage d acquérir un système de pompes à chaleur coûtant 4 000, installation comprise. Par rapport à un système de chauffage classique, les économies d électricité réalisées s élèveraient à 400. La récupération simple est de : a) 20 ans b) 4 ans c) 10 ans d) 1 an 2. Quelle est la valeur actualisée nette (VAN) d un coût/d une économie de 100 survenant/réalisée au bout de 7 ans avec un taux d escompte de 4 %? Conseil : utilisez le Tableau 2.7. a) 81,3 b) 76 c) 1,32 d) Un architecte doit choisir le système de chauffage d une maison neuve, et il hésite entre une pompe à chaleur et une chaudière au fioul. L installateur estime que la pompe à chaleur coûterait 400 de moins par an que la chaudière, mais l acquisition et l installation de la pompe coûtent de plus. Les deux systèmes ont une durée de vie de 15 ans. Sachant que le taux d escompte s élève à 3 %, lequel des deux systèmes est le plus intéressant financièrement? a) la chaudière b) la pompe à chaleur c) Il n y a aucune différence 4. Même question qu au point 3, mais avec un taux d escompte de 5 % : lequel des deux systèmes est le plus intéressant financièrement? a) la chaudière b) la pompe à chaleur c) Il n y a aucune différence. 32 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

33 33 PROJET EU-CERT.HP Réponses 1. Les économies annuelles ne varient pas. La récupération simple est donc égale à la somme des coûts d acquisition et d installation divisée par le montant des économies annuelles : Récupération simple = = 10 ans 2. Le coefficient à utiliser pour calculer la VAN (voir tableau 2.7) sur 7 ans à un taux de 4 % est 0,760, donc VAN = 0,76 x 100 = Les économies annuelles ne varient pas. Le tableau 2.8 peut donc être utilisé pour calculer la VAN des économies cumulées. Le coefficient à prendre en considération pour calculer la VAN sur 15 ans à un taux de 3 % est 11,938, donc VAN des économies réalisées = 11,938 x 400 = 4 775,20 La VAN des économies réalisées est supérieure au coût supplémentaire (4 000 ). La pompe à chaleur est donc la solution la plus avantageuse. 4. Le coefficient à utiliser pour calculer la VAN sur 15 ans à un taux de 5 % est 10,380. VAN des économies réalisées = 10,380 x 400 = La VAN des économies réalisées est toujours supérieure au coût supplémentaire (4 000 ). La pompe à chaleur est donc là aussi la solution la plus avantageuse. 2.7 Références Pour en savoir plus sur les coûts du cycle de vie, les impondérables et les facteurs à prendre en considération, se reporter à la norme EN (2004) Gestion de la sûreté de fonctionnement Partie 3-3 : Guide d application Evaluation du coût du cycle de vie [1]. [1] EN (2004) Gestion de la sûreté de fonctionnement Partie 3-3 : Guide d application Evaluation du coût du cycle de vie [2] CIBSE, «Guide to ownership operation and maintenance costs of building services», CIBSE, 2000 [3] «Whole life costing and life-cycle assessment for sustainable building design», DG452, S. Edwards, BRE, 2000 [4] Journal du Chauffage et du sanitaire, novembre 2003 [5] Chaud-Froid-Plomberie (septembre 2004), 2.8 Documentation générale Whole life cost forum (forum sur les coûts du cycle de vie) : «Whole life-cycle costing Risk and responses», Boussabaine A., Kirkham R., Blackwell Publishing, Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 33 / 262

34 34 CHAPITRE 3 : AVANTAGES ENVIRONNEMENTAUX DES POMPES A CHALEUR Les compétences clés développées dans cette partie et utiles pour obtenir l agrément de l UE sont les suivantes : Connaître et savoir décrire les coûts et bénéfices environnementaux des pompes à chaleur Comprendre les conséquences que le fonctionnement des pompes à chaleur peut avoir sur l environnement Savoir distinguer les fluide frigorigènes les moins nocifs pour l environnement 1 Les politiques énergétiques Facultatif Facultatif Facultatif L énergie est le moteur de notre société, et elle est la clé de voûte de notre développement économique. Cependant, nous nous heurtons actuellement à certains problèmes essentiels qui influenceront à coup sûr notre consommation d énergie : l absence de sécurité d approvisionnement, la diminution des réserves de pétrole, le changement climatique. Ces problèmes sont au cœur des politiques énergétiques nationales et internationales. 1.1 La sécurité d approvisionnement énergétique En moyenne, 50 % de la consommation d énergie de l Union Européenne dépend des importations de combustibles, et on estime que dans 30 ans, ce chiffre passera à 70 %. Nos pays étant très dépendants des importations de combustibles tels que le fioul, le gaz et le charbon, tout événement venant perturber la chaîne d approvisionnement (comme l agitation civile, les problèmes techniques, le terrorisme, etc.) se traduit généralement par une augmentation des prix puis par une pénurie d énergie. Les crises de l énergie qui se sont produites dans les années 70 et 80 montrent bien les conséquences désastreuses que ces phénomènes peuvent avoir sur nos économies et la société dans son ensemble. Afin de remédier à ces problèmes, les pays européens développent des politiques visant à diversifier leur approvisionnement, à utiliser leurs propres sources d énergie, à augmenter leur capacité de stockage, à accroître leur efficacité énergétique et à conclure des contrats de longue durée avec des producteurs. Pour en savoir plus sur la sécurité de l approvisionnement énergétique en Europe, rendezvous sur le site : 34 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

35 35 PROJET EU-CERT.HP 1.2 La diminution des réserves de pétrole Les réserves de pétrole sont limitées, tout comme celles de bien d autres combustibles fossiles (le gaz naturel, le charbon, la tourbe, etc.). Nous avons toutes les raisons de penser que, avant la fin de cette décennie, la production de pétrole va commencer à décliner partout dans le monde puisque les nouveaux gisements ne suffisent plus à compenser la diminution des réserves connues. Parallèlement, la demande de pétrole ne cesse de croître, surtout dans les pays émergents comme la Chine, et pourrait dépasser les capacités de production dans les années à venir. En conséquence, le prix du pétrole augmente inexorablement. Le gaz naturel, souvent présenté comme une option de rechange, est lui aussi en train de disparaître, mais plus lentement, puisqu il devrait commencer à faire défaut aux alentours de Pour en savoir plus sur la diminution des réserves de pétrole, rendez-vous sur le site : Une menace mondiale : le changement climatique Le changement climatique, également appelé réchauffement de la planète, est dû à une accélération de l effet de serre, phénomène naturel grâce auquel la terre se réchauffe. L effet de serre est produit par des gaz, comme le dioxyde de carbone, qui retiennent une partie de l énergie solaire au lieu de la laisser retourner dans l espace. Nous faisons brûler de plus en plus de combustibles fossiles, et c est principalement pour cette raison que la concentration de dioxyde de carbone (CO 2 ) dans l atmosphère est à peu près 30 % plus élevée qu avant l ère industrielle. Cela renforce l effet de serre, et la température à la surface de la terre augmente lentement, de 0,4 à 0,8 C. Le réchauffement de la planète pourrait atteindre 3 à 5 degrés Celsius avant la fin de ce siècle. Dans ce cas, nous assisterons à des catastrophes météorologiques plus fréquentes et plus graves, à la destruction de certains écosystèmes, à la disparition de certaines espèces, à la montée du niveau de la mer et à l érosion des côtes. Nous rencontrerons également des problèmes d approvisionnement et de pollution de l eau, tandis que notre santé et celle des animaux se dégraderont. Et ce ne sont que quelques-unes des conséquences qui pourraient survenir. Pour en savoir plus sur le changement climatique et ses conséquences, rendez-vous sur le site : Les pompes à chaleur, une solution énergétique renouvelable Les pompes à chaleur peuvent contribuer à résoudre les problèmes décrits ci-dessus. Elles utilisent efficacement l électricité pour tirer parti de la chaleur ambiante provenant de sources naturelles (l air, l eau, la terre) ou de la chaleur perdue (en récupérant la chaleur provenant de l air de ventilation, par exemple). Ainsi, elles peuvent réduire la quantité d énergie nécessaire au chauffage ou au refroidissement et limiter les émissions de gaz à effet de serre Comment les pompes à chaleur contribuent à réduire le CO2 Un système de PAC peut contribuer à réduire le CO 2, grâce à trois facteurs : son coefficient de performance annuel (se reporter au chapitre 6) ; le type de combustible utilisé pour produire l électricité nécessaire au fonctionnement des PAC et l efficacité de leur production et de leur distribution ; le type de fluide frigorigène utilisé et le débit de fuite des pompes à chaleur. Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 35 / 262

36 36 Plus un système de pompes à chaleur est efficace, moins il lui faut d électricité pour fonctionner et délivrer la chaleur demandée. Bien entendu, la chaleur ambiante utilisée par les pompes provient de sources d énergie renouvelables et n a pas généré de gaz à effet de serre. Néanmoins, l électricité est généralement produite par des centrales brûlant des combustibles fossiles comme le charbon, le gaz, la tourbe, etc. En consommant de l électricité, nous contribuons donc au changement climatique, mais notre contribution dépend de la quantité et de la nature des combustibles utilisés ainsi que de l efficacité de la production d électricité et de la distribution de cette même électricité auprès des consommateurs. Voici le bilan énergétique d un système de pompes à chaleur en Irlande : 72 kwh Ambient Heat 86 kwh Primary Energy 100 kwh Useful Heat 28 kwh Electricity 58 kwh Waste Heat Chaleur ambiante 72 kwh Chaleur utile 100 kwh Electricité 28 kwh Energie primaire 86 kwh Chaleur perdue 58 kwh Figure 3.1 : Bilan énergétique d un système de pompes à chaleur Voici, à titre de comparaison, le bilan énergétique d une chaudière au fioul ou à gaz : 133 kwh Primary Energy 33 kwh Waste Heat 100 kwh Useful Heat Chaleur perdue 33 kwh Energie primaire 133 kwh Chaleur utile 100 kwh Figure 3.2 : Bilan énergétique d une chaudière au fioul ou à gaz Par rapport à une chaudière au fioul ou à gaz, un système de pompes à chaleur permet donc d économiser 47 unités d énergie primaire pour 100 unités de chaleur utile produites, ce qui le rend 34 % plus efficace. Les pompes à chaleur peuvent par conséquent nous aider à importer moins de combustibles. En tenant compte du CO 2 émis pour chaque unité d énergie, il est possible de déterminer dans quelle mesure les pompes à chaleur permettent de réduire les émissions de CO 2. Le tableau 3.1 indique le rapport de l énergie primaire (égal à la chaleur produite divisée par l énergie fossile nécessaire à sa production, exprimé en kwh/kwh) et le rapport du CO 2 (exprimé en g/kwh) de différents systèmes de chauffage en IRLANDE. D après ces calculs, 36 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

37 37 PROJET EU-CERT.HP une pompe à chaleur ayant un coefficient de performance de 3,5 émet moitié moins de CO 2 qu une chaudière au fioul et 40 % de moins qu une chaudière à gaz (pour une efficacité de 75 %). Système de chauffage Rendement saisonnier Rapport de l énergie primaire (kwh/kwh) Pompe à chaleur utilisant 350 % 1,4 0,19 de l électricité brune Pompe à chaleur utilisant 350 % 3,2 0,00 de l électricité verte Chauffage électrique direct 100 % 0,4 0,66 Chaudière à gaz 75 % 0,75 0,31 Chaudière au fioul 75 % 0,75 0,38 Rapport du CO 2 (g/kwh) Tableau 3.1 : Comparaison de divers systèmes de chauffage (rapports de l énergie primaire et rapports du CO 2) C est surtout à cause des émissions de C0 2 des centrales électriques que les pompes à chaleur participent à l effet de serre. Mais lorsque l électricité nécessaire aux pompes provient de sources d énergie renouvelables (l énergie hydraulique, le vent, etc.), les pompes à chaleur peuvent grandement contribuer à réduire les émissions de C0 2. Les installateurs de pompes à chaleur devraient inciter leurs clients à passer à l électricité verte afin que leur système de chauffage soit encore plus respectueux de l environnement. 1.5 Les fluides frigorigènes contribuent à l appauvrissement de la couche d ozone et au réchauffement de la planète Les fluides frigorigènes sont essentiels aux pompes à chaleur. Il faut savoir que certains d entre eux peuvent être nuisibles à l environnement s ils s échappent dans l atmosphère, et ce pour deux raisons : leur potentiel d appauvrissement de la couche d ozone, provoqué par les rayonnements ultraviolets qui séparent les particules de chlorofluorocarbures contenues dans les fluide frigorigènes et libèrent des atomes de chlore capables de détruire l ozone. L ozone est un gaz qui forme une couche à un niveau très élevé de notre atmosphère. Cette couche d ozone nous protège, nous et notre environnement, de rayonnements UV excessifs qui pourraient causer des cancers de la peau et autres maladies, et perturber les cycles naturels de notre environnement. Pour en savoir plus, rendez-vous sur le site : leur potentiel de réchauffement de la planète, provoqué par leur contribution à l effet de serre. Les chlorofluorocarbures, par exemple, sont des gaz à effet de serre fois plus puissants que le CO 2. Les chlorofluorocarbures (totalement halogénés) et les hydrochlorofluorocarbures (partiellement halogénés) ont été très utilisés au vingtième siècle pour la réfrigération. Toutefois, le Protocole de Montréal, signé en 1987, comprenait un programme visant à diminuer ou abandonner leur utilisation partout dans le monde, pour protéger la couche d ozone. Au sein de l Union Européenne, le règlement de la Commission européenne n 2037/2000 a pour but de supprimer peu à peu ces fluide frigorigènes, et certains Etats membres ont même établi des règles encore plus strictes. Le tableau ci-dessous donne un aperçu de la nature de ces fluide frigorigènes, de leurs solutions de remplacement, de leur statut et de leur utilisation. Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 37 / 262

38 38 Fluide frigorigènes Statut Utilisation Chlorofluorocarbures (CFC) : R11, R12, R13, R113, R114, R115, R500, R502, R13B1 Interdits Uniquement les fluide frigorigènes purifiés provenant d installations hors service et rééquipées faisant partie d usines déjà Hydrochlorofluorocarbures (HCFC) : R22, R401, R402, R403, R408 et R409 Hydrofluorocarbures (HFC) : R134a, R152a, R32, R125 et R507 Mélanges de deux HCFC purs ou plus Mélange de deux HFC purs ou plus et/ou d hydrocarbures (propane) Fluides actifs naturels comme l ammoniac (NH 3 ), les hydrocarbures (le propane, par exemple), le dioxyde de carbone (CO 2 ), l air ou l eau Fluide frigorigènes de transition. Peu à peu supprimés d ici 2015 au sein de l UE. Fluide frigorigènes de remplacement à long terme. Contribuent toujours au réchauffement de la planète. Considérés comme des fluide frigorigènes de transition ou des solutions à moyen terme Aucun potentiel d appauvrissement de la couche d ozone, mais potentiel de réchauffement de la planète Impact négligeable sur l environnement. Certains d entre eux sont inflammables ou toxiques. existantes Ne peuvent plus être utilisés dans les nouveaux appareils depuis 2001 pour les PAC > 150 kw, et depuis 2004 pour les autres. Ne pourront plus être utilisés vierges (non recyclés) après Complètement interdits après Fluide frigorigènes dépourvus de chlore remplaçant les R12, R22 et R502 Remplacent souvent les CFC Le R410A et le R407C sont les deux mélanges les plus utilisés Dans certains cas, d importantes mesures de sécurité doivent être prises lors de la conception, du fonctionnement et des opérations d entretien Tableau 3.2 : Légalité, sûreté et utilisation des fluide frigorigènes Le potentiel d appauvrissement de la couche d ozone permet de déterminer le degré de nocivité d un fluide frigorigène pour la couche d ozone par rapport au R11, qui est pris comme référence. Le R11 contient trois atomes de chlore et son potentiel d appauvrissement de la couche d ozone est égal à 1,0. 38 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

39 39 PROJET EU-CERT.HP Le potentiel de réchauffement de la planète permet de déterminer dans quelle mesure un fluide frigorigène contribue au réchauffement de la planète. Le CO2 sert de référence, et son potentiel de réchauffement de la planète est égal à 1,0. Type CFC HCFC HFC HC Fluide frigorigène R11 R12 R502 R22 R134A R404A R407C R410A R290 Potentiel d appauvrisse ment de la couche d ozone 1,00 0,9 0,229 0, Potentiel de réchauffement de la planète Kg CO2/kg fluide frigorigène Durée de vie (en années) Tableau 3.3 : Les potentiels d appauvrissement de la couche d ozone et de réchauffement de la planète des fluide frigorigènes Les fluide frigorigènes les plus couramment utilisés aujourd hui pour les pompes à chaleur installées dans les maisons sont le R134A et le R407C. Leur potentiel d appauvrissement de la couche d ozone est nul, mais leur potentiel de réchauffement de la planète s avère important. Des pompes à chaleur employant des fluide frigorigènes plus respectueux de l environnement, tels que les hydrocarbures et le dioxyde de carbone, sont continuellement mises au point, mais elles ne sont pas encore très répandues sur le marché. Cela pourrait néanmoins changer dans les années à venir Les fluide frigorigènes ne peuvent appauvrir la couche d ozone et réchauffer la planète que lorsqu ils s échappent dans l atmosphère. La priorité est donc d empêcher les fuites et les déversements accidentels. Pour cela, il faut entretenir correctement les appareils et manipuler convenablement les fluide frigorigènes. 1.6 L éco-label européen L éco-label européen est un projet qui incite les entreprises volontaires à commercialiser des produits et services plus respectueux de l environnement. Les consommateurs européens (qu ils appartiennent au secteur public ou privé) peuvent facilement reconnaître ces produits et services. Cela signifie qu un organisme public indépendant a vérifié que ces produits respectent des critères écologiques et des critères de performance stricts, définis au niveau européen après de longues négociations. Ce label comprend actuellement 21 catégories de produits différentes, et plus de 180 autorisations ont déjà été accordées pour plusieurs centaines de produits au total. La European Heat Pump Association et la Commission européenne réfléchissent ensemble à la création d un éco-label destiné aux pompes à chaleur. Pour plus d informations, rendezvous sur le site de l EHPA : Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 39 / 262

40 Bibliographie RHD Rawlings, Note technique n 18/99 : «Grou nd Source Heat Pumps A Technology Review». BSRIA (ISBN ) Gilli et al, «Analysis Report HPC-AR6 - Environmental Benefits of Heat Pumping Technologies». IEA Heat Pump Centre. SEI, «Energy in Ireland 2003», Sustainable Energy Ireland. 1.8 Pour en savoir plus European Heat Pump Association Environmental Protection Agency (Agence de protection de l environnement aux Etats-Unis) Association for the Study of Peak Oil (Association pour l étude du pic pétrolier) Commission européenne, Direction générale énergie et transports Exercices 40 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

41 41 PROJET EU-CERT.HP CHAPITRE 4 : GEOLOGIE ET REGLEMENTATION Les compétences clés développées dans cette partie et utiles pour obtenir l agrément de l UE sont les suivantes : Connaître les ressources géothermiques de votre pays Facultatif Connaître les températures de l eau souterraine dans votre pays, Important les facteurs ayant une incidence sur la température, la qualité et la quantité de l eau souterraine Connaître la réglementation en vigueur dans votre pays (utilisation Obligatoire de l eau de surface et de l eau souterraine comme sources de chaleur pour les pompes à chaleur ; systèmes couplés avec le sol ou pompes à chaleur géothermiques à capteurs horizontaux et verticaux ; niveau sonore des systèmes d air) Connaître les températures de calcul nationales utilisées dans votre Important pays Savoir déterminer l état du sol pour les capteurs horizontaux Obligatoire 1. Ressources géothermiques 1.1 L eau souterraine Considérations générales La pluie ne fait pas que tomber sur le sol. Une partie de cette eau glisse sur la surface du sol pour former des ruisseaux ou des lacs, une autre est utilisée par les plantes, une autre encore s évapore et retourne dans l atmosphère, et le reste est absorbé par le sol. Imaginez que vous versez le contenu d un verre d eau sur un tas de sable. Où va l eau? Elle va occuper l espace entre les grains de sable. On appelle eau souterraine l eau qui se trouve sous terre ainsi que dans les craquelures et les interstices de la terre, du sable et des roches. L eau souterraine s accumule (et se déplace lentement) dans les couches de terre, de sable et de roches que l on nomme aquifères. Les aquifères sont généralement constitués de gravier, de sable, de grès ou de roches fissurées comme le calcaire. Ces matières sont perméables car leur structure présente un certain nombre d interstices à travers lesquels l eau peut s infiltrer. La vitesse à laquelle l eau souterraine s y infiltre dépend de la taille des espaces présents dans le sol ou dans la roche et de la qualité des liaisons qui existent entre ces espaces. La zone de l aquifère dans laquelle l eau s accumule est appelée zone saturée ou zone de saturation. Dans la zone saturée, toutes les fissures des roches et tous les espaces dans la structure des roches ou de la terre sont remplis d eau. Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 41 / 262

42 42 La limite supérieure de cette zone a pour nom «niveau hydrostatique». Le niveau hydrostatique peut se situer à un mètre comme à plusieurs centaines de mètres de la surface du sol. Quant à la zone qui se trouve au-dessus du niveau hydrostatique, où les espaces lacunaires contiennent à la fois de la vapeur et de l eau, elle est appelée zone non saturée. L eau stockée dans les aquifères peut revenir à la surface naturellement, grâce aux sources, ou en formant des lacs et des ruisseaux. L eau souterraine peut également être pompée après avoir creusé un puits dans l aquifère. Figure 4.1 : Schéma d une nappe souterraine Unsaturated zone Water table Saturated zone Land surface Surface water Ground water Zone non saturée Niveau hydrostatique Zone saturée Surface du sol Eau de surface Eau souterraine L alimentation d une nappe souterraine L eau souterraine est présente presque partout. La profondeur du niveau hydrostatique n est pas toujours la même, et de nombreux facteurs peuvent la faire varier. Une nappe souterraine est principalement alimentée par l infiltration des eaux de pluie et des eaux de surface dans les couches géologiques. L eau souterraine émerge à nouveau grâce aux sources ou aux eaux de surface à basse altitude, ou est pompée dans des puits. L alimentation, la réémergence et le pompage modifient le niveau hydrostatique. Selon le type et l intensité de la pluie, la nature du sol, les formations rocheuses, l état du sol et la quantité de végétation, une plus ou moins grande quantité d eau s infiltre dans la couche supérieure du sol (c est-à-dire la zone non saturée ainsi que la zone située entre la surface du sol et le niveau hydrostatique). La majeure partie de l eau sera stockée temporairement à cet endroit ou retournera dans l atmosphère par évaporation. L eau qui s infiltre dans la couche inférieure et les formations rocheuses vient alimenter les nappes souterraines et élève le niveau hydrostatique. Durant les mois d hiver, ce sont surtout les précipitations qui alimentent les nappes souterraines, car l évaporation est alors très lente. 42 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

43 43 PROJET EU-CERT.HP Les systèmes d eaux souterraines Un système d eaux souterraines comprend des aquifères et des couches semi-perméables 2 qui se trouvent au niveau du bassin versant. Le système ne fait pas que stocker les eaux infiltrées jusqu à ce que toutes les fissures soient remplies, puisque le liquide est également dirigé vers les eaux de surface et les lieux d émergence. La diminution des précipitations annuelles, le tassement du sol et l urbanisation qui empêchent l eau de s infiltrer dans le sol, et enfin l évolution des propriétés d infiltration des couches supérieures du sol peuvent appauvrir les nappes souterraines. Si l on venait à pomper plus d eau qu il ne s en infiltre, le niveau hydrostatique baisserait sans doute dangereusement. Les nappes souterraines constituent souvent la plus grande réserve d eau douce (et d eau potable) immédiatement accessible et utilisable. Leurs valeurs sanitaire et économique sont inestimables. Il est essentiel de protéger ces ressources, tant au niveau de leur quantité que de leur qualité. Les gouvernements ne devraient pas être les seuls à s en préoccuper, car c est l affaire de tous. L eau souterraine doit être utilisée en priorité pour l approvisionnement en eau potable. Les autres usages, y compris l alimentation des pompes à chaleur, ne sont que secondaires Quantité d eau souterraine nécessaire au fonctionnement des pompes à chaleur Afin de s assurer que l eau souterraine est présente en quantité suffisante, il convient de réaliser un test de pompage de deux ou trois jours. Une pompe à chaleur eau/eau exige environ 160 litres d eau par heure pour chaque kw produit avec une différence de température de 4 K. Le niveau hydrostatique ne doit pas se situer à plus de 15 m du sol, car la demande énergétique de la pompe d alimentation pourrait alors s avérer trop élevée Composition chimique nécessaire au fonctionnement des pompes à chaleur La composition chimique de l eau souterraine varie en fonction des régions. Seule une analyse chimique permettra de déterminer si l eau disponible convient aux pompes à chaleur eau/eau. Par ailleurs, il ne faut pas oublier que les travaux agricoles peuvent altérer la qualité de l eau après l analyse. Vous trouverez dans le tableau ci-dessous les valeurs seuils les plus courantes. Elles peuvent toutefois varier selon les fabricants. Ces seuils visent surtout à protéger de la corrosion l échangeur de chaleur en acier inoxydable, et le respect des valeurs fixées par le fabricant peut faire partie des conditions de garantie. Si vous avez le moindre doute sur leur pertinence (ou si vous pensez qu il ne vaut mieux pas les suivre), demandez conseil au fabricant. 2 Les couches semi-perméables sont constituées de roches à faible perméabilité comme le shale ou la terre glaise, qui limitent l écoulement de l eau ou l emprisonnent Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 43 / 262

44 44 Critère d évaluation Ammoniaque (NH 3 ) Chlorure Concentration (mg/l) Résultat Critère d évaluation Concentration (mg/l) < 2 + < 7,5 0 de 2 à 20 0 Valeur ph de 7,5 à 9 + > 20 - > 9 0 < < 2 + Teneur en O 2 > > 2 0 < 10 µs/cm 0 Sulfure < 0,05 + Conductibilité de 10 à 500 d hydrogène + µs/cm (H 2 S) > 0,05 - > 500 µs/cm - Bicarbonate (HCO - 3 ) / < 1 0 Fer (Fe) dissous < 0,2 + Sulfate (SO4² - ) > 1 + > 0,2 0 < 70 0 Bicarbonate Acide < 5 + (HCO - de 70 à ) carbonique de 5 à 20 0 > (agressif) > 20 - Aluminium < 0,2 + Manganèse < 0,1 + (Al) dissous > 0,2 0 (Mn) dissous > 0,1 0 < 70 + Nitrate (NO 3 ) < Sulfate de 70 à dissous > > Chlore < 1 + de 1 à 5 0 > 5 - Sulfite (SO 3 ) libre < 1 + Résultat Tableau 4.1 : Qualité d eau nécessaire aux échangeurs thermiques à plaques (les valeurs dépendent des fabricants) + Le système résistera bien à la corrosion 0 Certains problèmes de corrosion peuvent survenir, surtout si d autres facteurs sont assortis d un 0 - Cette eau n est pas adaptée aux pompes à chaleur Protection de l eau souterraine Il faut protéger l eau souterraine des effets de l activité humaine car : L eau souterraine est une importante source d eau potable. L eau souterraine se déplace lentement dans le sol. Les conséquences de l activité humaine ne se feront peut-être pas sentir tout de suite. Il est souvent très difficile et très coûteux de purifier l eau souterraine qui a été polluée, même lorsque la source de la pollution a disparu. L eau souterraine procure un débit de base aux eaux de surface, ce qui permet aux ruisseaux et rivières de ne pas s assécher par temps sec. Elle est souvent essentielle pour les terres marécageuses et leurs écosystèmes. L agriculture, l industrie et d autres activités humaines représentent un risque pour la qualité et la quantité des eaux souterraines. 44 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

45 45 PROJET EU-CERT.HP La principale législation européenne traitant de la protection de l eau souterraine a toujours été la Directive «eaux souterraines» (80/68/CEE), qui devrait être remplacée en 2013 par la Directive cadre sur l eau. La Directive «eaux souterraines» classe les substances en deux listes, en fonction de leur risque de toxicité, de persistance et de bioaccumulation. Le Tableau 4.2 reproduit la liste I, et le Tableau 4.3 la liste II. Les substances de la liste I sont considérées comme les plus polluantes. Les principales exigences de cette Directive sont les suivantes : Empêcher l introduction dans les eaux souterraines de substances relevant de la liste I. Eviter la pollution des eaux souterraines par des substances relevant de la liste II. Lorsqu il existe un risque d introduction dans les eaux souterraines de substances relevant de la liste I ou un risque de pollution des eaux souterraines par des substances relevant de la liste II, le rejet (dans une rivière, par exemple) ne doit être autorisé qu après une enquête. Ces deux listes concernent les pompes à chaleur utilisant les eaux souterraines ainsi que les pompes à chaleur géothermiques, car une panne pourrait entraîner un risque de contamination accidentelle des eaux souterraines. La Directive oblige notamment à : Créer des unités chargées de la gestion des eaux souterraines formant des masses d eaux souterraines et à classer ces masses suivant leur état, qui dépend de la quantité et de la qualité chimique de l eau. S assurer que l état des eaux souterraines ne se dégrade pas. Purifier les masses d eaux souterraines polluées lorsque cela est techniquement faisable et n entraîne pas des coûts disproportionnés. Empêcher ou limiter l introduction de polluants dans les eaux souterraines. Identifier les eaux souterraines de plus en plus polluées et les purifier. Mettre en place des mesures permettant de contrôler le captage et de surveiller les sources non ponctuelles susceptibles de polluer les eaux souterraines. Elaborer une nouvelle directive «eaux souterraines» pour la prévention de la pollution. Liste I : Composés organohalogénés (et substances qui peuvent donner naissance à de tels composés dans le milieu aquatique) Composés organophosphorés Composés organostanniques Mercure et composés du mercure Cadmium et composés du cadmium Cyanures Substances qui possèdent un pouvoir cancérogène, mutagène ou tératogène dans le milieu aquatique ou par l intermédiaire de celui-ci Huiles minérales et hydrocarbures Tableau 4.2 : Liste I de la Directive «eaux souterraines» (80/68/CEE) Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 45 / 262

46 46 Liste II : Métalloïdes et métaux suivants, ainsi que leurs composés : zinc, cuivre, nickel, chrome, plomb, sélénium, arsenic, antimoine, molybdène, titane, étain, baryum, béryllium, bore, uranium, vanadium, cobalt, thallium, tellure et argent Biocides et leurs dérivés ne figurant pas sur la Liste I Substances ayant un effet nuisible sur la saveur et/ou sur l odeur des eaux souterraines, ainsi que les composés susceptibles de donner naissance à de telles substances dans les eaux et à rendre celles-ci impropres à la consommation humaine Composés organosiliciés toxiques ou persistants et substances qui peuvent donner naissance à de tels composés dans les eaux, à l exclusion de ceux qui sont biologiquement inoffensifs ou qui se transforment rapidement dans l eau en substances inoffensives Composés inorganiques de phosphore et phosphore élémentaire Fluorures Ammoniaque et nitrites Tableau 4.3 : Liste II de la Directive «eaux souterraines» (80/68/CEE) Réglementations nationales Réglementations nationales relatives aux pompes à chaleur géothermales Pour les PAC géothermiques ( sur nappe ou avec capteurs verticaux) Le code Minier : En cas de forage d une profondeur supérieure à 10 m et inférieur à 100m, une déclaration doit être faite auprès de la DRIRE ( décret du 28 mars 1978-article 17 et article 131 du Code Minier). Si le forage est supérieur à 100m, l installation doit être soumise à une autorisation administrative et doit avoir le consentement des propriétaires d habitation dans un rayon de 50 m. Le code de l Environnement L arrêté du 11 septembre 2003 (fixant les prescriptions générales applicables aux sondages, forage, etc..) impose en outre une distance minimale du forage de 35 m par rapport aux ouvrages d assainissement collectif ou non collectif, des canalisations d eaux usées ou transportant des matières susceptibles d altérer la qualité des eaux souterraines. En outre, il est nécessaire de vérifier auprès des autorités locales, mairie de la commune ou la DASS du département, si la zone de forage ne se situe pas dans un périmètre de protection d'un prélèvement d'eau potable. De même, il est nécessaire de vérifier auprès de la DIREN si la zone de forage ne se situe pas dans un périmètre de protection du patrimoine. Pour les PAC sur nappe ou dans rivière Pour le prélèvement d eau Lorsque le débit est de prélèvement est supérieur ou égal à 8m3/h, l installation doit être déclarée à la préfecture est obligatoire. Lorsque le débit dépasse 80m3/h, l exploitation est soumise à autorisation (la procédure prend de 6 à 12 mois) Remarque : dans certains régions, ces valeurs peuvent être réduites 46 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

47 47 PROJET EU-CERT.HP Pour le rejet d eau Généralement, il est conseillé de réinjecter dans la nappe (en principe en aval de l écoulement). Dans ce cas, le rejet doit être déclaré à la préfecture ; le différentiel de température entre le prélèvement et le rejet ne doit pas dépasser 25 C. Lorsque le rejet est fait dans un réseau d assainissement, 2 cas sont possibles : Soit le réseau est séparatif (séparation des eaux usées et des eaux pluviales) : le rejet peut se faire dans le second avec une autorisation de la municipalité Soit le réseau est unitaire : dans ce cas, le rejet est généralement interdit (si il est autorisée, il y a des taxes) Ressources nationales en eau souterraine DEPENDENT DU PAYS CONCERNE Il tombe environ 440 km 3 d eau de pluie par an, dont 270 km 3 reparte aussitôt dans l atmosphère par évapo-transpiration. Les 170 km 3 restant se répartisse en 70 km3 qui vont ruisseler en surface vers la mer (cycle de quelques semaines) et 100 km 3 qui vont s infiltrer verticalement dans le sol pour atteindre les stocks d eau souterraine ( cycle de quelques mois), dont la capacité est estimée à 2000 km 3. Ce stock souterrain alimente lui-même des écoulements horizontaux vers la mer (cycle de quelques années à quelques siècles), ce qui assure ainsi équilibre de ce stock souterrain. Les prélèvements effectués en France se répartissent de la manière suivante : Usage urbain Usage industriel Usage agricole Eau de surface 2,3 km 3 /an 1,7 km 3 /an 3,2 km 3 /an Eau souterraine 3,5 km 3 /an 3,2 km 3 /an 1,3 km 3 /an Tableau d usage de l eau en France (source : BRGM 1999) Température des eaux souterraines en France La température de l eau des nappes peu profondes se situe en France entre 13 C et 14 C. Elle représente la moyenne des températures extérieures de surface du site où se situe la nappe. Cette température peut cependant être modifiée en cas de présence proche de puits de soutirage ou de rejets. 2 Températures de calcul nationales Pour le dimensionnement des PAC, on se réfère à une température de nappe de 10 C, pour laquelle la quelle un organisme comme Eurovent certifie les valeurs de COP. Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 47 / 262

48 48 3 Reconnaître la nature du sol Pour vous aider à déterminer les dimensions de l échangeur de chaleur horizontal, il existe des valeurs caractéristiques correspondant au pouvoir d extraction de la chaleur dans le sol (consulter le Tableau 4.4 et pour plus de détails se reporter au chapitre. On distingue en général trois types de sols pour l installation des capteurs horizontaux. Le tableau ci-dessous permettra de déterminer quel est le type de sol du site. Composition du sol Sols secs et pulvérulents Sols cohésifs et humides Caractéristiques particulières Sols qui s effritent immédiatement au toucher, que l on ne peut ni rouler en boule ni étirer (sable, gravier) Sols qui ne s effritent pas, qui présentent une bonne cohésion, que l on peut rouler en boule et étirer (terre glaise, terreau). Sable/gravier détrempé Sable ou gravier constamment détrempé Tableau 4.4 : Caractéristiques de différents sols 4 Exercices 48 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

49 49 PROJET EU-CERT.HP CHAPITRE 5 : BÂTIMENT ET PERFORMANCE ENERGETIQUE Les compétences clés développées dans cette partie et utiles pour obtenir l agrément de l UE sont les suivantes : Connaître les sections de la réglementation des constructions qui traitent des pompes à chaleur (températures de distribution maximales, raccordement électrique, ventilation, etc.) Connaître les principales solutions permettant de limiter les pertes de chaleur (amélioration de l isolation, amélioration de l étanchéité à l air du bâtiment, etc.). Informer le client des mesures les plus rentables visant à réduire les pertes de chaleur. (Dans certains cas, il faudra appliquer ces mesures avant de pouvoir utiliser des pompes à chaleur). Se familiariser avec la notion de confort thermique : l amélioration du confort thermique des sols/murs à basse température offre un avantage supplémentaire au client, en plus de l efficacité optimale de la pompe à chaleur Se familiariser avec la notion de ventilation contrôlée : qualité sanitaire de l air (surtout dans les maisons exiguës à bas profil énergétique), et les notions d aération, de débit, ainsi qu avec les différents systèmes de ventilation existants Connaître les autres types d énergies renouvelables : brève introduction aux systèmes thermosolaires, à la biomasse et à la photovoltaïque Préambule : Important Facultatif Facultatif Facultatif Facultatif Lorsque l on s intéresse à l efficacité énergétique d un bâtiment, il faut se concentrer en priorité sur sa structure, c est-à-dire sur tout ce qui sépare l intérieur du bâtiment de l environnement extérieur (fenêtres, portes, murs, fondations, dalles de soubassement, plafond et toit). Les composants de la structure doivent, tous ensemble, maintenir le bâtiment au chaud en hiver et au frais en été. L isolation, par exemple, sera moins efficace si le toit, les murs et le plafond laissent l air s infiltrer ou l humidité s accumuler. Avant d installer une pompe à chaleur, vous devez tout d abord vous assurer que la structure du bâtiment est correctement isolée. Si la maison est mal isolée, il vaut mieux commencer par améliorer l isolation. En fait, le rapport économies de chauffage / coûts d amélioration est beaucoup plus élevé pour les travaux d isolation que pour le remplacement d un système de chauffage usagé par une pompe à chaleur. Il faut à peu près 100 pour économiser 1 MWh/an avec des travaux d isolation (comme l isolation du grenier ou des murs creux, cf. paragraphe 5.2.3), contre environ 500 pour économiser 1 MWh/an avec un système de pompes à chaleur. Les améliorations à apporter pour qu un bâtiment soit bien isolé sont assez simples : bonne isolation des surfaces (murs, toit et soubassements), ouvertures qui limitent les pertes de chaleur (fenêtres, portes, ouvertures nécessaires aux travaux d installation, etc.), ventilation bien maîtrisée et limitation des ponts thermiques. Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 49 / 262

50 50 1 Réglementation des constructions DEPEND DU PAYS CONCERNE 2 Mesures permettant de limiter les pertes de chaleur Le texte qui suit est en grande partie issu du site Internet ci-dessous. Nous avons dû le résumer légèrement pour les besoins de ce cours. [1] Pour plus de détails, se reporter à cette adresse. L exemple suivant, tiré du site Internet [1], détaille les pertes de chaleur dans une maison à deux étages mal isolée : 37 % des pertes de chaleur proviennent des murs 13 % des pertes de chaleur proviennent du toit 20 % des pertes de chaleur proviennent de la ventilation 19 % des pertes de chaleur proviennent des portes et des fenêtres 11 % des pertes de chaleur proviennent du sol Les pertes de chaleur sont principalement dues à : 1 L évacuation de la chaleur par les murs et les toits. Les mesures permettant de limiter ces pertes de chaleur sont décrites aux paragraphes et La ventilation, y compris les infiltrations non maîtrisées. Les pertes de chaleur dues à la ventilation ne peuvent pas être entièrement contrôlées. Grâce à une ventilation maîtrisée et à une bonne étanchéité à l air, les pertes de chaleur peuvent être réduites à un niveau acceptable tout en conservant un vrai confort (se reporter aux paragraphes 5.3 et 5.4). 2.1 Isolation de la façade Avec une isolation par l'intérieur, la continuité de l'isolation est très difficile à assurer au droit des murs de refend, des planchers, des fondations, des plafonds et des balcons. Avec une isolation par l'extérieur, la continuité de l'isolation est plus facile à assurer; seul le pont thermique au droit d'un balcon reste difficile à éviter. Avec une isolation en mur creux. Dans les systèmes d'isolation, des précautions particulières doivent être prises au niveau des baies (linteaux, seuils, retours de baies). L'importance des ponts thermiques dans une isolation par l'intérieure, va, non seulement, engendrer des risques de condensation superficielle mais augmente également les déperditions calorifiques. 50 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

51 51 PROJET EU-CERT.HP Inertie thermique Figure 5.1 : illustration d un point thermique avec isolation thermique par l intérieur L'isolation par l'extérieur ou l isolation dans la coulisse permet d'utiliser l'inertie thermique des murs intérieurs, ce qui engendre des variations moins rapides du climat intérieur des locaux. L'inertie permet ainsi de limiter les surchauffes en été. Le mur de façade, lorsqu'il est isolé par l'intérieur, ne peut plus accumuler puis restituer la chaleur (ou la fraîcheur) intérieure, ce qui diminue l'inertie thermique du bâtiment et est favorable en cas d'occupation intermittente. L'isolation par l'intérieur est la seule technique possible lorsque l'aspect extérieur de la façade doit rester inchangé. Cependant, cette technique d'isolation est délicate et peut engendre des problèmes. Ainsi, beaucoup d'architectes d Europe du Nord l'évitent. Néanmoins, cette technique est couramment en Europe du Sud Isolation par l intérieur Le mur doit être en bon état Il existe de nombreux systèmes d'isolation par l'intérieur : panneaux isolants collés, système à structure, isolation derrière contre-cloison maçonnée. Un certain nombre de principe sont à respecter (cf. [1]) : pare-vapeur, mode de pose, étanchéité, isolation (autour des baies, installation électriques, radiateurs, canalisation) remplacement des châssis avec double vitrage, Isolation par l extérieur Si le mur présente des problèmes d'humidité ascensionnelle, ceux-ci doivent d'abord être supprimés Il existe différents systèmes : L'enduit isolant Le panneau isolant revêtu d'un enduit + mise en oeuvre Les panneaux d'isolation complétés d'une structure supportant l'enduit L'isolation thermique protégée par un bardage Les éléments isolants préfabriqués Création d'un mur creux isolé Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 51 / 262

52 52 Le système le plus performant est le panneau isolant protégé par un bardage, mais il ne correspond pas toujours à l'esthétique recherchée ou aux contraintes urbanistiques imposées. L'enduit de finition est généralement plus largement accepté Isolation des murs creux Cette solution est efficace, mais elle est déconseillée dans les cas suivants : Si les murs creux sont anciens et qu il y a du ciment ou de la pierre entre les murs extérieurs et intérieurs. Les ponts aux dimensions importantes empêcheront en effet le matériau de remplissage de se répartir uniformément dans les murs creux. S il y a une couche imperméable (comme de la peinture) sur la face extérieure du mur extérieur. Le remplissage du mur creux pourrait en effet retenir l humidité dans la couche extérieure. Cela endommagerait l enduit ou provoquerait des dégâts en cas de gel. Il est conseillé d utiliser un endoscope pour vérifier l intérieur des murs creux. 2.2 Isolation du toit ou du grenier L'isolant doit être placé à la limite de l'espace protégé. Ainsi, lorsque les combles ne sont pas prévus pour être occupés et donc chauffés (ni après travaux, ni ultérieurement), le plancher de celui-ci constitue la limite supérieure de l'espace protégé. C'est donc à ce niveau que doit être posé l'isolant. Comme pour l isolation de façade, le ponts thermiques devront être évités dans la mesure du possible. Exemple d économies d énergie : Des valeurs moyennes figurent ci-dessous : Isolation des murs creux Isolation du grenier Isolation extérieure Economies d énergie annuelles par foyer Coûts par foyer Rapport : coûts / économies d énergie annuelles 5 MWh [2] 470 [2] ~ 100 /MWh De 1,5 à 2,2 MWh et 2,6 MWh (travaux réalisés par le propriétaire lui-même) [2] Entre 180 (travaux réalisés par le propriétaire lui-même) et 390 [2] ~ 70 à 180 /MWh De 5,6 à 11,3 MWh ~ 500 à /MWh Tableau 0.1 : Rapport coûts / économies d énergie de certains travaux d isolation (tableau issu en partie du client report 201/499 du BRE, octobre Il s agit de valeurs moyennes correspondant à un foyer) Sources: [1] [2] DEFRA, in Energy Efficiency Commitment from April 2005 consultation proposals May 2004, (taken from BRE client report 201/499, October 2000) gives the following average values for an household. [3] 52 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

53 53 PROJET EU-CERT.HP 2.3 Confort thermique Le confort thermique dépende de plusieurs paramètre: La température sèche de la pièce La vitesse de l air L humidité relative La différence entre la température extérieure et celle de la pièce La température sèche est approximativement la moyenne de la température d air et de la température radiante moyenne de la pièce. C est un meilleur indicateur du confort que la température seule Les personnes ont un sentiment de confort optimal quand l équilibre thermique est obtenu entre le corps humain et l ambiance sans transpiration ou frissonnement. Cette équilibre dépend, outre le climat, de l activité métabolique qui produit plus ou moins de chaleur, du tissu des vêtements qui diminue les échanges thermiques avec l air, de l âge et de la santé de la personne, et finalement de la durée de présence dans la pièce et de la saison de l année. Malheureusement, cependant, les préférences de températures varient beaucoup selon l individu et il n y a pas de température unique qui satisfasse tout le monde. Un tel confort est important pour le bien-être et la productivité des personnes au bureau et peut être atteint seulement lorsque la température, l humidité et les mouvements de l air sont dans une zone souvent référencée comme la «zone de confort». Quand le mouvement de l air est quasiment nul ou dans des conditions normales (typiquement entre 0.12 et 0.25m/s), on obtient les zone de confort comme indiqué sur le diagramme suivant de l air humide. Figure 0.3 : Zones de confort (Comité Scientifique et Technique des Industries Climatiques) Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 53 / 262

54 54 Une recommandation générales est que la température sèche d air soit maintenue à une température constante de C. Cependant la tem pérature optimale de confort dépend de l activité humaine comme illustré sur le tableau suivant : Temperature F C Optimal pour le bain ou la douche. Le sommeil est perturbée Les gens ont chaud, sont léthargiques et endormis. Optimal pour personnes non habillées Température interne la plus confortable pour des personnes sédentaires Optimum pour le travail mental Les personnes physiquement inactives commencent à frissonner. Les personnes actives sont à l aise Tableau 0.2 : Critères de confort (Centre canadien d'hygiène et de sécurité au travail) En outre, en été, quand la température externe est plus élevée, il est recommandé de laisser l air conditionné augmenter légèrement afin de minimiser la différence de température entre l intérieur et l extérieur, typiquement 7 to 10 degrés. Cela permet en outre d économiser l énergie nécessaire à l air conditionné des bâtiments. 2.4 Ventilation contrôlée Qualité de l air L air doit être de bonne qualité pour : - assurer la conservation du bâtiment - satisfaire les besoins d hygiène, de confort et de santé des occupants - permettre le fonctionnement en toute sécurité des appareils - permettre le bon déroulement des activités humaines Pour maintenir une bonne qualité d air des locaux, 2 procédés sont utilisés : - l extraction des polluants à proximité des sources d émission - la dilution des polluants par l introduction d air neuf (air extérieur) Les systèmes de ventilation doivent: o respecter les conditions de sécurité incendie o limiter les nuisances acoustiques o limiter les dépenses énergétique Différents textes réglementaires ou para-réglementaires (DTU, recommandations professionnelles, avis techniques,...) définissent selon les secteurs, les objectifs à atteindre par les installations de ventilations. 54 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

55 55 PROJET EU-CERT.HP Les polluants de l atmosphère interne des bâtiments agissent sur l organisme humain en y pénétrant par voie : o cutanée o respiratoire Remarque : Le dioxyde de carbone (CO 2 ) et la vapeur d eau (H 2 O) sont souvent considérés comme de bons indicateurs de l activité humaine et des pollutions induite Réglementation relative à la ventilation dans les habitations Les règles dépendent de chaque pays. Néanmoins, on peut citer quelques attributs communs: o La ventilation des logements doit pouvoir être générale et permanente. o Le système de ventilation doit comporter : des entrées d air dans les pièces principales des sorties d air dans les pièces de service Figure 0.4 : Ventilation dans une maison (Comité Scientifique et Technique des Industries Climatiques) Que ce soit à tirage naturel ou à fonctionnement mécanique, les débits extraits dans les pièces de service doivent pouvoir atteindre des valeurs qui dépendent de chaque pays, mais qui, en général varient entre 0,5 et 1 fois par heure le volume de la maison. Lorsque la ventilation est assurée par un dispositif mécanique qui module automatiquement le renouvellement d air du logement ( ventilation hygroréglable), de telle façon que les taux de pollution de l air intérieur ne constituent aucun danger pour la santé et que puissent être évitées les condensations, le débit total peut être réduit Principaux choix de systèmes de ventilation pour les pièces La ventilation naturelle La ventilation naturelle d un bâtiment est liée à son tirage thermique et aux effets du vent auquel il est soumis La Ventilation Mécanique Contrôlée (VMC) V.M.C simple flux (local en dépression) Principe : L air est extrait à l aide d un ventilateur mécanique puis rejeté à l extérieur. L introduction de l air neuf de fait alors par dépression par l intermédiaire de locaux contigus, soit par orifices appropriés en façades (bouches autoréglables). Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 55 / 262

56 56 VMC simple flux (local en surpression) L air extérieur est insufflé par l intermédiaire d un ventilateur dans le local à ventiler. L extraction de l air s effectue en surpression. VMC double flux Couplage des 2 systèmes présentés précédemment. Ajout d équipements complémentaires. Avantages : économies d énergie (double flux : type résidentiel) confort hygrothermique (CTA : type tertiaire) Conduits salle de bains et WC de diamètre 80 mm Conduits séjour et chambres de diamètre 80 mm Conduit cuisine de diamètre 150 mm en gaine Figure 0.1 : Double VMC (Comité Scientifique et Technique des Industries Climatiques) Double flux thermodynamique VMC.: le système soutire une part de l énergie de l air extrait, qui sert de source froide pour la pompe à chaleur. Cette PAC peut être utilisée pour l eau chaude sanitaire ou pour réchauffer l air entrant 56 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

57 57 PROJET EU-CERT.HP Air rejeté Conduit de soufflage Prise d'air neuf en façade Air extrait Air extrait Boîtier de commande Faux - plafond Air soufflé LOCAL TECHNIQUE CUISINE S.d.B WC SEJOUR CHAMBRES Unité double flux thermodynamique en local technique Conduit d'air extrait Transfert d'air par détalonnage de porte Plancher rayonnant électrique Figure 0.5 : Double VMC thermodynamique (Comité Scientifique et Technique des Industries Climatiques) 2.5 Les pompes à chaleur dans un système à bonne performance énergétique : brève introduction aux autres technologies utilisant des sources d'énergie renouvelables L'énergie renouvelable englobe toutes les sources d'énergie qui sont constamment reconstituées par le soleil, que ce soit directement, comme pour la lumière et la chaleur, ou indirectement, grâce à la répétition des cycles de l'eau, du vent et de la biomasse. L'énergie géothermique n'entre pas vraiment dans cette définition, car elle provient de la chaleur du magma en fusion transmise par la croûte terrestre. L'énergie des océans, elle, est une source d'énergie renouvelable générée par les mouvements des vagues (énergie des vagues), la marée (énergie marémotrice) et les courants sous-marins. Un grand nombre de technologies permettent d'exploiter ces sources d'énergie renouvelables. Vous trouverez ci-dessous une brève présentation de celles qui peuvent être utilisées dans les habitations, à la place des pompes à chaleur ou en association avec elles La conception du bâtiment solaire passif Définition : Il s'agit davantage d'un concept architectural que d'une véritable technologie. La conception du bâtiment solaire passif vise à créer dans les habitations un environnement sain et confortable tout en limitant les besoins énergétiques et les coûts environnementaux. Lors de la conception et de la construction du bâtiment, il faut respecter scrupuleusement les principes suivants : Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 57 / 262

58 58 tirer parti des apports solaires et empêcher les pertes de chaleur de manière à limiter les besoins en chauffage ; permettre à la lumière du soleil d'entrer dans les pièces afin de limiter l'éclairage artificiel ; utiliser la ventilation naturelle pour ne pas dépendre des systèmes mécaniques, et surtout de la climatisation ; installer des systèmes de chauffage et d'éclairage efficaces et fiables. Five Elements of Passive Solar Design Summer Sun Winter Sun Control Aperture Distribution Absorber Thermal Mass Direct Gain Here are the five elements that constitute a complete passive solar design, using a direct gain design as an example. Each performs a separate function but all five must work together for the system to be successful. Les cinq éléments d'un bâtiment solaire passif Soleil d'été Soleil d'hiver Contrôle Ouverture Distribution Absorbeur Masse thermique Apport direct Voici les cinq éléments formant un bâtiment solaire passif. Nous avons pris l'exemple d'une maison dont la conception est basée sur les apports directs. Chacun des éléments remplit une fonction bien précise, mais ils doivent fonctionner ensemble pour que le système soit efficace. Figure 0.2 : Les éléments d'un bâtiment solaire passif (Rapport du Department of Energy américain DOE/GO FS121 février 2001) Interaction avec les pompes à chaleur : Lorsqu'ils sont correctement mis en application, ces principes permettent de réduire de 20 à 80 % les besoins en chauffage et en refroidissement de l'habitation. Dans les bâtiments solaires passifs, on peut installer des systèmes de pompes à chaleur plus petits. Les coûts initiaux et les coûts de fonctionnement s'en trouvent donc sensiblement diminués Le chauffage solaire actif Définition : Cela consiste à utiliser des panneaux solaires qui transforment les rayons du soleil en chaleur pour produire de l'eau chaude et assurer le chauffage des pièces. Les principaux composants d'un système de chauffage solaire sont : 58 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

59 59 PROJET EU-CERT.HP les panneaux solaires, généralement placés sur le toit du bâtiment et orientés au sud ; un circuit hydraulique qui transfère la chaleur des panneaux solaires jusque dans une citerne ; une citerne, la plupart du temps remplie d'eau, qui permet de stocker la chaleur et de la réutiliser lorsqu'on en a besoin ; un système de contrôle qui régule l'ensemble du dispositif et en assure la sécurité. Active Indirect System Airvent Collector sensor Glycol fill point Hot water out Collector Warm water in Hot water storage tank Auxiliary heat (electric or gas) Cold water in Check valve Drain Controller Element Expansion tank Système indirect actif Prise d'air Détecteur du capteur Zone de remplissage du glycol Sortie de l'eau chaude Capteur Entrée de l'eau chaude Citerne de stockage de l'eau chaude Chaleur auxiliaire (électricité ou gaz) Entrée de l'eau froide Clapet anti-retour Ecoulement Régulateur Résistance Vase d'expansion Figure 0.3 : Chauffe-eau solaire actif ( Dans les pays du Nord, les chauffe-eau solaires sont généralement conçus pour fournir à un bâtiment entre 40 et 70 % de l'eau chaude dont il a besoin. Si le système doit assurer une partie du chauffage en plus de l'eau chaude (il s'agit alors d'un système solaire combiné), il prendra en charge entre 20 et 40 % des besoins en chauffage. Les systèmes thermosolaires peuvent également chauffer les piscines intérieures et extérieures. Puisque l'eau joue le rôle d'accumulateur de chaleur et que la température nécessaire est plus basse (25-30 C), il est possibl e d'opter pour des capteurs solaires plus simples. Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 59 / 262

60 60 Intégration avec les pompes à chaleur Un système thermosolaire est le parfait complément d'un système de pompes à chaleur car, en utilisant une source d'énergie gratuite et naturelle, il réduit encore les coûts de chauffage. La pompe à chaleur servira de dispositif de secours pour augmenter la température de l'eau lorsque les apports solaires ne suffiront pas à satisfaire la demande. Avec les systèmes thermosolaires, les pompes à chaleur peuvent être utiles pour transférer dans un accumulateur de chaleur la chaleur inutilisée, souvent par le biais d'un trou de forage pour le stockage saisonnier dans le sol Le chauffage au bois Définition : Le bois est l'une des sources d'énergie renouvelables les plus couramment utilisées pour le chauffage. Mais le fait de brûler du bois (c'est-à-dire la combustion) génère des polluants atmosphériques, parmi lesquels de l'oxyde d'azote, du monoxyde de carbone ou des particules. Lorsque l'on opte pour le chauffage au bois, il faut donc choisir les bons appareils afin de réduire ce genre d'émissions. Avec un appareil moderne et efficace, le bois est un mode de chauffage très propre qui ne pollue que très peu. Selon qu'il a été plus ou moins transformé, le bois prend différentes formes et possède diverses propriétés. Il peut se présenter en bûches, en copeaux, en pastilles, en briquettes, etc. Avec le bois, il est possible : De chauffer une pièce à l'aide d'un poêle ou d'un foyer encastrable. Ces appareils sont indépendants et ne chauffent que leur environnement immédiat. De chauffer l'ensemble de la maison à l'aide d'un poêle associé à une chaudière à bois ou d'un poêle associé à une chaudière qui se place derrière le foyer de la cheminée. Intégration avec les pompes à chaleur : Le chauffage au bois vient compléter la charge de base fournie par les systèmes de pompes à chaleur, et s avère particulièrement utile par temps froid, pour plus de confort dans les pièces principales de l habitation. Le feu est un élément convivial qui procure une agréable sensation de tiédeur et de bien-être. Le chauffage central au bois, à l aide d une chaudière à bois ou d une chaudière placée derrière le foyer de la cheminée, peut servir de chauffage d appoint lorsqu il est associé à un système de pompes à chaleur L électricité verte Définition : L électricité verte est l électricité produite à l échelle industrielle à partir de sources d énergie renouvelables : le vent (parc éolien), l eau (centrales hydrauliques), le bois (centrales à bois), etc. Grâce à la libéralisation du marché de l électricité, les particuliers et les entreprises sont maintenant en mesure de choisir un fournisseur d électricité verte. Le surcoût est minime, voire nul. L électricité verte peut aussi être produite à petite échelle à l aide d un moteur éolien privatif, d un système photovoltaïque solaire, ou, parfois, d une petite centrale hydraulique. Dans certains pays, la vente au réseau permet de produire sa propre électricité et de vendre le surplus au réseau. 60 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

61 61 PROJET EU-CERT.HP Figure 0.4 : Maison équipée de panneaux photovoltaïques solaires ([6] Site Internet de Librelec Intégration avec les pompes à chaleur : Il faut inciter les propriétaires de pompes à chaleur à opter pour un fournisseur d électricité verte. De cette manière, ils pourront limiter l impact que leur système de chauffage et l ensemble de leur consommation d électricité ont sur l environnement. Pour ceux qui produisent leur propre électricité mais ne peuvent pas la vendre au réseau, les pompes à chaleur représentent un bon moyen d utiliser leur électricité pour chauffer ou rafraîchir les bâtiments, ou de la stocker en cas de surplus au moyen d un tampon thermique qui retient la chaleur ou le froid. 2.6 Exigences au niveau national Réglementation des constructions en France Les exigences en matière d isolation thermique et d étanchéité à l air sont définies dans la RT 2000 (arrête du 29 novembre 1999) et RT 2005 ( arrêté non encore paru). Les exigences en matière de ventilation sont définies en France, dans 2 arrêtés principaux imposent, entre autre les valeurs de débits minimales à respecter : Arrêté du 24 mars 1982, et Arrêté du 28 octobre 1983 pour les dispositifs hygroréglables Il existe plusieurs manières d atteindre le débit de ventilation imposé, mais, la plupart des salles de bains et des cuisines nécessitent un système d extraction mécanique. Les autres zones peuvent être tout simplement munies d aérations et de fenêtres que l on peut ouvrir. Dans certains pays, comme le Grande Bretagne, le système de ventilation centrale tel que présenté sur la figure 5.5 est peu utilisé à cause des risques accrues de propagation de feu qu il entraîne en cas d incendie. Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 61 / 262

62 Exercices Remarque : Toutes les questions ci-dessous peuvent être posées à l examen. Les questions en caractères gras pourront servir d exemples. Dans une maison ancienne, quels sont les travaux que vous conseilleriez d entreprendre en premier pour réaliser des économies d énergie? o Installer une pompe à chaleur o Améliorer l isolation et l étanchéité à l air Parmi les techniques ci-dessous, quelles sont celles qui favorisent l inertie thermique? (plusieurs réponses possibles) o L isolation des murs creux o L isolation intérieure o L isolation extérieure Dans quel cas ne faut-il pas isoler les murs creux? o Lorsque la surface extérieure du mur est recouverte de peinture o Lorsque la feuille intérieure du mur est formée de blocs de béton A 20 C, quel taux d humidité apporte le plus de con fort? o Entre 70 et 80 % o Entre 35 et 70 % o Entre 10 et 20 % Pour une bonne ventilation, indiquez où sont placées l entrée d air et la sortie d air : Salon Toilettes Chambre Salle de bains Couloir Entrée d air Sortie d air Quel est le principal avantage de la VMC à double flux par rapport à la VMC à simple flux? o Elle est moins chère o Elle consomme moins d énergie o Elle est plus silencieuse 62 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

63 63 PROJET EU-CERT.HP CHAPITRE 6 : LE CYCLE DES POMPES A CHALEUR : DETAILS TECHNIQUES Les compétences clés développées dans cette partie et utiles pour obtenir l agrément de l UE sont les suivantes : Connaître les principes physiques en jeu (unités physiques, Facultatif changements d état, déroulement du cycle, pression logarithmique, diagramme enthalpique, quantification du cycle des pompes à chaleur à partir du diagramme enthalpique) Connaître le principe de fonctionnement des pompes à chaleur Important (évaporation du fluide frigorigène à basse température <-> condensation du fluide frigorigène à haute température) Connaître les caractéristiques du cycle des pompes à chaleur Obligatoire (rapport entre les basses températures de la source de froid, les températures élevées de la source de chaleur et l efficacité du système) Savoir calculer le coefficient de performance et le facteur de Obligatoire performance Connaître les différences entre les conditions des tests pratiqués Facultatif dans le cas des pompes à chaleur et l influence des points de mesure sur les résultats des tests Se familiariser avec le compresseur (rôle, types de compresseurs Important utilisés, principes de fonctionnement, avantages et inconvénients des différents types) Se familiariser avec la vanne de détente (rôle, types de vannes de Important détente utilisés, principes de fonctionnement, avantages et inconvénients des différents types) Se familiariser avec l évaporateur (rôle et types utilisés) Important Se familiariser avec le condensateur (rôle et types utilisés) Important Se familiariser avec les équipements (rôle des différents systèmes) Important Se familiariser avec l huile de graissage (rôle joué dans le cycle, Important problèmes pouvant survenir, prévention des erreurs) Se familiariser avec le fluide frigorigène (rôle, types utilisés, Important caractéristiques requises et «glide») Se familiariser avec le surchauffage et le sous-refroidissement Important (savoir pourquoi ils sont nécessaires, savoir les réaliser, connaître leurs magnitudes habituelles) Savoir évaluer avec précision le cycle des pompes à chaleur Important Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 63 / 262

64 64 1. Principes physiques 1.1 Unités physiques (d après le Système International) Le «Système International d Unités», également appelé Système International, est un système rationnel d unités de mesure conçu pour les sciences, l ingénierie et le commerce, et adopté par l Organisation Internationale de Normalisation. Ce système est utilisé dans tous les pays d Europe et dans la majeure partie du monde. Il est basé sur le système métrique et ses unités habituelles, c est-à-dire le mètre, le kilogramme et la seconde. Vous trouverez cidessous une description des autres unités, moins connues, qui sont utilisées dans les calculs portant sur les pompes à chaleur. Température L unité SI de température est le Kelvin (K). L échelle thermométrique Kelvin commence au zéro absolu (0 K), qui équivaut à -273,15 C. Il s a git de la température la plus basse qu il est théoriquement possible d atteindre. L échelle thermométrique Kelvin est également appelée échelle de température absolue ou échelle de température thermodynamique. Les thermomètres sont généralement gradués selon l échelle thermométrique Celsius. Avec l échelle Celsius, le point de congélation de l eau sous une pression atmosphérique normale est égal à 0 degré, et le point d ébullition est égal à 100 degrés. Dans le texte ci-dessous, T correspond à l échelle thermométrique Kelvin, et t (ou ϑ) à l échelle thermométrique Celsius. La conversion obéit au principe suivant : T = t + 273,15 K. Les différences de température mesurées en degrés Celsius et degrés Kelvin sont identiques, c est-à-dire qu une différence de 1 C revient au même qu une différence de 1 K. Les échelles thermométriques sont seulement décalées l une par rapport à l autre, comme le montre le schéma ci-dessous. 0K : 0 K 273,15K : 273,15 K 373,15K : 373,15 K T 100K = t 100 C : T 100 K = t 100 C Figure 6.1 : Echelles thermométriques 1. zéro absolu 2. point de congélation de l eau (sous une pression normale p 0 = 1 013,25 mbar) 3. point d ébullition de l eau (sous une pression normale) La différence entre deux températures peut être indiquée avec le symbole de différence, comme dans T. 64 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

65 65 PROJET EU-CERT.HP Pression La pression p est la force F exercée normalement sur une surface S ou aire A. p = F S Dans le Système International, l unité de pression est le Pascal (Pa) : N kg m 1 kg p = = = = 1 Pa m s m s m Le pascal est une unité très petite, c est pourquoi les mesures des systèmes de pression sont souvent exprimées en kpa (1 000 pascal) ou en bar. La pression atmosphérique est d environ 1 bar. Pour convertir des bars en pascals, utilisez la formule suivante : 1 bar = Pa = 100 kpa = mbar. Pour l air et l eau, la pression est parfois exprimée comme la hauteur d une colonne d eau ou de mercure au-dessus du point de mesure qui exercerait la même pression. 1 mm d eau = 9,81 Pa 1 mm de mercure (Hg) = 133,32 Pa Il faut toujours distinguer la pression relative de la pression absolue. Pour la pression relative, la pression de référence est habituellement la pression atmosphérique (autrement dit la pression absolue de l air à un endroit précis). La plupart des manomètres mesurent la pression relative, par exemple la pression de la vapeur dans un réservoir ou la pression de l air dans un conduit de ventilation. C est pourquoi la pression relative est parfois appelée «pression manométrique». Même si la pression de l air atmosphérique varie entre 0,95 et 1,05 bar selon les conditions météorologiques, cette fluctuation s avère en général insignifiante lorsque l on procède à des mesures sur des systèmes hydrauliques et fluide frigorigènes. Par conséquent, la pression de référence est habituellement fixée à 1 bar. Ainsi : Pression absolue = pression relative (par exemple, celle indiquée sur un manomètre) + pression atmosphérique (généralement égale à 1 bar, lorsque aucune autre valeur n est indiquée). P absolute = Pression absolue P relative = Pression relative P atmosphere = Pression atmosphérique P abs = Pression absolue Figure 6.2 : Pressions absolue et relative Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 65 / 262

66 66 Energie, travail et chaleur L énergie, le travail et la chaleur se mesurent en joules (J) ou newton-mètres (Nm), qui sont deux unités équivalentes. Le travail (W) est produit lorsqu une force de 1 newton est exercée et qu elle déplace son point d application d 1 mètre sur la ligne d action d une force. Le travail est exprimé en newton-mètres (Nm). L énergie (E) est le potentiel de travail. Il peut s agir d énergie mécanique, électrique ou calorifique. L énergie est exprimée en joules (J). La chaleur (Q) est une forme d énergie. L énergie calorifique est exprimée en joules (J). Les calculs thermodynamiques se rapportant aux propriétés des fluides s effectuent généralement sur la base d 1 kg de fluide. La chaleur stockée dans 1 kg de substance est appelée teneur en chaleur spécifique de cette substance (q). L unité SI correspondant à la teneur en chaleur spécifique est donc le joule par kilogramme, et cette teneur se calcule ainsi : q = Q m J kg Le joule étant une petite unité, les kilojoules sont fréquemment utilisés dans les calculs. Un kilojoule est égal à mille joules (1 kj = J). Capacité thermique massique ou chaleur spécifique (Cp) Exprimée en [kj/kg.k], c est la quantité d énergie calorifique nécessaire pour élever d un degré la température d un kilogramme de substance (sans qu il y ait changement de phase, c est-à-dire sans que le liquide se transforme en gaz, par exemple). La chaleur (Q) nécessaire pour faire passer la masse (m) d une température t1 à une température t2 se calcule de la façon suivante : Q = m c ( ) t 2 t 1 La capacité thermique massique d une substance varie légèrement avec la température. La capacité thermique massique moyenne de l eau (cm) entre 0 et 100 C est de 4,187 kj/kg K. Exemple : Capacité thermique massique de l eau : c m = 4,187 kj/kg K Calculez la chaleur nécessaire pour faire passer 12 litres d eau de 10 C à 45 C. Remarque : pour effectuer des calculs approximatifs sur une eau à basse température, vous pouvez considérer qu 1 litre d eau pèse 1 kg. Q = m c 2 1 kj kg K ( t t ) = 12 kg 4,187 ( 45 10) K 1758,5 kj m = 66 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

67 67 PROJET EU-CERT.HP Puissance La puissance (P) est la quantité de travail effectué ou d énergie transférée par unité de temps. Elle se calcule ainsi : Puissance = Travail = Chaleur = Temps Temps Energie Temps Dans le Système International, l unité de puissance est le watt (W) Exemple : Chaleur massique de l eau : c p eau = 4,187 kj/kg K 1W J N m = 1 = 1 s s Avec une eau à 10 C, calculez la puissance que doit atteindre un chauffe-eau pour élever la température jusqu à 45 C à un débit de 12 litres/mi nute. Remarque : pour effectuer des calculs approximatifs sur une eau à basse température, vous pouvez considérer qu 1 litre d eau pèse 1 kg. Avec de l eau : débit volumétrique de 12 litre/minute 0,2 litre/seconde 0,2 kg/s kg P = mc s kg kj m 3 K s Enthalpie ( t t ) ( ) K kj 2 1 = 0,2 4, = 29,3 = 29, kw L enthalpie (H) est la quantité d énergie contenue dans une substance en fonction de sa température, de sa pression et de son état (solide, liquide, gazeux ou intermédiaire). Pour un gaz, l enthalpie se calcule de la façon suivante : H = Q + p V [J] Q est la quantité de chaleur que contient le gaz, p la pression et V le volume. L enthalpie spécifique est l enthalpie divisée par la masse, et elle se calcule ainsi : h = H/m [J/kg]. Une variation d enthalpie ( H) est due à l apport ou au retrait de chaleur et/ou d énergie mécanique. Contrairement à la chaleur spécifique, l enthalpie spécifique peut prendre en compte les changements d état et la pression lorsque la substance chauffe ou refroidit. La notion d enthalpie est particulièrement importante pour comprendre les cycles de réfrigération. En effet, les différences d enthalpie déterminent le taux de transfert de chaleur correspondant au cycle de la pompe à chaleur. Q = m h = kg P = m h J kg = J m est la masse de fluide frigorigène circulant dans le circuit de la pompe à chaleur pour chaque unité de temps (kg/s). Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 67 / 262

68 68 Entropie Comme l enthalpie, l entropie (S) est l une des propriétés des systèmes thermodynamiques. Au cours d un processus, les variations d entropie spécifique (s) d une substance permettent de mesurer l irréversibilité de ce processus ainsi que l énergie qui a cessé d être disponible pour le travail. L entropie est aussi utile que l enthalpie si l on veut comprendre les cycles de réfrigération. Les différences d entropie déterminent l efficacité du cycle de la pompe (plus les différences d entropie sont importantes, plus les pertes sont importantes elles aussi). 1.2 Changements d état Une substance peut être solide, liquide ou gazeuse, mais, dans un système fermé, deux de ces états ou «phases» peuvent coexister, en fonction de la température et de la pression. Les cycles de réfrigération nous amènent à nous intéresser à la transition entre le liquide et la vapeur. Sous une pression constante, l évaporation suit trois phases distinctes : liquide, liquide plus vapeur et vapeur surchauffée (gaz). Les principes exposés ci-dessous sont valables pour tous les liquides, même si nous ne nous intéressons ici qu à l évaporation de l eau. dans un récipient Les différentes phases de l évaporation avec le diagramme enthalpique (voir également le point 1.4) Figure 6.4 : L évaporation expliquée à l aide du diagramme enthalpique Figure 6.3 : Les différentes phases de l évaporation p = constant : pression constante Temperature of the medium : température du milieu 1 chauffage d un liquide 2 évaporation 3 surchauffage d un gaz p = constant : pression constante 1 liquide 2 vapeur humide 3 vapeur surchauffée I point critique II courbe de vapeur saturante III courbe de liquide saturant 68 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

69 69 PROJET EU-CERT.HP a) Liquide : Le liquide n a pas atteint le point d ébullition. Si un liquide pur au point (a) est chauffé sous une pression constante, sa température augmentera. b) Liquide saturant : Le liquide a atteint le point d ébullition (ts). La température d ébullition, également appelée température de saturation, dépend de la pression. La courbe de liquide saturant (qui porte le numéro III sur la Figure 6.4), représente le point d ébullition du liquide sous différentes pressions. Prenons l exemple de l eau : Sous une pression atmosphérique normale, le point d ébullition de l eau se situe à 100 C (ts = 100 C lorsque ps = 1,013 bar). Sous une pression atmosphérique plus basse, par exemple de 0,123 bar, l eau bout à 50 C (ts = 50 C lorsque ps = 0,123 bar). 3 2,5 2 bar 1, , C 1 liquide 2 vapeur Figure 6.5 : Courbe de liquide saturant de l eau c) Vapeur humide : La courbe liquide saturant/vapeur saturante est la zone du diagramme enthalpique où le liquide et la vapeur peuvent coexister. Dans cette zone, une partie du liquide se transformera en vapeur s il est légèrement chauffé. Il s agit d une zone très importante, car de nombreux processus techniques ont lieu lors de la phase de la vapeur humide. La vapeur humide est un mélange de liquide à ébullition (point b) et de vapeur saturante (point d), ces deux éléments ayant atteint l équilibre thermodynamique. Ils ont donc la même pression et la même température (état de saturation, ps, ts). La vapeur humide ne peut pas être définie uniquement par sa pression et sa température. La «qualité» de la vapeur humide dépend de sa teneur en vapeur. La teneur en vapeur (x) est la proportion de fluide qui s est déjà évaporée. Sur la courbe de liquide saturant (à gauche du diagramme), x = 0. Autrement dit, il y a présence de liquide mais pas de vapeur. Sur la courbe de vapeur saturante (à droite du diagramme), x = 1. Autrement dit, il y a présence de vapeur mais pas de liquide à ébullition. Sur la courbe liquide saturant/vapeur saturante, lorsqu un fluide est chauffé sous une pression constante, toute l énergie fournie sert à accroître la teneur en vapeur (x). La température reste toujours la même pendant la vaporisation. Sur le diagramme enthalpique, ce changement peut être représenté par une ligne horizontale. Lorsque la pression augmente mais que la température reste constante, une partie de la vapeur se condense, ce qui réduit la teneur en vapeur (x). Sur le diagramme enthalpique, ce changement peut être représenté par une ligne verticale. Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 69 / 262

70 70 Exemple : x 1 = 0,25 signifie que la matière est constituée à 25 % de vapeur, et à 75 % de liquide (le point x 1 est plus proche de la courbe d ébullition, ce qui veut dire que le liquide représente la majeure partie de la matière). Figure 6.6 : La teneur en vapeur expliquée par le diagramme enthalpique x 2 = 0,8 signifie que la matière est constituée à 80 % de vapeur, et à 20 % de liquide (le point x 2 est plus proche de la courbe de vapeur, ce qui veut dire que la vapeur représente la majeure partie de la matière). d) Vapeur saturante : tout le liquide s est évaporé, tandis que la pression de saturation (ps) et la température d ébullition sont toujours les mêmes. Ce point se trouve juste sur la courbe de condensation (courbe de vapeur saturante). e) Vapeur surchauffée : si l on continue à chauffer la vapeur saturante sèche (point d) sous une pression constante, la température de la vapeur augmente, et la vapeur devient «surchauffée» (point e). La vapeur surchauffée a dépassé la température d ébullition (ts). Elle ne se condensera pas si l on se contente d augmenter la pression. Même si les températures et pressions associées à chaque phase varient considérablement selon les fluides, le processus d évaporation décrit dans le cas de l eau est valable pour de nombreux fluides, y compris ceux qui se présentent normalement sous forme de gaz à température ambiante. 1.3 Le cycle thermodynamique Un cycle thermodynamique est un processus au cours duquel un fluide actif change plusieurs fois d état avant de revenir à son état initial. Sur n importe quel schéma, un cycle thermodynamique est représenté par une courbe fermée. Au cours du cycle, la chaleur peut se transformer en travail, et inversement. 70 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

71 71 PROJET EU-CERT.HP 1.4 Pression logarithmique diagramme enthalpique Le diagramme enthalpique des fluides frigorigènes sert à décrire les processus de la réfrigération et de la pompe à chaleur. Comme il permet une lecture simple des variations d enthalpie et donc des transferts d énergie, ce diagramme est souvent employé pour le calcul des cycles de réfrigération. III I II p [bar] T = constante s = constante Zone de liquide pur h = constante Zone de vapeur humide Zone de vapeur surchauffée p = constante x = constante h' Figure 6.7 : Diagramme enthalpique h [kj/kg] I point critique II courbe de saturation vapeur (courbe de condensation) III courbe de saturation liquide (courbe d ébullition) s=constante courbe d entropie constante ; le processus de compression généré par un compresseur idéal suivrait cette courbe ; les compresseurs réels augmentent l entropie. Dans le diagramme enthalpique (Figure 6.7), les deux courbes délimitant la zone de vapeur humide (II courbe de saturation vapeur et III courbe de saturation liquide) sont la partie essentielle. Les isothermes (courbes de température constante) se déploient horizontalement entre l évaporation et la condensation). À gauche de la courbe d ébullition avec la teneur en vapeur x = 0 (0%) se trouve la zone de liquide pur, où les isothermes sont verticaux (la zone de sous-refroidissement). À droite de la courbe de condensation avec la teneur en vapeur x = 1 (100 %) commence la zone de vapeur surchauffée. La différence d enthalpie entre la vapeur saturée et le liquide en ébullition est appelée la chaleur d évaporation r =h h. Comme nous pouvons l observer dans le diagramme enthalpique, la chaleur d évaporation diminue avec l augmentation de la pression et de la température jusqu à ce que, à un état de vapeur donné, elle disparaisse entièrement. Cet état où il n existe plus de distinction entre le liquide et la vapeur est connu sous le nom de point critique. Pour l eau, la pression critique est 221 bar et la température critique est 374 C. h' Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 71 / 262

72 72 2. Principe de fonctionnement du cycle de la pompe à chaleur La chaleur circule naturellement d une température élevée vers une température basse, par exemple à travers les murs d une maison en hiver. En pratique, les pompes à chaleur sont capables de contraindre la chaleur à circuler dans la direction opposée, en utilisant une quantité relativement faible d énergie motrice de haute qualité (énergie électrique ou mécanique ou chaleur résiduelle à température élevée). Ainsi, les pompes à chaleur peuvent extraire la chaleur de différentes sources à basse température, comme l air, le sol ou l eau, les déchets industriels ou ménagers, et la transférer à une température plus élevée vers le système de chauffage d un bâtiment ou vers une application industrielle. En inversant le cycle, les pompes à chaleur peuvent également être utilisées pour le refroidissement (comme les systèmes de climatisation). La plupart des pompes à chaleur pour les particuliers reposent sur des compresseurs de fluide frigorigène entraînés par un moteur électrique. Les fluides actifs sont généralement des fluides frigorigènes à la température d ébullition très basse, de l ordre de 25 C à 40 C à la pression atmosphérique. Le cycle thermodynamique des pompes à chaleur à compression se décompose en quatre étapes principales : 1. ÉVAPORATION Le fluide frigorigène est évaporé à basse pression et à basse température en utilisant l énergie de la source de chaleur. 2. COMPRESSION la vapeur du fluide frigorigène est comprimée à une pression supérieure au moyen de compresseurs électriques, ce qui entraîne une augmentation de la température. 3. CONDENSATION La vapeur du fluide frigorigène à haute pression est condensée à haute température par dissipation de la chaleur. 4. DÉTENTE Le fluide frigorigène liquide est détendu depuis une pression élevée à une basse pression. Il s ensuit une chute brutale de température et le processus peut recommencer à zéro. (1). 1 Évaporation 2 Compression 3 Condensation 4 Détente Figure 6.8 : Principe de fonctionnement d une pompe à chaleur (Arbeitsordner Wärmepumpe, BWP) 72 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

73 73 PROJET EU-CERT.HP 2. Le processus de réfrigération un cycle complet Le processus de réfrigération par compression est entretenu par cinq principaux composants : 1. Compresseur 2. Condenseur 3. Détendeur 4. Évaporateur 5. Fluide frigorigène La Figure suivante illustre les principaux organes et le fonctionnement d un système de pompe à chaleur. Figure 6.9 Fonctionnement d une pompe à chaleur à saumure/eau 1 Fluide frigorigène : le fluide frigorigène circule dans le réseau et il est contraint de s évaporer à basse pression/basse température et de se condenser à haute pression/haute température. Un fluide frigorigène caractéristique pour les pompes à chaleur est le R407 C, dont la température d ébullition est 43,9 C à la pression atmosphérique. Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 73 / 262

74 74 2 Évaporateur : l échangeur de chaleur de l évaporateur est l «absorbeur de chaleur» de la pompe à chaleur. À l intérieur de l évaporateur, le fluide frigorigène froid à basse pression absorbe la chaleur de la source de chaleur (ou d un fluide caloporteur comme l eau glycolée) et entre en ébullition. Pendant le processus d évaporation, la température et la pression demeurent constantes. La source de chaleur peut être le sol, les nappes phréatiques, l air, etc. En cas d évaporation indirecte, comme dans la Figure 6.9, l eau glycolée circule à travers la source de chaleur et transfère la chaleur vers l évaporateur. Dans le cas des pompes à chaleur géothermiques, des tuyaux en plastique sont enterrés horizontalement dans le sol ou placés verticalement dans un forage. Pour les sources sur air extérieur, le circuit d eau glycolée est supprimé et l air est directement admis dans l évaporateur. 3 Compresseur : le gaz qui se forme dans l évaporateur est aspiré dans le compresseur puis comprimé, ce qui entraîne une augmentation de la pression et de la température. Dans la plupart des cas, le compresseur est alimenté électriquement. La majorité des pompes à chaleur pour les particuliers combinent le moteur et le compresseur à l intérieur d une seule enveloppe sous pression, appelée unité «hermétique». 4 Condenseur : le gaz comprimé chaud à la sortie du compresseur est acheminé vers l échangeur de chaleur du condenseur dans lequel la chaleur est transférée à un fluide frigorigène caloriporteur (généralement de l air ou de l eau). Lorsque le gaz refroidit, il condense et redevient liquide. La pression et la température demeurent constantes. 5 Détendeur. La détendeur fonctionne comme un robinet d étranglement en réglant le débit du fluide frigorigène du condenseur vers l évaporateur. Une partie du fluide actif repasse de l état liquide à l état gazeux. Pour former ce gaz, la chaleur est extraite du liquide restant. Cela entraîne une chute brutale de la température et de la pression du liquide et du gaz. 6 Autres éléments de la Figure 6.9. Le déclencheur basse pression (ou pressostat) garantit que la pression du côté basse pression du circuit ne chute pas en dessous d un certain niveau. Cela pourrait se produire en cas de fuite et de perte du fluide frigorigène ou si la source de chaleur est trop faiblement dimensionnée, si bien qu une chaleur insuffisante est disponible pour évaporer le fluide frigorigène. De la même manière, le déclencheur haute pression empêche l apparition d une pression excessive du côté haute pression. Une pression excessive pourrait entraîner l ouverture d une soupape de sécurité (non illustré) ou la rupture d un appareil sous pression (explosion). La fonction du réservoir/déshydrateur est de contenir l humidité à l extérieur du système frigorifique. L humidité et les dérivés du fluide frigorigène sont susceptibles d endommager les composants. Dans certains cas graves, il peut même se former de la glace qui bloque le détendeur. Le réservoir sert également à accumuler le fluide frigorigène en excédent dans certaines conditions. Le verre-regard est utilisé pour garantir que le fluide frigorigène qui se dirige vers la vanne de détente est totalement condensé (pas de bulles de gaz). Pompes à chaleur à cycle réversible pour les applications de chauffage et de refroidissement : Les pompes à chaleur possèdent l avantage de pouvoir être facilement utilisées pour des applications de refroidissement. Les pompes à chaleur réversibles peuvent être conçues pour délivrer des charges spécifiques dans le mode de fonctionnement sélectionné (chauffage ou refroidissement). Permuter le mode de fonctionnement de la pompe à chaleur réversible est possible grâce à une vanne quatre voies comme l illustre la Figure Elle inverse le sens de circulation du fluide frigorigène uniquement. 74 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

75 75 PROJET EU-CERT.HP application application source / sink source / sink Application de chauffage Application de refroidissement Figure 6.10 : Pompe à chaleur réversible avec vanne quatre voies 3. Organes du circuit de la pompe à chaleur 1 Compresseur Le compresseur fonctionne comme une pompe à gaz, aspirant le gaz formé dans l évaporateur et maintenant la pression désirée, qui maintient à son tour la température correcte la température d évaporation. L évaporation du fluide frigorigène dans l évaporateur est le résultat de l équilibre entre la chaleur employée pour faire bouillir le liquide et la capacité d aspiration du compresseur. Le gaz quitte le compresseur à une pression élevée et une température élevée. Des clapets de non-retour empêchent le fluide frigorigène de refluer. Dans les pompes à chaleur pour les maisons individuelles, les immeubles résidentiels de petite et moyenne taille et les bâtiments industriels, trois sortes de compresseurs sont utilisés : des compresseurs à piston rotatif, des compresseurs à piston et des compresseurs à spirale. Ces trois types de compresseurs sont très souvent hermétiques, c est-à-dire que le moteur électrique et le compresseur sont montés ensemble dans la même enveloppe (appareil sous pression), qui est ensuite soudée. De cette manière, le fluide frigorigène ne peut pas s échapper dans l atmosphère par un joint ou un raccord. Seuls deux ou trois fils électriques traversent l enveloppe. Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 75 / 262

76 76 Les compresseurs à piston rotatif sont fréquemment employés dans les pompes à chaleur air-air. Un arbre à excentrique dont l aube tourne autour d un axe fixe mais avec un déplacement radial - comprime le gaz (comme l illustre la Figure 0.11). Les compresseurs à piston rotatif ont généralement un coefficient de performance supérieur aux compresseurs à piston de capacité identique. Également, les enroulements du moteur sont souvent refroidis au gaz chaud plutôt que refroidis au gaz d aspiration. Refoulement Arbre rotatif Aube Aspiration Figure 0.11: Compresseur rotatif principe de fonctionnement Les compresseurs à piston sont la plus ancienne catégorie de compresseurs. Un piston aspire le gaz à travers un clapet d aspiration lorsqu il descend dans un cylindre et le comprime lorsqu il monte. Le clapet d aspiration est fermé pendant la compression et le clapet de refoulement s ouvre lorsque la pression dans le cylindre excède la pression du côté haute pression du compresseur (comme l illustre la Figure 0.12). L évolution des compresseurs à piston se poursuit et une innovation est de plus en plus fréquemment utilisée, y compris pour les pompes à chaleur : le clapet d aspiration du compresseur est placé à l intérieur du piston. Le coefficient de performance du compresseur est ainsi supérieur. Dans une autre nouvelle catégorie de compresseur à piston, le rendement du compresseur peut-être divisé par deux en changeant le sens de rotation un piston au lieu de deux seront alors engagés (TS-technique). Dans un compresseur à piston, les enroulements du moteur sont généralement refroidis par le gaz d aspiration froid. Clapet Clapet de d aspiration refoulement aspiration refoulement Piston Carter Figure 0.12: Compresseur à piston principe de fonctionnement 76 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

77 77 PROJET EU-CERT.HP Les compresseurs «scroll» sont les compresseurs les plus courants pour les pompes à chaleur. Les compresseurs à spirale présentent plusieurs avantages significatifs sur les autres types de compresseurs : ils comportent peu de pièces mobiles, ce qui signifie une longévité supérieure, et surtout, un comportement du compresseur relativement silencieux et dépourvu de vibrations. Les compresseurs à spirale ont donc permis l installation de pompes à chaleur dans des endroits où elles auraient autrement été «interdites» en raison du bruit et des contraintes acoustiques. Un autre avantage du compresseur à spirale est sa bonne résistance à la pénétration de gouttes de liquide à l intérieur. Contrairement aux compresseurs à piston (mais à l instar du compresseur à piston rotatif), il est important de faire fonctionner le compresseur dans le bon sens. C est-à-dire que, avec du courant triphasé, les fils des phases électriques doivent être correctement branchés. Dans les compresseurs à spirale, les enroulements du moteur sont généralement refroidis par le gaz aspiré froid. Le principe de fonctionnement est illustré par la Figure Volume de compression Aspiration Spirale mobile Spirale fixe Refoulement Figure 0.13 : Compresseur à spirale principe de fonctionnement. Le taux de compression est défini par la pression du côté haute pression divisée par la pression du côté basse pression. Avec des taux de compression élevés, le compresseur à piston est normalement le plus efficace. Les compresseurs à spirale modernes pour les pompes à chaleur ont compensé cet inconvénient par davantage d «enroulements» en spirale. Rendement Spirale Piston Taux de compression Figure 6.14 : Comparaison de l efficacité des compresseurs à piston et à spirale à différents taux de compression Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 77 / 262

78 78 2 Détendeur Les détendeurs fonctionnent comme des vannes à ouverture variable, maintenant la différence de pression entre les côtés basse et haute pression du circuit de fluide frigorigène. Elles commandent la circulation du fluide frigorigène depuis le condenseur vers l évaporateur. Lorsque le fluide frigorigène passe à travers le détendeur, la pression chute et une fraction du fluide frigorigène s évapore immédiatement sous forme gazeuse. La chaleur qui permet cette évaporation provient du fluide frigorigène lui-même, entraînant la baisse de température du mélange liquide/gaz qui traverse l évaporateur au niveau de la température d évaporation. Dans sa forme la plus simple, le détendeur est un tube capillaire placé entre le condenseur et l évaporateur. Pour les pompes à chaleur qui fonctionnent dans différentes conditions des deux côtés chaud et froid, des détendeurs thermostatiques sont généralement employées. Ces détendeurs offrent de bonnes propriétés de commande pour une plage de fonctionnement relativement importante. Dans une détendeur thermostatique, un bulbe rempli de substance volatile est fixé directement sur le tuyau après l évaporateur et convertit la température en pression. Cette pression agit sur le mécanisme du détendeur, si bien que le détendeur s ouvre lorsque la température et donc la pression dans le bulbe devient élevée. Lorsque le débit à travers l évaporateur augmente, la température du bulbe chute à nouveau. Pour compenser la chute de pression dans l évaporateur, un autre tube capillaire est souvent soudé dans le tuyau d aspiration près du bulbe. On a ainsi un système d égalisation externe de pression. À l aide d une vis de réglage qui serre un ressort dans la vanne de détente, la surchauffe peut être maintenue au niveau désiré. La vanne de détente est préréglée à approximativement 4-8 ºC de surchauffe pendant la production. Nivellement de pression externe Entrée après le condenseur Sortie vers l évaporateur Bulbe Figure 6.15 : détendeur thermostatique avec nivellement de la pression extérieure Évaporateur La fonction de l évaporateur est d extraire la chaleur de la source de chaleur ou de l eau glycolée et de transférer cette chaleur vers le fluide frigorigène afin de la diffuser par évaporation. La température d évaporation doit toujours être inférieure à la température de la saumure ou de la source de chaleur. Cette condition est assurée par l aspiration constante du compresseur. Dans les pompes à chaleur air-air et les pompes à chaleur air-eau, le fluide frigorigène absorbe la chaleur directement dans l air. Il n y a pas besoin d eau glycolée pour acheminer la chaleur depuis la source c est-à-dire l air. L évaporateur prend alors la forme d «ailettes spiralées». Il s agit d une batterie de tuyaux en cuivre munis d ailettes en aluminium embouties sur les tuyaux, et d un ventilateur pour projeter l air sur les ailettes en aluminium. 78 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

79 79 PROJET EU-CERT.HP Dans les pompes à chaleur eau-eau et eau glycolée-eau, pratiquement tous les échangeurs de chaleur à l heure actuelle sont des échangeurs de chaleur à plaques brasées ou soudées. Les échangeurs de chaleur à plaques sont économiques, compacts et peu encombrants. Ils sont également faciles à isoler. Figure 6.16 : Différents types d échangeurs de chaleur compacts à plaques brasées Le fluide frigorigène liquide entrant dans le détendeur est expané par la pression d évaporation. De cette manière, une partie du fluide frigorigène liquide est déjà évaporée avant qu il n entre dans l évaporateur. La portion évaporée à l entrée augmente lorsque la différence de température entre la pression de condensation et la pression d évaporation augmente. Il y aura toujours un mélange de vapeur et de liquide à l entrée de l évaporateur, même si la fraction de vapeur varie. Le fluide frigorigène gazeux est surchauffé au-dessus de la température d évaporation dans la partie finale de l évaporateur, avant d être aspiré dans le compresseur sous forme de gaz. Il est important que le gaz soit surchauffé avant de quitter l évaporateur, afin qu aucun liquide n entre dans le compresseur. Autrement, des gouttes de liquide pourraient endommager le compresseur.. Figure 6.17 : Principe du processus d évaporation dans un évaporateur chauffé à l air Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 79 / 262

80 Condenseur Le gaz chaud provenant du compresseur est conduit vers le condenseur. Le condenseur sert à transférer la chaleur du fluide frigorigène vers le fluide caloriporteur (souvent l eau du radiateur ou l air). Pour obtenir ce flux de chaleur, la température de condensation doit toujours être supérieure à la température du liquide de refroidissement. La quantité de chaleur du condenseur transférée au liquide de refroidissement est la somme de la chaleur de l évaporateur et de l énergie électrique fournie au compresseur. Dans la plupart des pompes à chaleur, des échangeurs de chaleur à plaques brasées ou soudées sont employés pour le condenseur. Le condenseur comporte trois zones distinctes : Désurchauffe Le fluide frigorigène est à l état de vapeur chaude lorsque qu il entre dans le condenseur. Il est alors désurchauffé (refroidi) à la température de condensation (saturation). L échange thermique dans cette zone n est pas très élevé en raison de la présence de fluide frigorigène surchauffé à l état de vapeur. Condensation La condensation commence une fois que le fluide frigorigène a refroidi à la température de condensation du fluide frigorigène. La température de condensation correspond à la pression de condensation. Lors de la condensation de fluides frigorigènes composés d une seule substance et «azéotropiques», la pression et la température demeurent constantes. Les fluide frigorigènes «zéotropiques» condensent également à une pression constante mais subissent une légère baisse de température, car les différents composants du mélange frigorigène zéotropique condensent un par un. Le phénomène est souvent désigné par le terme anglais «glide». Le meilleur rendement du transfert de chaleur est atteint dans cette zone. NB : un fluide frigorigène azéotropique est un mélange de deux ou plusieurs fluides frigorigènes dont les compositions d équilibre des phases vapeur et liquide sont les mêmes à une pression donnée. Il se comporte comme un fluide frigorigène à composant unique. Un fluide frigorigène zéotropique est un mélange de deux ou plusieurs fluides frigorigènes dont les compositions d équilibre des phases vapeur et liquide sont différentes à une température donnée. Sous-refroidissement Dès que le fluide frigorigène est entièrement condensé, et que le passage à la phase liquide est achevé, le processus de sous-refroidissement démarre. À partir de ce moment, l échange thermique conduit à une diminution de la température du fluide frigorigène. L échange de chaleur est très faible en raison de la faible vitesse du fluide frigorigène liquide. Il est important de sous-refroidir le liquide, toutefois, afin d éviter la formation de bulles dans ou avant la vanne de détente ce qui bloquerait partiellement la circulation à cet endroit. Les processus décrits ci-dessus sont présentés dans la Figure 6.18 (les baisses de pression dues aux frottements dans le condenseur ne sont pas prises en compte). 80 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

81 81 PROJET EU-CERT.HP Figure 6.18 : Processus dans un condenseur refroidi à l air 1. Gaz frigorigène surchauffé 2. Fluide frigorigène sous-refroidi 3. Entrée d eau 4. Sortie d eau 5. Désurchauffe du gaz 6. Condensation du gaz en liquide 7. Sous-refroidissement du liquide 8. Graphique de la température du fluide dans l échangeur de chaleur 9. Graphique de la température de l eau dans l échangeur de chaleur Figure 6.19 : Processus de refroidissement dans un condenseur à plaques brasées compact Dans certaines pompes à chaleur à chaleur, un échangeur de chaleur plus petit portant le nom de désurchauffeur est placé entre le compresseur et le condenseur. Il a pour avantage de permettre au système d obtenir une partie de la puissance totale de la pompe à chaleur à des températures supérieures à la température de condensation et d utiliser cela pour produire de l eau chaude sanitaire. En chauffant l eau pour le chauffage ambiant (par ex. pour les radiateurs), la température de condensation de la pompe à chaleur sera juste supérieure de quelques degrés à la température de l eau. Dans les pompes à chaleur sans désurchauffeur, il est nécessaire d augmenter temporairement la température de condensation au-dessus de la température de l eau chaude sanitaire, ce qui limite le coefficient de performance de la pompe à chaleur. 4.5 Composants secondaires Outre les principaux composants de la pompe à chaleur décrits ci-dessus (évaporateur, compresseur, condenseur, détendeur et fluide frigorigène), le circuit de la pompe à chaleur comprend d autres composants importants, tels que le voyant de liquide, le filtre, le déshydrateur, le réservoir et les pressostats. Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 81 / 262

82 82 Le voyant de liquide a normalement deux fonctions. La première fonction est de montrer s il y a des bulles de gaz présentes dans le fluide frigorigène. S il y a des bulles, c est le signe qu il n y a pas assez de fluide frigorigène. La seconde fonction du verre-regard est d indiquer la teneur en humidité du gaz frigorigène. Un indicateur d humidité change de couleur en présence d humidité. Le filtre du fluide frigorigène est composé d un tamis qui collecte les particules présentes dans le circuit frigorifique et d un gel absorbant l humidité. Le filtre est placé entre le condenseur et le détendeur. Le réservoir stocke le fluide frigorigène temporairement inutilisé dans le processus. En fonction des conditions d exploitation, des quantités variables de fluide frigorigène sont nécessaires pour maintenir le processus de refroidissement. Pressostats : Une unité de pompe à chaleur est normalement équipée de déclencheurs haute pression et basse pression ou «pressostats». Ce sont des dispositifs de sécurité. Si la pression en amont du compresseur devient trop faible ou si la pression en aval du compresseur devient trop élevée, un pressostat arrête la pompe à chaleur. Le pressostat haute pression doit être manuellement réinitialisé après son fonctionnement. La raison la plus fréquente des arrêts commandés par les pressostats sont des perturbations du flux du côté froid ou chaud (eau glycolée ou liquide de refroidissement) ou un déficit de fluide frigorigène Certaines pompes à chaleur sont également équipées d un pressostat de contrôle de haute pression. Ce pressostat redémarre automatiquement lorsque la pression chute. Il est utilisé pour arrêter la pompe à chaleur avant que le pressostat de haute pression ne le fasse. Cela permet d éviter des visites d entretien inutiles pour cause de surcharge transitoire. La position de ces différents composants est représentée dans la Figure 6.9. La vanne quatre voies, là où elle est installée, sert à inverser le fonctionnement de la pompe à chaleur (voir plus de détails dans la Figure 6.10). 4.6 Huile de lubrification La principale fonction de l huile est la lubrification du compresseur. L huile est strictement nécessaire dans le compresseur seulement, mais un peu d huile (généralement 1% à 4% du poids du fluide frigorigène) passe à travers l orifice de refoulement du compresseur et atteint d autres parties du circuit de la pompe à chaleur. Jusqu à une certaine limite (approximativement 1% -1.5% du poids) la présence d huile dans le fluide frigorigène présente les avantages suivants : Aide à colmater les fuite de fluide frigorigène à l intérieur des compresseurs de type ouvert (non hermétiques) Le film d huile dans les échangeurs de chaleur améliore légèrement l échange thermique, et donc le coefficient de performance L huile facilite la détection des fuites dans le circuit de la pompe à chaleur car elle est facile à repérer à l extérieur des joints, etc. Le retour d huile Le retour d huile est un aspect important pour le bon fonctionnement de l installation. Lorsque le fluide frigorigène est à l état de vapeur, l huile doit être renvoyée vers le compresseur par le vitesse du flux de fluide frigorigène à l état de vapeur. Afin d assurer le retour d huile depuis l évaporateur, en particulier lorsque le flux est ascendant, le produit de la vitesse et de la densité du fluide frigorigène en phase vapeur ne doit pas être trop faible. 82 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

83 83 PROJET EU-CERT.HP Dans les petites unités assemblées en usine, il est rare de rencontrer des problèmes au niveau du retour du lubrifiant vers le compresseur. En revanche, dans le cas des boucles de fluide frigorigène sur mesure assemblées sur place, la question du retour d huile doit être examinée avec attention. Le remplacement du fluide frigorigène par un autre moins dense dans la phase vapeur pourrait également poser des problèmes. NB : Changer le fluide frigorigène peut entraîner d autres problèmes comme le solubilité de l huile dans le fluide frigorigène, etc. qui sont même plus graves que le retour d huile. La Figure 6.20 montre comment le tuyau de refoulement de l évaporateur peut être disposé pour optimiser le retour d huile vers le compresseur. Figure 6.20 : Refoulement de l évaporateur permettant d optimiser le retour d huile «A» est une poche pour collecter l huile en dessous du niveau de l évaporateur. «B» est un mince tuyau vertical permettant d assurer une vitesse ascendante élevée. Deux éléments en particulier doivent être conservés à l esprit : Lorsque le tuyau est froid, la viscosité de l huile est élevée et une pellicule d huile relativement épaisse se dépose sur les parois de la conduite d aspiration le retour d huile est entravé. La vitesse ascendante doit être assez élevée, même lorsque le compresseur fonctionne à charge partielle. 4.7 Fluide frigorigène Le fluide frigorigène circule dans le système et absorbe l énergie de l évaporateur à basse température et retransmet l énergie au condenseur à haute température. Cela est réalisé au moyen de la transformation du fluide frigorigène de l état liquide à l état gazeux dans l évaporateur et de l état gazeux à l état liquide dans le condenseur. Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 83 / 262

84 Types de fluides frigorigènes Les fluides frigorigènes sont classés en différents groupes selon leur composition moléculaire. CFC HCFC HFC HC Propriétés requises Chloro-fluoro-carbure molécule entièrement halogénée (pas d hydrogène) par ex. R12 (expliqué ultérieurement) Hydro-chloro-fluoro-carbure : ce sont des chloro-fluoro-carbure incomplètement halogéné : certains atomes de chlore sont remplacés par des atomes d hydrogène par ex. R22 Hydro-fluoro-carbure ce sont des chloro-fluoro-carbure incomplètement halogéné et sans chlore: certains atomes de fluor sont remplacés par des atomes d hydrogène, par ex R134a Hydro-carbure (pas de chlore ni de fluor) tels le propane R290 et l isobutane R600A. Tableau 0.1 : Types de fluide frigorigènes Les fluide frigorigènes doivent posséder nombreuses propriétés indispensables. Ils doivent être : inoffensifs pour l environnement «écoénergétiques», c est-à-dire aptes à transporter d importantes quantités de chaleur par kg de matière de préférence non inflammables de préférence non toxiques simples à manipuler compatibles avec les huiles et les élastomères (raccords et joints toriques) chimiquement stables Ils doivent également permettre une utilisation dans de grandes plages de température et pression produire du gaz chaud à basse température après le compresseur Aucune substance unique ne peut remplir à elle seule toutes ces exigences Il faudra toujours trouver un compromis Remplacement du fluide frigorigène dans les vieilles unités Idéalement, après une réparation, les systèmes frigorifiques et les pompes à chaleur doivent être remplis avec le fluide frigorigène d origine. Certains fluides frigorigènes ont toutefois été interdits pour des raisons d impact défavorable sur l environnement, comme R12, R22 (voir section 3.3). Ce qui signifie que les vieilles unités peuvent avoir besoin d un réglage ou d une conversion pour utiliser d autres fluides frigorigènes alternatifs dans le cadre de la réparation. Il est bien sûr important de déterminer l état et la durée de vie restante de l unité avant les réparations et le changement de fluide frigorigène. Dans de nombreux cas, il peut être économiquement avantageux d acheter du nouveau matériel employant un fluide frigorigène agréé. Avant d envisager un changement de fluide frigorigène, il convient d étudier si le nouveau fluide frigorigène affectera le matériau et les composants de la pompe à chaleur. Il est capital de déterminer si l huile du système doit être changée. Si l huile comme le fluide frigorigène doivent être changés, les coûts seront plus élevés. En effet, toutes les traces de l huile précédente devront être éliminées du système. 84 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

85 85 PROJET EU-CERT.HP Ancien fluide frigorigène Fluide frigorigène de remplacement en neuf R12 R134A R502 R404A R22 R407C R417A Tableau 0.2 : Anciens et nouveaux fluides frigorigènes Fluide frigorigène de remplacement en substitution Le marché propose de nombreux fluides frigorigènes «de substitution» qui peuvent être utilisés à la place des anciens. Ces fluides frigorigènes permettent à l utilisateur, comme leur nom l indique, le remplacement direct sans aucune autre mesure. En général, les fluides frigorigènes «de substitution» altèrent la pompe à chaleur et il est important d expliquer cela clairement au propriétaire de la pompe à chaleur avant d effectuer le remplacement Fluides frigorigènes avec «glide» Certains nouveaux fluides frigorigènes sont des mélanges de deux ou plusieurs différents fluides frigorigènes de type HFC. Lorsque ces mélanges de fluides frigorigènes semblent agir comme un seul fluide frigorigène homogène, en s évaporant à une certaine température donnée pour une certaine pression, ils sont appelés fluides frigorigènes azéotropiques. Si les différents composants entrent en ébullition (ou condensent) progressivement au-dessus d un éventail de températures à une pression donnée, ils sont appelés fluides frigorigènes zéotropiques. Les fluides frigorigènes zéotropiques ont donc un «glide», c est-à-dire que les composants à la pression de vaporisation la plus élevée (plus faible température d évaporation) sont les premiers en ébullition à l évaporation. Par exemple, R407C est un fluide frigorigène au glide élevé. Dans le diagramme enthalpique, les isothermes des fluide frigorigènes zéotropique ne coïncident pas dans la «zone deux phases» comme c est le cas pour les fluides frigorigènes azéotropoqiues ou à substance unique. En pratique, le glide peut entraîner un dégivrage irrégulier et altérer la composition du fluide frigorigène en cas de fuite. Le remplissage de fluide frigorigène doit être effectué en phase liquide pour conserver les concentrations de composants souhaitées. Le phénomène du «glide» impose des exigences accrues aux concepteurs, entrepreneurs et sociétés de service afin d obtenir des conditions d exploitation optimales pour le refroidissement d une unité de pompe à chaleur Sécurité Figure 6.21 : Glide représenté dans un diagramme enthalpique Il est possible de se blesser de plusieurs façons en travaillant avec une pompe à chaleur. Les accidents prévisibles liés en aux fluides frigorigènes incluent l asphyxie, l explosion et les brûlures par le froid. Les systèmes frigorifiques et les pompes à chaleur fonctionnent également sous une pression élevée si bien qu il existe une possibilité d explosion des Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 85 / 262

86 86 appareils sous pression. La conception et les essais des systèmes de refroidissement en Europe sont régulés par la Directive sur les équipements sous pression. Cependant, l immense majorité des accidents n est pas spécifique à la technologie des pompes à chaleur. Ils s agit de : Blessures dorsales en raison d une mauvaise posture pour le levage de machines lourdes Glissement dans les escaliers Chute de la pompe à chaleur sur les pieds Blessures dues à une utilisation imprudente d outils manuels Blessures dues à une mauvaise isolation des alimentations électriques avant de commencer le travail d entretien Choc électrique en travaillant sur des systèmes «actifs» N oubliez pas cela! 4. Caractéristiques d un cycle de pompe à chaleur 1 Coefficient de performance COP La chaleur délivrée par une pompe à chaleur est théoriquement la somme de la chaleur extraite à partir de la source de chaleur et de l énergie nécessaire pour alimenter le cycle. La performance continue d une pompe à chaleur à compression électrique à un ensemble donné de températures est appelée le coefficient de performance (COP). Il se définit comme le rapport entre la chaleur délivrée par le pompe à chaleur et l énergie électrique consommée compresseur. COP = puissance calorifique puissance électrique = P c P 2 Rendement de Carnot La Figure 6.22 représente le COP d une PAC idéale comme une fonction de la courbe de température, où la température de la source de chaleur est 0 C. La figure représente également l intervalle des COP réels pour les différents types de PAC réelles à différentes températures. 86 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

87 87 PROJET EU-CERT.HP COP15 η c = 1 10 η c = 0,7 5 0 η c = 0, Température de condensation [ C] ηc =1 ηc =0.3 ηc =0.7 Figure 6.22 : le COP en fonction de la courbe de température pompe à chaleur idéale (processus thermique de Carnot) appareils de climatisation conventionnels pompes à chaleur électriques à très bon rendement Le rapport entre le COP réel d une pompe à chaleur et le COP idéal est défini comme le rendement de Carnot ηc. Le rendement de Carnot varie de 0.30 pour des appareils de climatisation conventionnels à 0.7 pour les pompes à chaleur électriques à très bon rendement. 3 Facteur de performance saisonnier (SPF) La performance d une pompe à chaleur électrique sur toute la saison est appelée le facteur de performance saisonnier (SPF). Il se définit comme le rapport entre la chaleur délivrée par la pompe à chaleur et la consommation d énergie électrique totale pendant la saison. Pour calculer le SPF, outre la consommation d énergie électrique du compresseur, il faut inclure la consommation électrique des composants auxiliaires (circulateur, dégivrage de l évaporateur, régulateur, etc.). SPF = Somme de la chaleur délivrée Somme de la consommation électrique La performance des pompes à chaleur est influencée par un grand nombre de facteurs. Pour les pompes à chaleur dans les bâtiments, ces derniers comprennent : = climat besoins annuels en chauffage et refroidissement et charges maximales la température de la source de chaleur et du système de dissipation de la chaleur la consommation d énergie auxiliaire (pompes, ventilateurs, commandes, etc.) la qualité de la conception et de la fabrication de la pompe à chaleur la taille de la pompe à chaleur par rapport aux besoins en chaleur et aux caractéristiques de fonctionnement de la pompe à chaleur les systèmes de commande de la pompe à chaleur et du bâtiment Q C W Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 87 / 262

88 88 4 Paramètres d exploitation importants Pour connaître l état d une pompe à chaleur, il faut au moins mesurer les données suivantes : la pression d évaporation la pression de condensation la surchauffe à l entrée du compresseur la température du gaz chaud au refoulement du compresseur le sous-refroidissement après le condenseur la température du fluide frigorigène entrant et sortant la température de l eau glycolée(ou de l air) entrant et sortant i. Surchauffe La différence entre la température de la vapeur dans la conduite d aspiration et la température d évaporation est la surchauffe (différence de température entre les points 1 et 1 dans les Figure 6.23 et Figure 6.24). Pour simplifier, la température peut être mesurée simplement à la surface de la conduite d aspiration. La température d évaporation peut être lue sur une échelle thermométrique sur le manomètre. Ou bien elle peut être consultée dans les tableaux des fluides frigorigènes. La surchauffe indique à combien de degrés au dessus de la température d évaporation se trouve le gaz d aspiration. Les valeurs normales sont comprises entre 4 et 8ºC. Une surchauffe insuffisante peut provoquer la pénétration de liquide dans le compresseur, entraînant un coefficient de performance inférieur ou l endommagement du compresseur. Une surchauffe trop élevée signifie une utilisation inefficace de l évaporateur. Il s ensuit un coefficient de performance inférieur. ii. Sous-refroidissement Le sous-refroidissement indique de combien de degrés le fluide frigorigène condensé a été refroidi en dessous de la température de condensation. Les valeurs normales sont comprises entre 2 et 5ºC. Un sous-refroidissement trop faible peut indiquer un déficit de fluide frigorigène, entraînant un rendement et un coefficient de performance inférieurs. Un sousrefroidissement trop élevé indique que la pompe à chaleur est en surcharge et fonctionne avec un coefficient de performance inférieur à la normale, car la surface du condenseur ne peut être utilisée dans sa totalité. Il existe également un risque que le pressostat de haute pression arrête la pompe ou que la soupape de sécurité (haute pression) s ouvre lorsque la température de condensation supérieure se produit. Il est possible d obtenir une estimation approximative du sous-refroidissement en soustrayant la température de condensation (lue directement sur le manomètre ou dans les tableaux des fluides frigorigènes) de la température mesurée à la surface de la conduite de fluide frigorigène après le condenseur. iii. Température de refoulement du compresseur La température à la surface de la conduite de gaz chaud indique approximativement la température du fluide frigorigène après le compresseur. Normalement, elle doit être inférieure à 120ºC afin d empêcher la décomposition de l huile dans le fluide frigorigène (provoquant le grippage du compresseur). Des températures de refoulement trop élevées peuvent être le résultat de températures d évaporation trop faibles, d un déficit de fluide frigorigène ou d un compresseur usé. Notez que les mesures de température relevées à la surface sous-estiment toujours la température réelle du gaz chaud. L erreur dépend du soin avec lequel la mesure est prise. 88 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

89 89 PROJET EU-CERT.HP iv. Principe de fonctionnement dans le diagramme enthalpique La signification des mesures de surchauffe, sous-refroidissement et température de refoulement du compresseur pour le rendement du compresseur peut être évaluée à l aide du diagramme enthalpique. La base de travail avec un diagramme enthalpique consiste à tracer les différentes étapes du cycle de la pompe à chaleur sur le diagramme représenté dans la Figure La Figure 6.24 représente les points correspondants dans le circuit de la pompe à chaleur. NB : Assurez-vous d utiliser le diagramme enthalpique qui correspond au fluide frigorigène. 1 2 : Compression non isentropique (inférieure à la ligne isentropique du diagramme enthalpique qui indique le rendement de la compression, voir 1.4) 2 2 : Refroidissement du fluide frigorigène (gaz chaud refoulé par le compresseur) à pression constante sous la ligne de condensation 2 3 : Refroidissement continu à pression constante entraînant la condensation 3 3 : Sous-refroidissement à pression constante 3 4 : Dilatation à enthalpie constante 4 1 : Évaporation à pression constante 1 1 : Surchauffe à pression constante dans l évaporateur 1 1 : Surchauffe à pression constante dans la conduite d aspiration Principe de fonctionnement d une pompe à chaleur dans le diagramme enthalpique Figure 6.23 : Processus de la pompe à chaleur dans le diagramme enthalpique Figure 6.24 : Circuit de la pompe à chaleur I Évaporation II Compression III Condensation IV Détente V Surchauffe VI Sous-refroidissement 1 Entrée du compresseur 1 Sortie de l évaporateur 1 100% du fluide frigorigène est évaporé début de la surchauffe 2 Sortie du compresseur 2 Le fluide frigorigène atteint la température d ébullition fin de la baisse de température et début de la condensation 3 Entrée de la vanne de détente 3 100% du fluide frigorigène est condensé début du sous-refroidissemnet 4 Entrée de l évaporateur Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 89 / 262

90 90 Dans le diagramme enthalpique, les quantités d énergie convertie spécifiques sont représentées comme des différences d enthalpie sous la forme de courbes et sont donc facilement lisibles sur le diagramme. Détermination des différences d enthalpie spécifique applicables : Les différences d enthalpie spécifiques suivantes sont nécessaires pour l évaluation du processus de la pompe à chaleur : h2 h1 : besoins énergétiques spécifiques du compresseur [kj/kg] h2 h3 : chaleur de condensation spécifique [kj/kg] h1 h4 : chaleur d évaporation spécifique [kj/kg] Détermination des puissances calorifique et frigorifique et de la puissance électrique pour le compresseur : Avec un débit massique du fluide frigorigène m (kg/s) et les différences d enthalpie spécifique décrites ci-dessus, il est possible de calculer les valeurs suivantes : Puissance frigorifique théorique m ( ) P f = en kw h 1 h 4 P ( ) Puissance calorifique théorique C m h 2 h 3 = en kw P ( ) Puissance électrique théorique pour alimenter le compresseur el m h 2 h1 Détermination du COP du cycle de la pompe à chaleur : = en kw Avec la puissance calorifique et la puissance électrique décrites ci-dessus, le COP de la pompe à chaleur peut être calculé de la manière suivante : COP puissance calorifique PC m ( h2 h3 ) = = = puissance électrique P m ( h2 h1 ) = ( h2 h3 ) ( h h ) 2 1 Notez que la connaissance du débit massique du fluide frigorigène n est pas nécessaire pour calculer le rendement de la pompe à un point de fonctionnement particulier, les différences d enthalpie spécifique suffisent. Ces différences sont facilement lisibles dans le diagramme enthalpique et suffisent pour calculer le COP. Détermination de la capacité de la pompe à chaleur : La puissance calorifique de la pompe à chaleur peut être facilement déterminée en mesurant le courant consommé à l entrée du compresseur, en calculant la puissance nominale et en multipliant ensuite la puissance nominale par le COP : Puissance électrique = Intensité( I) Tension( V ) Facteur de puissance NB : pour effectuer un calcul approximatif, le facteur de puissance peut être assimilé à 1.0 Puissance calorifique ( PC ) = Puissance électrique ( Pel ) COP 90 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

91 91 PROJET EU-CERT.HP Exemple : Sur une installation fonctionnant au R 134a, les mesures suivantes sont prises : Pression du fluide frigorigène à l entrée du compresseur p 1 = 1.4 bar Pression du fluide frigorigène à la sortie du compresseur p 2 = 9.2 bar Température du fluide frigorigène à la sortie de l évaporateur t 1 = 3.0 C Température du fluide frigorigène à l entrée du compresseur t 1 = 10.0 C Température au refoulement du compresseur t 2 = 70.0 C Température du fluide frigorigène à l entrée de la vanne de détente t 3 = 35.0 C Pression atmosphérique p atm = 1.0 bar Les valeurs suivantes sont nécessaires : a) le cycle dessiné dans le diagramme enthalpique b) la chaleur obtenue à partir de 1 kg de fluide frigorigène dans l évaporateur c) la température du gaz surchauffé dans le compresseur (en supposant la compression isentropique) d) la teneur en vapeur du fluide frigorigène à l entrée de l évaporateur e) le sous-refroidissement f) le coefficient de performance (COP) à ce point du processus g) la chaleur spécifique transmise au système de chauffage a) Cycle représenté dans le diagramme enthalpique de R 134a : 3 3 t 3 = 40 C 2 60 C 2 t3 = 35 C 4 x= C h 3=h 4=249 kj/kg h1 =401 kj/kg h1=408 kj/kg h2=451 kj/kg b) La chaleur extraite à partir de 1 kg de fluide frigorigène dans l évaporateur : Chaleur extraite dans l évaporateur = h1 - h4 = = 152 kj/kg c) La température du gaz surchauffé dans le compresseur (en supposant une compression isentropique): En traçant une ligne isentropique qui passe par le point h1 (entrée du compresseur), au point d intersection entre cette ligne isentropique et la ligne de pression élevée, vous pouvez Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 91 / 262

92 92 connaître la température du gaz surchauffé (en supposant une compression sans pertes ) 60 C d) La teneur en vapeur du fluide frigorigène à l entrée de l évaporateur : La teneur en vapeur x du fluide frigorigène à l entrée de l évaporateur (point 4, voir Figure 6.23) est 28%. e) Sous-refroidissement : Sous-refroidissement = t3 t3 = 40 C 35 C = 5K f) Le coefficient de performance (COP) à ce point du processus : puissance calorifique PC m COP = = = puissance électrique P m ( h2 h3 ) ( h2 h3 ) = = = ( h ) ( 2 1) h h h Le COP à ce point du processus est 4.7. g) La chaleur spécifique transmise au système de chauffage : Chaleur spécifique transférée au système de chauffage = h2 h3 = = 202 kj/kg 5. Calcul standardisé du COP et du SPF Les méthodes d essai standard des pompes à chaleur sont définies dans la norme européenne EN14511 Climatiseurs, groupes refroidisseurs de liquide et pompes à chaleur avec compresseur entraîné par moteur électrique pour le chauffage et la réfrigération. Cette norme précise les conditions d évaluation standard pour les essais (température de la source et de l émetteur de chaleur, etc.) en fonction de la pompe à chaleur, c est-à-dire eau-eau, eau glycolée-eau, eau-air, etc. EN14511 ne fixe pas de critère de performance minimal pour les pompes à chaleur. Les critères de performance minimaux sont déterminés par des programmes de qualité comme le label D-A-CH ( Suisse, Allemagne, Autriche) ou Promotelec en France. La performance relative des pompes à chaleur de différents fabricants ne peut être comparée que si les valeurs sont déterminées dans les mêmes conditions. Coefficient de performance Le rendement d une pompe à chaleur à un point de fonctionnement particulier (combinaison de température) peut être évalué grâce au coefficient de performance (COP). En plus de la puissance nominale du compresseur, la puissance nominale des composants auxiliaires à l intérieur de la pompe à chaleur (comme le système de commande, le réglage de la puissance, la perte de charge, le matériel de dégivrage, etc.) est prise en compte pour la détermination du COP. Conformément à EN14511, le COP se définit comme la proportion de la puissance calorifique transmise par rapport à la puissance nominale réelle de la PAC. La puissance nominale réelle de l unité est obtenue à partir de la puissance nominale pour le fonctionnement du compresseur (et une éventuelle puissance nominale pour le dégivrage du vaporiseur) plus la puissance nominale de tous les appareils de commande et de sécurité de l unité, en plus de la puissance nominale proportionnelle des dispositifs caloporteurs (par ex., ventilateurs, pompes) pour assurer la circulation fluide frigorigène caloporteur à l intérieur de l unité (EN14511). 92 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

93 93 PROJET EU-CERT.HP Dans des conditions d essai cohérentes, en utilisant des températures standardisées pour la source de chaleur et l émetteur de chaleur, il est possible de comparer le COP de différentes unités de pompes à chaleur individuelles testées d après EN Cependant, lorsque la norme EN14511 a remplacé EN255 (norme antérieure pour les pompes à chaleur) certains détails des essais ont été modifiés. Cela complique la comparaison des anciens rapports d essai (selon EN255) avec les nouveaux rapports d essai (selon EN14511). Facteur de performance saisonnier Le calcul du facteur de performance saisonnier (SPF) n est pas défini dans la norme EN Par conséquent, pour comparer différents systèmes de pompes à chaleur à partir du SPF, le choix des limites du système et la période d observation doivent être pris en compte. On suppose que la période d observation dure une année entière. Pour que le SPF soit un paramètre significatif, il est essentiel de préciser les limites du système, qui aident à déterminer les besoins en chaleur et en énergie qui ont été inclus dans le calcul, ainsi que la puissance et les pertes des unités auxiliaires qui ont été prises en compte. Comme l alimentation auxiliaire des unités de haute qualité représente approximativement 10% de l ensemble des besoins en puissance (voire plus de 15% pour les unités de basse qualité), il est impératif d établir quelle sorte de composants auxiliaires ont été pris en compte lors de la comparaison des SPF. Habituellement, la consommation d énergie du compresseur, la commande des réglages, le dégivrage de l évaporateur, le ventilateur (air/eau), la pompe de circulation de la saumure (eau glycolée/eau), ou la pompe submersible (eau/eau) sont compris dans l évaluation. En général, la consommation d énergie de la pompe de circulation du chauffage (pour les systèmes à à base d eau) n est prise en compte que si la pompe de circulation est intégrée dans l unité de la pompe à chaleur. 6. Auto-évaluation 1. Dessinez le principe de fonctionnement d un cycle de pompe à chaleur et expliquez les principaux composants du cycle et leurs fonctions. 2. Quels sont les dispositifs de sécurité les plus courants sur une pompe à chaleur? 3. Que signifie pompe à chaleur réversible et comment peut-on en réaliser une? 4. Quels sont les types de compresseurs les plus courants dans les pompes à chaleur et quels sont les avantages de chaque type? 5. Qu est-ce qu un compresseur hermétique? 6. Comment le taux de compression d un compresseur est-il défini? 7. Dans quel état doit être le fluide frigorigène avant le détendeur et dans quel état doitil être après détendeur? 8. Quel type de détendeur est le plus courant dans les installations de pompes à chaleur et pour quelle raison? 9. Comment est-il possible de conserver l écart nécessaire entre la température d évaporation et la température de la source de chaleur? 10. Quels types d échangeurs de chaleur sont le plus fréquemment utilisés comme évaporateurs/ condenseurs dans les pompes à chaleur? 11. Quelles sont les trois différentes parties d un condenseur, et dans quelle partie le transfert de chaleur est-il le plus efficace est pourquoi? 12. Quelles sont les fonctions d un voyant de liquide et d un réservoir? 13. Dessinez un cycle complet de pompe à chaleur incluant les quatre principaux organes ainsi que tous les composants auxiliaires. 14. Huile de lubrification : quelles sont les principales fonctions de l huile de lubrification dans le cycle de la pompe à chaleur? Dans quels systèmes peut-il survenir des problèmes avec le retour d huile, et dans quel tuyau du cycle? 15. Quelles propriétés doit posséder un fluide frigorigène en termes de caractéristiques techniques, de sécurité et de protection de l environnement? Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 93 / 262

94 Quelles sont les différences entre les fluides frigorigènes azéotropiques et zéotropiques, et quelles sont les caractéristiques particulières des fluides frigorigènes zéotropiques? 17. Quels aspects doivent être pris en considération pour remplacer le fluide frigorigène dans un système existant? 18. Quels sont les accidents les plus fréquents lors de l installation d une pompe à chaleur et quelles précautions de sécurité doivent être prises pour manipuler des fluides frigorigènes? 19. Décrivez le calcul du COP et du SPF. 20. Quels sont les principaux facteurs qui affectent le SPF d un système de pompe à chaleur? 21. Quels sont les paramètres les plus importants pour examiner les conditions de fonctionnement d une pompe à chaleur, et comment peuvent-ils être calculés/estimés? 22. Surchauffe : quelles sont les valeurs courantes de surchauffe? Dans quelles étapes du cycle de la pompe à chaleur se produit la surchauffe? Quel est le risque d une surchauffe trop faible et comment réagit la vanne de détente en cas de surchauffe trop faible? 23. Sous-refroidissement : quelles sont les valeurs courantes de sous-refroidissement? À quel moment du cycle de la pompe à chaleur est-il important que le fluide frigorigène soit sous-refroidi? Quelles peuvent être les raisons d un sousrefroidissement trop faible ou trop élevé? 24. Température de refoulement du compresseur : quelles sont les valeurs normales pour la température de refoulement? Que pourrait-il se passer si la température de refoulement devenait trop élevée et quelle pourrait être la raison d une température de refoulement trop élevée? 25. Exemple : Sur une installation fonctionnant au R 134a, les mesures suivantes sont prises : Température de réfrigération dans le condenseur t c = 50.0 C Température de réfrigération dans l évaporateur t 0 = 4.0 C Température du fluide frigorigène à la sortie de l évaporateur t 1 = 10.0 C Température du fluide frigorigène à l entrée du compresseur t 1 = 16.0 C Température de refoulement du compresseur t 2 = 80.0 C Sous-refroidissement 4 K Les valeurs suivantes sont demandées : a) la représentation du cycle dans un diagramme enthalpique b) la température du fluide frigorigène à l entrée de la vanne de détente c) la chaleur extraite à partir d 1 kg de fluide frigorigène dans l évaporateur d) la température du gaz surchauffé dans le compresseur (en supposant une compression isentropique) e) la teneur en vapeur du fluide frigorigène à l entrée de l évaporateur f) le coefficient de performance (COP) à ce point du processus g) la chaleur spécifique transférée au système de chauffage 94 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

95 95 PROJET EU-CERT.HP CHAPITRE 7 : SYSTEMES DE DISSIPATION DE LA CHALEUR ET INTEGRATION DU SYSTEME HYDRAULIQUE Dans cette section, les compétences fondamentales pour la certification d Installateur de pompe à chaleur de l UE sont : Valeurs typiques des besoins thermiques des différents types de bâtiment par m², détermination des besoins thermiques de bâtiments existants en fonction de la consommation d énergie, détermination de la puissance thermique nécessaire pour la production d eau chaude sanitaire Détermination de la capacité de la pompe à chaleur en fonction des besoins thermiques du bâtiment en chauffage et en production d eau chaude, de la masse de stockage du bâtiment et de l alimentation interruptible en courant Connaissances dans le domaine des dispositifs de sécurité (vase d expansion, vanne de sécurité, manomètres, thermomètres, commande de la température, dispositif de limitation de la température) du côté de l alimentation pour les systèmes de pompes à chaleur, les différences entre les dispositifs de sécurité pour les pompes à chaleur et pour les systèmes conventionnels selon les normes nationales/européennes Température d alimentation : influence de la température d alimentation du système de chauffage sur l efficacité de la pompe à chaleur et d autre part sur la consommation d énergie Dissipation de la chaleur : (chauffage par le sol, chauffage par les murs, radiateurs, air) : besoins particuliers des systèmes de pompes à chaleur par comparaison avec les systèmes conventionnels, avantages et inconvénients Possibilités de refroidissement avec les pompes à chaleur : refroidissement actif et passif avec les pompes à chaleur, fonctionnement et intégration des systèmes réversibles Réservoir tampon : quand un tampon est-il nécessaire et pourquoi, détermination de son volume Intégration hydraulique : schémas hydrauliques classiques des différentes pompes à chaleur avec chauffage par le sol, radiateurs ou ventilation contrôlée, avec ou sans production d eau chaude, avec ou sans réservoir tampon, intégration d un second système de chauffage (chaudière à mazout, à biomasse, solaire, etc.) Schémas hydrauliques avec hybrides (par ex., chauffage par le sol + radiateurs,etc.) : standardisation, conception et dimensionnement des réseaux hydrauliques, système avec radiateur basse température et système avec réservoir accumulateur Obligatoire Obligatoire Obligatoire Obligatoire Obligatoire Important Obligatoire Obligatoire Obligatoire Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 95 / 262

96 96 1 Détermination des besoins thermiques du bâtiment Avant d installer une pompe à chaleur, il est particulièrement important que la taille soit appropriée. Les appareils surdimensionnés entraînent des coûts d installation élevés ainsi qu une durée de vie réduite pour le système. Les besoins thermiques des nouveaux bâtiments sont déterminés selon les normes nationales ou des procédures de calcul conformes à la norme européenne EN («Systèmes de chauffage dans les bâtiments Méthode de calcul de la charge calorifique nominale»). Les besoins thermiques doivent être calculés à une température nominale exigée par les directives nationales. L expérience montre que les valeurs sont généralement les suivantes : (charge calorifique W/m 2 ): Bâtiments anciens plus de 75 W/m 2 Bâtiments anciens avec une bonne isolation 75 W/m 2 Bâtiments neufs avec une bonne isolation 50 W/m 2 Maisons à bas profil énergétique 30 W/m 2 ou moins Figure 7.1 les besoins thermiques dans les bâtiments résidentiels dépendent de la date de construction (selon les directives allemande) Les besoins en chauffage dépendent de la situation géographique (région nord/sud, littoral ou montagne), de la position (ville ou village/maison isolée), des vents et de bien d autres caractéristiques locales. Pour les bâtiments existants, la consommation d énergie (mazout domestique, gaz naturel) des années précédentes est parfois un meilleur indicateur de la charge calorifique que les besoins en chauffage théoriques par m 2 ou m 3. Calcul des besoins thermiques des bâtiments existants Les besoins thermiques des bâtiments existants peuvent également être calculés à partir de la consommation annuelle (a) de mazout domestique ou de gaz naturel en utilisant la formule suivante. Q Q Besoins énergétiques[kwh/(m².a)] H H Bâtim ents anciens Consommation de gaz naturel m [ ] = Consommation de = 250 l [ ] a kw a kw fuel Bâtim ents pos térieurs à 1984 l [ ] a 3 m [ ] a Bâtim ents pos térieurs à 1995 bes oins énergétiq ventilation bes oins énergétiq chauffage bes oins énergétiq l'eau chaude s anit 96 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

97 97 PROJET EU-CERT.HP Le facteur 250 est basé sur la puissance calorifique, l efficacité (le type) de la chaudière, les heures d exploitation et la durée de la période d utilisation annuelle. Ce facteur doit donc être considéré comme un ordre de grandeur qui dépend beaucoup de la durée annuelle de fonctionnement, et doit donc être utilisé avec prudence. Une étude des besoins thermiques reste préférable comme dans le cas du neuf 2 Détermination de la capacité de la pompe à chaleur La capacité de la pompe à chaleur est déterminée à partir de l énergie de chauffage nécessaire à la température extérieure de consigne. Les besoins thermiques du bâtiment représentent la majeure partie de la chaleur nécessaire. La production de l eau chaude sanitaire et la disponibilité de la pompe à chaleur doivent également être considérées Prise en considération de la disponibilité Certains fournisseurs d électricité proposent des tarifs spéciaux pour les pompes à chaleur, qui imposent des restrictions de disponibilité de la pompe à chaleur pendant les périodes de pointe de la consommation électrique (par ex. en éteignant la pompe à chaleur durant 3 périodes x 2 heures par jour). Cela signifie qu il ne faut pas supposer une disponibilité complète de la pompe à chaleur et qu il est important d augmenter la capacité de la pompe à chaleur pour compenser les interruptions de service. La capacité thermique nécessaire de la pompe à chaleur peut être calculée à l aide de la formule suivante : Puissance calorifique requise de PAC = charge calorifique [ kw] [ h] 24 Disponibilité Disponibilité = 24h (durée maximale du temps d interruption x fréquence par jour) Prise en considération du chauffage de l eau chaude sanitaire Si l eau chaude sanitaire est également chauffée par la pompe à chaleur, la capacité thermique de la pompe à chaleur augmente d environ 0.25 kw par personne (pour une maison individuelle isolée). C est une règle qui repose sur l expérience de l installateur Capacité thermique de la PAC La puissance calorifique de la pompe à chaleur peut être calculée de la manière suivante : P = P + P + P H H,chauffage H,eau chaude H,add [ h] Le dernier élément de l équation ( P H,add ) représente la réserve de puissance calorifique, que l on suppose généralement équivalente à 10-20% environ de la puissance calorifique totale ; en France, le guide AFPAC préconise 20%. Elle couvre les pertes de dissipation de chaleur et permet également à la maison d être chauffée à nouveau dans un délai raisonnable à partir d une température basse. Ou bien, la pompe à chaleur peut être dimensionnée de manière plus stricte sur le chauffage et l eau chaude, avec la charge calorifique de réserve fournie par un appoint électrique, puisqu elle n est requise que pendant de brèves périodes occasionnelles. Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 97 / 262

98 98 A partir des règles techniques établies en France (guides AFF-AFPAC/COSTIC/EDF) : Pour dimensionner le générateur, il convient de calculer les déperditions à la température extérieure de base : D (Text base) = Dp x (19 - Text base) Dp = Ubat x Sdép + R x Vh avec : Dp: coeff déperditions bâtiment [W/K] Ubat: coeff déperditions parois du bâti [W/m²K] Sdép: Σ des surfaces parois déperditives [m²] Vh: volume habitable zone traitée [m 3 ] R: coeff fct type de ventilation - VMC autoréglable : R = 0,2 - VMC hygroréglable A : R = 0,14 - VMC hygroréglable B : R = 0,12 a) PAC air extérieur / eau PAC + PCR : Le dimensionnement est réalisé en mode chaud : 0,6 D < PAC < 0,8 D (règle applicable jusqu'à Text = -10 C, limite fct PAC) PAC + UTE : Zone H1 : Le dimensionnement est réalisé en mode chaud : 0,6 D < PAC < 0,8 D Zone H2 + H3 : Le dimensionnement est réalisé en mode froid pour 100 % des charges d été puis on vérifie que P calo > 0,6 D. Dimensionnement de l appoint Si T arrêt PAC < Text base - 5 [ C], P(PAC + appoin t) = 1,2 D Si T arrêt PAC Text base, P(appoint) = 1,0 D Si T arrêt PAC > Text base, P(appoint) = 1,2 D b) PAC géothermales Générateur individuel eau glycolée/eau ou sol/eau 0,8 D < PAC < 1,2 D PAC + appoint = 1,2 D Générateur individuel sol / sol PAC = 1,2 D b) PAC air extérieur / air intérieur Dito PAC air extérieur / eau avec UTE La puissance électrique de la pompe à chaleur est déterminée à partir des données du fabricant pour différents niveaux de température et pour une puissance calorifique choisie. La puissance frigorifique de la pompe à chaleur est importante pour l agencement de la source de chaleur. Elle peut être calculée comme la différence entre la puissance calorifique et la puissance électrique à la température pertinente (température minimale à la source de chaleur et température d alimentation maximale du système de chauffage ; par ex., B0/W35 pour les systèmes à eau glycolée). 98 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

99 99 PROJET EU-CERT.HP 3 Sécurité du côté alimentation Le côté alimentation représente le système de chauffage (réseau de dissipation et éléments de chauffage) reliés aux pompes à chaleur. Les exigences de sécurité doivent respecter la norme européenne EN («systèmes de chauffage dans les bâtiments : conception des systèmes de chauffage à base d eau») ou les normes et réglementations nationales équivalentes. Bien que la norme EN soit essentiellement destinée aux systèmes de chauffage avec chaudières, elle définit les exigences minimales pour les principaux composants, commandes et indicateurs de tous les systèmes de chauffage en circuit fermé : Soupape de sécurité Vase d expansion Dispositif de limitation de la température (pour le chauffage par le sol) Régulation de la température Thermomètre du côté alimentation et du côté retour de la chaleur Manomètre 4 Températures d alimentation 4.1 Configuration de la température d alimentation du système de chauffage Bâtiments neufs : Le système de chauffage doit être dimensionné de manière à ce que les températures d alimentation soit maintenues aussi basses que possibles afin d optimiser le rendement. Par conséquent, des émetteurs de chaleur de grande surface tels que le chauffage par le sol ou par les murs sont préférables. Les températures d alimentation doivent généralement être inférieures à 55 C pour permettre l utilisation de pompes à chaleur conventionnelles. L influence de la température d alimentation sur le facteur de performance saisonnier du système est illustrée dans la Figure 7.2. Influence de la temperature d'alimentation du systeme de chauffage sur lespf de la pompe à chaleur 5 4 SPF 3 nappe 2 phréatique sol temperatures d'alimentation Air Figure 7.2 Influence de la température d alimentation du système de chauffage sur le SPF de la pompe à chaleur Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP 99 / 262

100 100 L influence de la température extérieure sur le rendement de la pompe à chaleur air/eau est illustrée dans la Figure 7.. Vous pouvez voir comment le COP de la pompe à chaleur en mode chauffage diminue avec la baisse des températures extérieures et de quelle manière le COP de la pompe à chaleur en mode refroidissement diminue avec l augmentation des températures extérieures. Dans les deux cas, la raison de la diminution du rendement est l augmentation de la différence de température entre le système d émission et la source de chaleur. Par conséquent, il est important de toujours maintenir les températures de l émetteur et de la source de chaleur aussi proches que possible pour obtenir des systèmes très efficaces, mais en veillant à garder un température acceptable dans les pièces. 8 6 chauffage de l eau à 35 C chauffage de l eau à 55 C réfrigération de l eau à 7 C COP (pour PAC) Figure 7.3 Influence de la température extérieure et de la température de l eau chaude sur le COP (R134a) Bâtiments existants : Température extérieure [ C] Dans le cas des bâtiments existants, la température d alimentation du système en place est souvent bien plus élevée que nécessaire pour couvrir les besoins en chaleur du bâtiment. Ce n est pas un problème pour les chaudières conventionnelles, mais si la chaudière conventionnelle est remplacée par une pompe à chaleur, il est essentiel que la température d alimentation soit aussi basse que possible pour atteindre un rendement maximal et réduire les coûts d exploitation et les émissions, mais en veillant à garder un température acceptable dans les pièces.. Deux méthodes permettent de savoir si le système de chauffage est compatible avec l utilisation d une pompe à chaleur et de connaître la température d alimentation nécessaire pour assumer les besoins thermiques du bâtiment à la température extérieure nominale. Le choix de la méthode dépend de la connaissance ou non de la charge calorifique nécessaire pour chaque pièce. Version A Lorsque la déperdition thermique par pièce est connue : Si la déperdition thermique nécessaire par pièce est connue (la valeur doit être réaliste), il est possible de calculer la température d alimentation nécessaire pour transférer la chaleur requise vers la pièce en utilisant les émetteurs de chaleur en place. Cela est important car les systèmes de chauffage existants sont souvent surdimensionnés et pourraient fonctionner dans certains cas à des températures d alimentation inférieures, plus appropriées à l utilisation d une pompe à chaleur. Premièrement, la charge calorifique des pièces et des radiateurs dans toutes les pièces doit être relevée le tableau ci-dessous peut servir à cet effet : 100 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

101 101 EU-CERT.HP Pièces Radiateurs existants Radiateurs à colonnes (fonte ou acier) hauteur [mm] profondeur [mm] nombre de colonnes Radiateurs à panneau d acier hauteur [mm] largeur [mm] Simple ou double Autres puissance calorifique à / en W coefficient de conversion de / à puissance calorifique à 50/40 60/50 50/40 60/50 besoins d alimentation de la pièce (d après le calcul de la charge calorifique) excédent /déficit calorifique en W (puissance calorifique besoins d alimentation) les radiateurs existants sont suffisants oui non Exemple de pièce W (à 90/70) Tableau 7.1 Relevé du système de chauffage existant en mode monovalent 3,14 (de 90/70 à 50/40) ,0 X Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

102 102 Ensuite, il faut déterminer la puissance nominale des radiateurs existants à la température d alimentation/de retour nominale (par ex., 90/70 t m =80 C ; ou par ex., 80/60 t m =70 C). On peut la trouver dans les fiches techniques des fabricants de radiateurs ou dans les tableaux suivants (par ex., Tableau 7. les tableaux d autres types de radiateurs sont inclus dans le chapitre 11 Procéder à l évaluation d un site). Exemple de pièce (voir Tableau 7.) : un radiateur à colonnes en fonte 980x160 comportant 30 colonnes, température d alimentation/de retour 90/70 à la température extérieure nominale 204W/section (voir Tableau 7.2 ) 204W x 30= 6120W (90/70) le coefficient de conversion à 50/40 est 3,14 (Tableau 7.) déficit calorifique de 51W seulement les radiateurs existants sont suffisants. Radiateur à colonnes (fonte) Hauteur mm Profondeur mm puissance calorifique par panneau ; à une température de l eau moyenne t m 60 C C C Tableau 7.2 Puissance calorifique des radiateurs à colonnes en fonte (à une température de la pièce de 20 C selon DIN 4703) Ensuite, la puissance des radiateurs lorsqu ils sont utilisés avec de basses températures d alimentation peut être déterminée à l aide des coefficients de conversion du Tableau 7.. Temp. d alimentation Temp. de la Température de retour C pièce ,36 1,97 1,17 1,53 1,38 1,27 1,17 1,1 22 2,13 1,81 1,59 1,43 1,31 1,2 1,12 1, ,94 1,68 1,49 1,35 1,24 1,14 1, ,78 1,58 1,4 1,27 1,17 1,09 1,02 0, ,47 2,85 2,44 2,15 1,94 1, ,07 2,58 2,24 2,15 1,81 1, ,75 2,35 2,07 1,85 1,69 1, ,49 2,15 1, ,59 1, ,85 3,14 2,68 2,36 2, ,38 2,82 2,45 2,18 1, ,01 2,56 2,24 2,02 1, ,71 2,34 2,07 1,87 1, ,32 3,5 2,98 2, ,76 3,12 2,7 2, ,32 2,82 2,46 2,2 18 2,97 2,56 2,26 2, ,92 3,97 3, ,24 3,51 3, ,72 3,14 2, ,3 2,83 2,52 Tableau 7.3 Coefficients de conversion de radiateur (valables pour les radiateurs à colonnes et les radiateurs à panneaux d acier ; non valable pour les ventilo-convecteurs et le chauffage par le sol ou par les murs) 102 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

103 103 EU-CERT.HP En utilisant cette méthode, il est possible de déterminer la température d alimentation possible minimale nécessaire pour répondre aux besoins en chauffage de chaque pièce. La pièce dans laquelle la température d alimentation la plus élevée est nécessaire donne la température d alimentation minimale pour le système de chauffage. Si une ou deux pièces seulement nécessitent des températures d alimentation supérieures, alors les radiateurs de ces pièces doivent être agrandis pour permettre une diminution de la température d alimentation. La performance du système de la pompe à chaleur sera améliorée, et des économies d énergie seront réalisées pendant l exploitation. Cependant dans les bâtiments existants, il est rare que les radiateurs existants aient une surface suffisamment importante pour assurer le chauffage avec une pompe à chaleur classique il faut alors : o Soit utiliser une PAC haute température o Soit remplacer les radiateurs existants par des radiateurs plus grands, mais ce n est pas toujours souhaité par les habitants o Soit renforcer l isolation thermique, mais les habitants sont souvent réticents à se lancer dans de tels travaux Version B - Détermination expérimentale des températures d alimentation nécessaires : Pendant la saison de chauffe, les vannes thermostatiques de toutes les pièces doivent être ouvertes et la température d alimentation des systèmes de chauffage doit être réduite petit à petit jusqu à ce que la température désirée dans la pièce (par ex., C) soit atteinte dans des pièces représentatives. Puis la température d alimentation, les températures extérieures, les températures de la pièce doivent être relevées. La température d alimentation et la température extérieure doivent être tracées sur un graphique du type de la Figure Ce graphique permet de déterminer le niveau de température nécessaire pour le système de chauffage. 80 Système à haute temperature (>65 C) Temperature 70 d alimentation [ C] Système f à temperature moyenne (55 C - 65 C) Système à basse temperature (<55 C) Exemple : -6 C température extérieure 46 C température d alimentation système à basse température Température extérieure [ C] Figure 7.25 : Schéma de détermination expérimentale des températures réellement nécessaires pour le système Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

104 104 Les résultats possibles de l évaluation sont les suivants : Système à basse température l emploi d une pompe à chaleur est possible sans contraintes Système à température moyenne emploi d une pompe à chaleur à haute température emploi d une pompe à chaleur bivalente (voir informations dans le chapitre Mode de fonctionnement et commande) Système à haute température : emploi d une pompe à chaleur bivalente (voir informations dans le chapitre Mode de fonctionnement et commande) Cette méthode est cependant peu pratique à mettre en ouvre chez les particuliers 5 Dissipation de la chaleur 5.1. Système de chauffage par le sol Le chauffage par le sol est un système très confortable, car il chauffe l atmosphère (l air) à travers le sol, ce qui permet une répartition quasi-optimale de la température (Figure 7.26). Figure 7.26 : Répartition idéale de la température (à gauche), répartition de la température par un plancher chauffant (à droite) Les températures pour le chauffage par le sol sont définies dans la norme EN La température maximale de la surface du sol ne doit pas dépasser 29 C dans la surface d habitation. Dans certaines zones particulières seulement, présentant des pertes de chaleur élevées, comme à proximité des murs extérieurs, des grandes fenêtres ou des portes et dans la salle de bain, la température peut atteindre 35 C. Cela peut être obtenu avec la même température du fluide caloriporteur avec une densité supérieure de tuyaux dans le sol (Figure 7.). Les systèmes de planchers chauffants présentent une masse thermique élevée et stockent d importantes quantités d énergie calorifique. Une augmentation soudaine de la température est impossible. En revanche, les effets des interruptions temporaires de l alimentation pour moduler le tarif de la pompe à chaleur ne sont pas ressentis par les occupants. 104 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

105 105 EU-CERT.HP Figure 7.6 : Plancher chauffant ( Lors de la conception d un système de chauffage par le sol, les points suivants ne doivent pas être négligés : La différence de température entre l entrée et la sortie ne doit pas dépasser 5 C Le mobilier et les tapis peuvent entraver l efficacité du chauffage lorsqu ils sont disposés de manière incorrecte La conductibilité des matériaux du sol (Tableau 7. ) La longueur d un tuyau unique ne doit pas dépasser 100 mètres il est recommandé que chaque pièce possède son propre circuit de chauffage Les circuits de chauffage doivent être reliés à un manifold assurant l équilibre du système hydronique et le réglage de la température Il doit être possible de vidanger chaque circuit de chauffage Le débit dans chaque circuit doit être réglé lors de la mise en service du système Le chauffage initial du sol doit être effectué conformément aux instructions du fabricant Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

106 106 Le système se compose d un ensemble d éléments devant être appliqués sur un plancher porteur. Revêtement de sol Bande d isolation périphérique Dalle Tube chauffant Couche de protection Couche d isolation Plancher porteur Figure 7.7 : Coupe type d un plancher chauffant selon le principe de dalle désolidarisée Le réseau de tubes peut être en cuivre recuit ou en matériaux de synthèse. Le tube doit partir du distributeur (collecteur de départ) et être raccordé au collecteur de retour sans interruption. Les tuyaux intégrés dans le sol ont un diamètre généralement compris entre 16 (10) et 25 mm et sont espacés de 80 à 350 mm. En France, le guide AFPAC préconise une fourchette plus réduite : 50 à 200 mm (au delà le confort peut s en ressentir). Ils sont fabriqués en polyéthylène de densité élevée, polybutylène ou composites métal/plastique multicouches. Les tuyaux en polyéthylène doivent être fabriqués conformément à la norme EN (Systèmes de canalisations en plastique pour les installations d'eau chaude et froide. Polyéthylène réticulé (PE-X)) aptes à supporter 10 bar et 110 C. Pour éviter des pertes de charge trop élevées et un déséquilibre trop important dans le réseau, il est conseillé de limiter la longueur des tubes de diamètre 16 x 1,5 [mm] (soit un diamètre intérieur de 13 [mm]) à 100 [m] environ (120 m MAXI). Il est important que le matériau des tuyaux en polyéthylène intègre une barrière physique contre l oxygène afin de réduire le taux du transfert d oxygène et la corrosion consécutive des parties métalliques du système. Le plancher chauffant La bonne conception d un plancher chauffant repose sur plusieurs éléments que nous décrivons ci-après : température limite de surface à 28 [ C](arrêté fran çais du 23 juin 1978). température de départ de l ordre de 35 [ C] à 40 [ C] avec un maximum à 45 [ C]. température d eau maximale de 55 [ C] (dispositif d e limitation à réarmement manuel). résistance thermique du revêtement de sol < 0,15 [m².k/w] (y compris isolation acoustique éventuelle située au-dessus du tube) émission d un plancher chauffant égale aux déperditions nominales de la pièce, pour la température extérieure minimale de base, calculées à l aide de la norme européenne. dimensionnement (pas de pose, ) des planchers chauffants à dalle flottante réalisé selon la norme NF EN dimensionnement des planchers chauffants à dalle pleine (non traités dans NF EN 1264) est effectué selon la méthode COSTIC. 106 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

107 107 EU-CERT.HP Le plancher chauffant - rafraîchissant Les règles de conception du plancher chauffant sont applicables avec des spécifications précises à respecter pour le mode rafraîchissement. En particulier : Pour les planchers réversibles, les chapes anhydrites ne sont pas autorisées sauf A. T. explicite. De même les planchers réversibles en dalle pleine ne sont pas utilisés. température de surface de l ordre de 23 [ C] des boucles spécifiques doivent permettre d alimenter les salle de bains et cuisine en mode «froid». température minimale de départ selon CPT (Cahier des Prescriptions Techniques sur la conception et la mise en œuvre des planchers réversibles à eau basse température. Zone géographique Température de départ [ C] Zone côtière de la manche, de la mer du nord et de 19 l océan atlantique au nord de l embouchure de la Loire. Largeur 30 km. Zone côtière de l océan atlantique au sud de 20 l embouchure de la Loire et au nord de l embouchure de la Garonne. Largeur 50 km Zone côtière de l océan atlantique au sud de 21 l embouchure de la Garonne. Largeur 50 km. Zone côtière méditerranéenne - Largeur 50 km. 22 Zone intérieure. 18 Tableau 7.4 : Températures minimales de départ d eau dans un plancher rafraîchissant température minimale de sécurité de 12 [ C] (dispos itif réarmement manuel) résistance thermique au-dessus du tube < 0,13 [m².k/w], celle des revêtements de sol y compris l isolation acoustique éventuelle, situés au-dessus des éléments chauffants, étant limitée à 0,09 [m².k/w] et celle de la dalle proprement dite à 0,04 [m².k/w]. Toute offre de plancher chauffant - rafraîchissant existante ou à venir doit s appuyer : soit sur une Appréciation Technique d Expérimentation (ATEX) ou un Avis Technique système visant explicitement les revêtements de sol, colles et chapes compatibles avec cette application, soit sur une Appréciation Technique d Expérimentation ou un Avis Technique composant (colle / revêtement / chape) dont le domaine d emploi est favorable au plancher chauffant rafraîchissant, soit sur une police d assurance spécifique couvrant les risques inhérents à cette technique. Enfin, à titre complémentaire, le CPT des planchers réversibles à eau basse température préconise uniquement à l heure actuelle : Les carreaux céramiques, dalles de pierre calcaire et éléments de granit. Les dispositions prévues dans le CPT «Revêtement de sol en carreaux céramiques ou analogues collés au moyen de mortiers- colles» (cahier du CSTB n 2478) doivent être appliquées. Les revêtements plastiques titulaires de la marque NF- UPEC. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

108 108 Matériau épaisseur (mm) conductibilité λ (W/(m K)) Carreaux de céramique 13,0 1,05 0,012 Marbre 30,0 2,1 0,014 Pierre naturelle (carreaux) 20,0 1,2 0,017 Moquette 7,0 0,07 0,1 Linoléum 2,5 0,17 0,015 Revêtement en matériau 3,0 0,23 0,011 synthétique Matériaux en PVC, vinyle 2,0 0,20 0,010 Parquet lamelles sur chant 8,0 0,21 0,038 chêne Parquet traditionnel chêne 22,0 0,21 0,105 Liège 11,0 0,09 0,129 Stratifié 9,0 0,17 0,044 résistance à la chaleur (m 2 K/W) Tableau 7.5 : Conductibilité et résistance à la chaleur de quelques matériaux de plancher Il est important que le matériau des tuyaux en polyéthylène intègre une barrière physique contre l oxygène afin de réduire le taux du transfert d oxygène et la corrosion consécutive des parties métalliques du système. Avantages Dissipation de la température presque idéale Le plancher chauffant convient particulièrement aux systèmes de pompes à chaleur car il n exige pas de températures de fonctionnement élevées ce qui signifie un meilleur COP pour la pompe à chaleur. Avantage esthétique et gain de place dans la pièce, car il n y a pas besoin de radiateurs. Les faibles différences de température entre la surface du sol et l air réduisent les courants d air Pas de sensation de pieds froids grâce à la stratification. Les températures de l air nécessaires pour assurer le confort sont plus fraîches (environ 1-2 K) que pour les systèmes à radiateurs. Ceci s explique car la température radiante moyenne (et donc la température sèche qui en résulte) dans la pièce est supérieure aux systèmes de radiateurs, qui ont une surface bien plus réduite. Les systèmes de chauffage sous le plancher sont par nature plus sûrs que les systèmes conventionnels de radiateurs, en particulier pour les enfants et les personnes âgées, puisque le risque de brûlure par contact accidentel prolongé avec des surfaces chaudes est inexistant. Inconvénients Coûts d investissement supérieurs Le déplacement du mobilier ou le remplacement du matériau du plancher peuvent modifier la puissance calorifique. Il est presque impossible de changer ultérieurement le système de dissipation de la chaleur Lent à réagir aux changements soudains du signal de commande. 108 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

109 109 EU-CERT.HP 5.2. Systèmes de chauffage par les murs ( peu utilisés en France) Le chauffage par les murs procure également un confort agréable grâce à la chaleur des murs. Ce mode de chauffage est souvent employé en combinaison avec un plancher chauffant, lorsque la surface du sol est trop petite pour générer la puissance nécessaire, ou dans le cadre d une rénovation, lorsque le niveau du sol ne peut être facilement rehaussé ou que le sol existant doit être conservé. En principe, il existe deux formes distinctes de chauffage par les murs. Le chauffage par les murs avec liaison thermique avec le mur : Dans ce cas, les tuyaux du système de chauffage par les murs sont directement montés sur le mur non plâtré. Ensuite, ils sont recouverts d un plâtre spécial à la conductibilité thermique élevée, insensible au mouvement des tuyaux causés par les cycles de température. Ce type de système active une importante masse thermique et permet une accumulation importante d énergie calorifique dans les murs. Ce système présente des caractéristiques similaires aux systèmes de chauffage par le sol. Ce type de système de chauffage par les murs est souvent utilisé pour : les cloisons entre des pièces chauffées les murs extérieurs à faible conductibilité thermique (coefficient k <0.3 W/m²K) les murs humides en raison de problèmes physiques dans le bâtiment (c est-à-dire sécher les murs) convient aux pièces qui sont chauffées/utilisées en permanence Figure 7.8 : Exemple de système de chauffage par les murs avec liaison thermique avec le bâtiment ( Le chauffage par les murs sans liaison thermique avec le mur : Dans ce cas, il y a une isolation thermique entre le mur et les tuyaux de chauffage. La masse thermique du mur est découplée des systèmes de chauffage et ne peut être utilisée stocker la chaleur. D autre part, cela signifie que la pièce peut être chauffée relativement rapidement en fonction de la taille de la pompe à chaleur. Ce type de système de chauffage par les murs est souvent utilisé pour : les murs extérieurs à conductibilité thermique élevée (coefficient k >0.3 W/m²K) le chauffage rapide des pièces (occupation intermittente résidence secondaire) les pièces qui ne sont pas souvent chauffées les constructions en cloisons sèches Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

110 110 Figure 7.9 : Exemple de système de chauffage par les murs sans liaison thermique avec le bâtiment ( Il faut veiller à ce que le mobilier, les tableaux et autres objets ne restreignent pas la puissance calorifique en obstruant la surface de chauffage. Les spécifications techniques du chauffage par les murs sont identiques au chauffage par le sol. Le même système, dans certaines circonstances, peut également être utilisé pour le refroidissement. Toutefois, si les températures de surface sont trop faibles, la possibilité de condensation existe. Le système de régulation doit être conçu de manière à ce que la température du mur ne puisse pas descendre sous le point de rosée de l air de la pièce. Lors de la conception du système de chauffage par les murs, les points suivants ne doivent pas être négligés : Températures d alimentation comprises entre 25 et 40 C Limitation de la température d alimentation à 45 C maximum Différence de température entre l alimentation et le retour 5K Il est recommandé que chaque pièce possède son propre circuit de chauffage Les circuits de chauffage doivent être reliés à un collecteur Il doit être possible de vidanger chaque circuit de chauffage Le débit dans chaque circuit doit être réglé lors de la mise en service du système Les tuyaux doivent être recouverts de 10 mm de plâtre au moins (sur le point le plus élevé du tuyau) Le plâtre doit être renforcé La transmission thermique caractéristique en W/m² des systèmes de chauffage par les murs est indiquée dans le Tableau 7. Moyenne entre les températures d alimentation et de retour Production de chaleur en W/m² du système de chauffage par les murs en fonction de la température de la pièce , , Tableau 7.6 : Transmission thermique des systèmes de chauffage par les murs 110 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

111 111 EU-CERT.HP Avantages Température de rayonnement élevée les murs chauds sont agréables. Le chauffage par les murs convient aux systèmes de pompe à chaleur car il ne requiert pas de températures élevées COP supérieur. Inconvénients Peu de concepteurs et d entrepreneurs expérimentés Le déplacement du mobilier peut modifier la puissance calorifique Attention aux tableaux etc. sur le mur 5.3. Radiateurs Le chauffage par radiateurs demeure le système de chauffage le plus communément employé, en particulier dans les vieilles maisons. De nouveaux systèmes de radiateurs sont maintenant conçus pour fonctionner à basses températures. Pour remplacer des systèmes de chauffage traditionnels (chaudière) par du chauffage par pompe à chaleur, nous ne devons pas oublier que la température maximale fournie par une pompe à chaleur classique est 55 C et que l économ ie consentie par la pompe à chaleur diminue rapidement avec l augmentation de la température d alimentation. Avantages Les concepteurs et les chauffagistes connaissent bien les systèmes de chauffage par radiateurs L exécution est relativement peu onéreuse Il est possible de changer l emplacement ou la nature des radiateurs (taille, modèle) Inconvénients Les radiateurs requièrent des températures de fonctionnement élevées le COP de la pompe à chaleur est inférieur à celui avec les planchers chauffants La surface de radiateur nécessaire pour les systèmes à basse température doit être relativement importante et peut occuper une grande surface du mur Les surfaces de chauffage sont visibles et parfois inesthétiques Des températures plus élevées de la pièce sont nécessaires pour un confort agréable par comparaison avec le chauffage intégré dans le sol ou les murs La répartition de la température dans la pièce est moins idéale qu avec les systèmes de chauffage par le sol et par les murs Davantage de courants d air en raison d une différence de température plus élevée entre l air et la température d alimentation du système de chauffage a) Installation sur tube unique Ici, les tuyaux d alimentation et de retour des radiateurs sont reliés à un tube de chauffage unique. Ainsi, l eau de chauffage circule à travers les radiateurs en série. Par conséquent, la température d alimentation est différente pour chaque radiateur. Les radiateurs à l extrémité du tuyau doivent être plus gros qu au début pour fournir la même puissance en raison de la température inférieure. Ce système est fréquemment rencontré dans les systèmes de chauffage construits avant les années Les systèmes à tube unique ne conviennent généralement pas pour les pompes à chaleur conventionnelles. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

112 112 b) Installation sur bitube Figure 7.10 : Système à tube unique La distribution de la chaleur s effectue par un tuyau d alimentation et un tuyau de retour distincts. Chaque radiateur est relié à la fois au tuyau d alimentation de la chaleur et au tuyau de retour. Par conséquent, tous les radiateurs fonctionnent avec la même température d alimentation de l eau chaude. L installation sur bitube est très employée pour les systèmes de chaudières et de radiateurs. Il peut également être employé avec les pompes à chaleur, si la température d alimentation requise est inférieure à 55 C et s il y a un découp lage hydraulique entre le système de dissipation de la chaleur et la pompe à chaleur (par ex., un réservoir tampon). Un by-pass avec soupape de décharge est nécessaire lorsque des vannes thermostatiques sont employées ( en cas de fermeture simultanée de ces dernières). c) Installation sur collecteur Figure 7.11 : Installation sur bitube Dans le cas d une installation sur collecteur, le circuit comprend un collecteur d alimentation et un réservoir et chaque radiateur est branché entre le collecteur d alimentation et le réservoir. Ce système est populaire depuis l introduction des tuyaux en plastique dans les installations de chauffage. Il est répandu pour le chauffage par le sol et le chauffage par les murs, mais également pour les radiateurs. Ici aussi tous les radiateurs/serpentins du plancher chauffant fonctionnent avec la même température moyenne de l eau chaude. Ce système convient également pour l utilisation d une pompe à chaleur. Figure 7.12: Installation sur collecteur 112 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

113 113 EU-CERT.HP 5.4. Systèmes de chauffage par l air Le chauffage par l air conventionnel dans les maisons individuelles en Europe est moins répandu qu aux États-Unis. Les conduites de diffusion de l air sont plus volumineuses que les tuyaux de chauffage et sont plus complexes à concevoir et installer. Les sorties doivent être situées de manière à permettre une bonne diffusion en modes chauffage et refroidissement, et elles doivent être soigneusement conçues pour éviter les nuisances sonores. Une attention particulière doit être portée au chauffage près de surfaces froides (grandes fenêtres), où de la condensation peut se produire. La Figure 7. montre un exemple de système de chauffage couplé sur l air, qui convient également pour le refroidissement. Avantages Figure 7.13 : Principe d un système de chauffage par l air ( Pas de restrictions concernant l emplacement ou le déplacement du mobilier Le même système assure le refroidissement en été Inconvénients La température des murs est inférieure à la température de l air moins confortable que le chauffage intégré dans le sol Si une installation insuffisante est utilisée, la formation de condensation est possible (dans les angles des murs) Le mouvement de l air peut entraîner des courants d air dérangeants Une nuisance sonore peut se produire Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

114 Systèmes de chauffage à air extrait Avec l apparition des maisons très bien isolées et étanches (maisons à bas niveau énergétique), l importance du contrôle de la ventilation augmente. La principale fonction des systèmes de chauffage et de refroidissement à évacuation à air extrait consiste à fournir à la maison un important volume d air frais et à récupérer l énergie de l air extrait. Ces systèmes sont également couplés sur l air mais ne sont pas exactement comparables aux systèmes de chauffage et de refroidissements couplés sur l air employés aux États-Unis. Les systèmes à air extrait peuvent être employés avec des systèmes de chauffage additionnels hydroniques (à base d eau) et la fonction de refroidissement est souvent un système de refroidissement passif très écoénergétique. Dans quelques cas seulement, lorsque les besoins en énergie de la maison sont très faibles (et donc que le débit d air nécessaire est très bas), l ensemble des besoins en chauffage seront couverts par le système de ventilation Systèmes combinés De nos jours, de nombreux propriétaires particuliers décident d associer le chauffage par le sol (salles de bain et entrée) avec des radiateurs. Davantage de détails sont fournis dans le chapitre 0.) Avantages Le système est adapté aux désirs du client Il est possible de profiter des avantages des deux systèmes de chauffage pour chaque pièce Inconvénients Régulation plus compliquée Perte de performance toute l eau de chauffage doit être par exemple être à 50 C, au lieu des 35 C seulement qui sont nécessaires pou r le chauffage par le sol (le COP de la pompe à chaleur est inférieur). 114 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

115 115 EU-CERT.HP 6 Possibilités de refroidissement avec les pompes à chaleur 6.1 Refroidissement passif Le refroidissement passif se distingue du refroidissement actif par l absence de compresseur frigorifique, puisque l effet de refroidissement repose sur l utilisation d un émetteur de froid naturel comme le sol ou l air nocturne. Refroidissement du bâtiment Refroidissement passif - Utilisation d un émetteur de refroidissement naturel - sol frais / air nocturne frais - utilisation des effets de stockage Refroidissement actif - utilisation d un compresseur frigorifique Figure 7.13 : Différence entre le refroidissement passif et actif L effet de refroidissement à l intérieur est obtenu à partir de la circulation de l eau froide présente dans le système de chauffage par le sol ou par les murs plutôt que par climatisation/circulation d air, comme dans les systèmes conventionnels de climatisation. Les murs refroidis absorbent la chaleur dégagée par la pièce et ses occupants par convection et rayonnement. La chaleur absorbée est dissipée vers des émetteurs de froid naturels, par exemple des échangeurs de chaleur couplés avec le sol ou l air nocturne. Hormis le fonctionnement des pompes de circulation, aucune alimentation supplémentaire n est nécessaire. L illustration suivante présente les modes de fonctionnement d une pompe à chaleur saumure/eau : chauffage production d eau chaude sanitaire Refroidissement. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

116 116 Chauffage Eau chaude Refroidissement Figure 7.14 : Modes de fonctionnement possibles : chauffage eau chaude refroidissement La forme passive de refroidissement par la surface possède les avantages suivants : Les coûts d investissement sont à peine supérieurs à ceux des systèmes sans refroidissement passif Il n y a pas de coûts additionnels à l installation du chauffage par le sol ou par les murs Avantages climatiques et de confort sur les systèmes de climatisation. Comme l échange d énergie entre les individus et la surface de refroidissement repose essentiellement sur un rayonnement important, la surface de refroidissement fournit de bonnes conditions pour un climat confortable dans la pièce, car il n y a pas de courants d air, et par conséquent pas de formation de poussière. Avantages économiques : faibles coûts d investissements et faibles coûts d exploitation Avantages écologiques : alternative de refroidissement favorable pour l environnement puisque seules une vanne 3 voies et une pompe de circulation fonctionnent aucune énergie supplémentaire n est consommée pour la production d air froid. Puissance frigorifique : jusqu à approx. 35 W/m² à une température du sol de 20 C minimum et une température de la pièce de 25 C Dans les bureaux, l expérience montre que 70 80% de la charge frigorifique peut être couverte par refroidissement passif l équilibre est assuré par un compresseur frigorifique conventionnel, dont les dimensions sont toutefois considérablement réduites. Inconvénients généraux du refroidissement par la surface : La température de surface ne doit pas chuter sous le point de rosée de l air intérieur car l humidité du mur ou des sols pourrait se condenser. Attention aux points froids qui se créent derrière les tableaux, sous les meubles, etc. Pour éviter le risque de condensation, veillez à ce que la température d alimentation ne soit pas inférieure au point de rosée. Des conditions défavorables peuvent entraîner la formation de points froids ou de courants d air sur le sol en raison de l air froid émanant des murs, phénomène qui doit être pris en considération lors de l agencement. 116 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

117 117 EU-CERT.HP Température de surface : Habituellement, le refroidissement des murs est assuré par des températures d alimentation de l eau froide entre +15 C à +19 C. La différence de température entre l alimentation d eau froide et le retour d eau froide est comprise entre 2 K et 3 K. La température de surface du mur dépend de la température d alimentation de l eau froide et de la construction du mur. Pour assurer le confort et empêcher la condensation, la température de surface du mur ne doit pas descendre en dessous de +18 C. Pour le ref roidissement de la pièce par le sol, la limite inférieure de la température de surface du sol est 20 C. Puissance frigorifique de l échangeur de chaleur enterré : Il faut considérer que l échangeur de chaleur enterré peut gérer une puissance frigorifique d environ 10 à 15 W / m². Surveillance du point de rosée : La teneur en humidité de l air ambiant dépend de l humidité de l air extérieur et de la charge d humidité à l intérieur (par ex., individus, etc.). Si les bâtiments sont équipés d une ventilation mécanique, la vapeur d eau produite par les individus est automatiquement évacuée par dans l air extrait. Ainsi, les installations dotée d une ventilation contrôlée limitent le risque de formation de rosée. L air doit être recyclé environ 0,5 fois par heure pour une surface d habitation classique. Cependant, même la ventilation de la fenêtre peut gérer l évacuation des charges d humidité de la pièce avec les taux de changement d air, qui peuvent osciller entre une et cinq fois par heure. Avec ce type de ventilation non continue, le risque de formation de rosée est plus élevé. La surveillance du point de rosée au moyen d un capteur de point de rosée (ou d humidité relative) est nécessaire dans les deux cas. Si l humidité relative de l air chute sous le seuil critique, la température d alimentation doit être augmentée pour empêcher la condensation de l humidité. 6.2 Systèmes réversibles Refroidissement actif Les pompes à chaleur réversibles peuvent être conçues pour assumer des charges spécifiques dans un mode de fonctionnement sélectionné (chauffage ou refroidissement). Il est possible d inverser le mode de fonctionnement de la pompe à chaleur réversible au moyen d une vanne quatre voies. application application source / sink source / sink Figure 7.15 : Pompe à chaleur réversible vanne d inversion quatre voies Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

118 118 7 Réservoir tampon Dans les situations suivantes, l installation d un réservoir tampon est nécessaire : Si le temps de fonctionnement minimum de la pompe à chaleur (généralement 5 à 10 minutes) ne peut être garanti par un autre moyen. Si le débit massique à travers la pompe à chaleur pourrait être significativement diminué grâce à des commandes intégrées dans le système (par ex, des vannes thermostatiques sur les radiateurs, des circuits de chauffage avec appoint pour commander la température d alimentation en cas de combinaison de radiateurs/circuits de chauffage par le sol) Pour pallier les longues durées d interruption requises par les tarifs de la pompe à chaleur Dans les systèmes air/eau avec un cycle réversible Le réservoir tampon est situé sur le côté froid ou chaud (aller ou retour) du système de chauffage. Il assure le bon fonctionnement de la pompe à chaleur sans démarrages fréquents du compresseur. Les fabricants de pompes à chaleur recommandent généralement d éviter que la pompe à chaleur redémarre dans les 5 à 10 minutes qui suivent une interruption, pour empêcher la génération de chaleur dans les enroulements du moteur. Cette restriction est parfois intégrée dans le logiciel de commande. Chauffage par le sol : Dans le cas du chauffage par le sol, la pompe à chaleur peut être interrompue pendant plusieurs heures sans perte de confort. Donc, il n y a pas besoin de réservoir pour le chauffage. De plus, dans les systèmes de chauffage par le sol, il n y a normalement aucun problème avec la fréquence de démarrage de la PAC, en raison de la faible réaction du système, grâce à masse de stockage élevée. Le temps de fonctionnement minimum de la pompe à chaleur peut être facilement atteint. Les seules situations dans lesquelles un réservoir tampon pourrait être utile sont les interruptions prolongées d approvisionnement de chaleur, et si la fonction d eau chaude sanitaire est assurée par le réservoir tampon. Radiateurs/ ventilo-convecteurs Dans le cas de radiateurs (ou ventilo-convecteurs), il est nécessaire de prévoir un réservoir tampon, car ici le débit massique dans la pompe à chaleur peut être fortement influencé par l utilisation des vannes thermostatiques, si bien que les temps de service minimaux de la pompe à chaleur ne pourraient être garantis. De plus, dans le cas d une alimentation interruptible de courant, le stockage de la chaleur dans un réservoir tampon est nécessaire car le système seul (les radiateurs) possède une capacité de stockage thermique limitée. Dimensionnement du réservoir tampon La taille et l emplacement du réservoir tampon pour le chauffage d une maison dépendent : des terminaux de chauffage : radiateurs, plancher chauffant ou ventilo-convecteurs du volume d eau des tarifs d électricité, pour limiter ou supprimer le chauffage pendant les périodes de tarifs d électricité élevés si une pompe à chaleur air/air a besoin de la chaleur du système de chauffage pour le dégivrage Le volume approximatif peut être calculé à l aide de la formule suivante : 118 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

119 119 EU-CERT.HP V P t = θ où V - volume du réservoir [l] P - charge calorifique [kw] t - période de temps minimale entre l arrêt de la PAC et le ou les démarrage(s) de la PAC θ - baisse de température dans le réservoir tampon pendant le temps t [ C] puissance calorifique spécifique de l eau [kj/kg. K] Supposons par exemple les écarts de température suivants : radiateurs θ = 10 C ventilo-convecteurs et planchers chauffants θ = 5 C. Si nous sélectionnons 10 minutes entre l arrêt et le démarrage, il est possible de calculer le volume du réservoir tampon par kw de charge calorifique: pour un radiateur : V/P ~15 l/kw pour un ventilo-convecteur : V/P ~30l/kW Un calcul similaire peut être effectué pour calculer la taille du réservoir tampon nécessaire pour les pompes à chaleur procurant des tarifs avantageux lorsque l alimentation électrique est interrompue. 8 Vase d expansion Même pour un système réversible, le dimensionnement est effectué sur la base du mode chauffage. La méthode de dimensionnement d un vase d expansion s effectue ainsi : Détermination de la pression initiale PI [bar] : C est la pression de gonflage du vase avant la mise en eau de l installation. C est soit la pression qui correspond à la hauteur statique, soit la pression minimale de fonctionnement. Détermination de la pression minimale à froid PR [bar] : PR = PI + 0,2 [bar] Détermination de la pression finale PF [bar] : PF = 0,9 x Pression de tarage des soupapes [bar]. Détermination du volume d expansion E [l] : Pour un fonctionnement maximum à 55 C, prendre E = 0,015 x volume de l installation. Détermination du rendement du vase R : (PF + 1) - (PR + 1) R = (PF + 1) Détermination du volume du vase V [l] : E V = R Le tableau suivant donne la contenance utile du vase d expansion pour une pression de tarage de soupape de 3 [bar] en fonction du volume d eau de l installation et de la pression initiale du vase. La pression du vase doit être égale à la pression de remplissage du réseau. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

120 120 Contenance maximale de l installation (l) Pression initiale Hauteur statique jusqu à (bar) 5 m 10 m 15 m 0,5 4 l / / 200 1,0 / 5 l / 1,5 / / 7 l 0,5 5 l / / 250 1,0 / 6 l / 1,5 / / 9 l 0,5 6 l / / 300 1,0 / 7 l / 1,5 / / 11 l 0,5 7 l / / 400 1,0 / 10 l / 1,5 / / 15 l 0,5 9 l / / 500 1,0 / 12 l / 1,5 / / 19 l Tableau 7.7 : Pré-dimensionnement vase d expansion pour P tarage soupape = 3 [bar] Si le vase d expansion est en partie haute (sous toiture par exemple), la pression initiale du vase d expansion est d environ 0,5 [bar]. Dans le cas d une installation avec le vase d expansion en partie basse, il faut tenir compte de la hauteur de colonne d eau de la distribution primaire et secondaire. La pression en bar doit être au minimum égale au 1/10 ème de colonne d eau en m. Par exemple, si la hauteur de la colonne d eau située au dessus du vase d expansion est de 15 [m], la pression initiale de gonflage doit être égale au minimum à 1,5 [bar]. 9 Intégration du système hydraulique Schéma standard 9.1 Pompe à chaleur monovalente sans production d eau chaude sanitaire Dans les exemples suivants, la pompe à chaleur fonctionne en mode monovalent, ce qui signifie qu aucun système de chauffage d appoint n est nécessaire (voir chapitre Mode de fonctionnement et commande). La production d eau chaude sanitaire est assurée par un système séparé qui n exerce aucune influence sur le système de la pompe à chaleur. 120 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

121 121 EU-CERT.HP Pompe à chaleur avec système de plancher chauffant (un cycle de chauffage direct) La Figure 7. illustre la forme d intégration d une pompe à chaleur la plus simple, souvent installée dans les maisons individuelles équipées d un système de plancher chauffant. En raison de la masse de stockage du plancher chauffant, les temps de fonctionnement minimaux de la pompe à chaleur sont garantis. Par conséquent, un réservoir tampon est inutile. La PAC fonctionne en tout ou rien, avec une régulation sur la température de retour d eau du circuit hydraulique. Figure 7.16 : Système de pompe à chaleur avec un circuit de chauffage direct (par ex., plancher chauffant) Pompe à chaleur avec commande centralisée La Figure 7. illustre une pompe à chaleur en combinaison avec un système de chauffage avec commande décentralisée (par ex., vannes thermostatiques). En raison du fait que l alimentation en eau dans le circuit de chauffage peut varier, une dérivation parallèle au circuit de chauffage et munie d une soupape de décharge est nécessaire pour garantir le débit massique minimum dans la pompe à chaleur. Le réservoir tampon assure le temps de fonctionnement minimal de la pompe à chaleur. Comme le tampon se trouve dans le tuyau de retour, le circuit d alimentation réagit rapidement lorsque la charge augmente. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

122 122 Figure 7.17: Système de pompe à chaleur avec commande centralisée 122 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

123 123 EU-CERT.HP 8.2 Pompe à chaleur monovalente avec production d eau chaude sanitaire La Figure 7.27 illustre une pompe à chaleur en combinaison avec un système de chauffage avec commande centralisée (par ex., vannes thermostatiques) et production d eau chaude sanitaire. Le système de chauffage est similaire au principe décrit dans la Figure 7. La production d eau chaude sanitaire est assurée par un échangeur de chaleur à l intérieur du réservoir d eau. De plus, une résistance électrique est immergée dans le réservoir pour augmenter la température lorsque nécessaire. Une description plus détaillée de la production d eau chaude sanitaire par les pompes à chaleur est fournie dans le chapitre 9. Figure 7.27 Système de pompe à chaleur avec commande centralisée et production d eau chaude sanitaire Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

124 Systèmes de pompes à chaleur monoénergétiques Dans les exemples suivants, la pompe à chaleur fonctionne en mode monovalent, ce qui signifie que la chaleur supplémentaire produite par des systèmes électriques directs est employée pour couvrir les besoins en chauffage (voir chapitre 9). Pompe à chaleur monoénergétique avec commande centralisée La Figure 7.28 illustre à nouveau un système de chauffage avec commande centralisée. Le réservoir tampon est équipé d une résistance électrique pour augmenter la température de l eau de chauffage après la pompe à chaleur. Cette chaleur supplémentaire n est utile que pendant les jours les plus froids de l année, lorsque la pompe à chaleur seule n est pas en mesure de produire les températures d alimentation requises. Dans ce cas, il est important de placer le réservoir tampon en sortie de pompe à chaleur. Figure 7.28 Pompe à chaleur monoénergétique avec commande centralisée Cet agencement est souvent utilisé pour les systèmes air/eau. Dans le cas de systèmes air/eau dotés d un cycle réversible pour le dégivrage, un réservoir tampon est nécessaire car l énergie pour le dégivrage proviendra essentiellement du système de chauffage. La chaleur stockée doit donc être disponible pour la fonction dégivrage. 124 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

125 125 EU-CERT.HP Pompe à chaleur monoénergétique avec commande décentralisée et production d eau chaude sanitaire système d eau douce Le système de chauffage illustré dans la Figure 7.28 reprend le même principe que celui décrit dans la Figure L eau chaude sanitaire est produite à partir d eau douce chauffée dans l échangeur de chaleur à plaques en utilisant la chaleur provenant d un réservoir tampon d eau chaude prévu à cet effet. Le réservoir tampon de chauffage est distinct. Une description plus précise de ce système est fournie dans le chapitre 9. Figure 7.29 : Pompe à chaleur monoénergétique avec commande centralisée et système d eau douce Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

126 Pompe à chaleur en combinaison avec un système solaire thermique pour la production d eau chaude sanitaire La Figure 7.30 illustre une pompe à chaleur en combinaison avec un système solaire thermique pour la production d eau chaude sanitaire. Le circuit de chauffage est un circuit direct doté d une masse de stockage suffisante (par ex., plancher chauffant). Le réservoir d eau chaude sanitaire peut être chauffé par le système solaire et lorsque le rayonnement solaire est trop faible par la pompe à chaleur via un échangeur de chaleur à plaques. Avec un tel système, près de 70 % des besoins en eau chaude sanitaire peuvent être couverts par le système solaire thermique. Figure 7.30 : Pompe à chaleur en combinaison avec un système thermique solaire 8.5 Pompe à chaleur bivalente Dans le cas d une pompe à chaleur bivalente, besoins en chauffage du bâtiment ne sont que partiellement couverts par la pompe à chaleur. Le reste de la chaleur est fourni par un système de chauffage d appoint. Pompe à chaleur en combinaison avec une chaudière à mazout ou à gaz La pompe à chaleur est le plus souvent associée à une chaudière alimentée au mazout domestique ou au gaz naturel. Cette combinaison est presque toujours nécessaire pour les pompes à chaleur qui utilisent l air comme source de chaleur (sauf en Europe méridionale). Lorsque la température extérieure est trop faible pour atteindre un COP de 2.5 à 3 par ex., il est généralement plus économique (et également acceptable sur le plan environnemental) d utiliser une source de chaleur d appoint. Plus d information sur les systèmes bivalents sont fournies dans le chapitre / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

127 127 EU-CERT.HP Le schéma suivant illustre la combinaison d une pompe à chaleur avec une chaudière à gaz ou à mazout. Dans ce schéma, deux circuits de chauffage à régulation thermique et le circuit de production d eau chaude sanitaire sont représentés. Le réservoir tampon agit comme un découplage hydraulique entre la pompe à chaleur et la dissipation de la chaleur. Si bien que le débit massique dans la pompe à chaleur est garanti à tout instant, indépendamment du système de dissipation de la chaleur. Le temps de fonctionnement minimal de la pompe à chaleur est ainsi garanti. De plus, ce réservoir tampon peut être utilisé pour pallier les temps d interruption de l alimentation électrique. Dans ce cas, le réservoir doit être dimensionné selon un paramètre spécifique du système, comme le temps d interruption, la puissance de la pompe à chaleur, le système de chauffage, etc. Au-dessus du point de bivalence, la pompe à chaleur fonctionne seule. Le point de bivalence est la température extérieure à la quelle la puissance calorifique de la pompe à chaleur est égale aux besoins en chauffage. En dessous de cette température, la pompe à chaleur n est plus en mesure de répondre aux besoins en chauffage - voir chapitre 9. En dessous du point de bivalence, la pompe à chaleur préchauffe le fluide caloriporteur, puis la chaudière augmente sa température jusqu à la température d alimentation nécessaire. Pendant les jours les plus froids de l année, il est également possible que la chaudière fonctionne seule (sans la pompe à chaleur). Figure 7.31 Pompe à chaleur bivalente en combinaison avec une chaudière à gaz ou à mazout Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

128 128 Pompe à chaleur en combinaison avec une chaudière à biomasse Les pompes à chaleur peuvent également être combinées avec des chaudières à biomasse. Ici, le mode de fonctionnement le plus répandu est le «bivalent parallèle» (qui signifie que soit la pompe à chaleur fonctionne, soit la chaudière à biomasse) car une chaudière à biomasse ne se commande pas aussi aisément qu une chaudière à mazout. Dans cette combinaison, un réservoir tampon est toujours nécessaire. Le volume du réservoir dépend de la puissance de la chaudière à biomasse. La chaleur produite lorsque la chaudière est pleinement chargée avec du bois doit être stockée dans le réservoir tampon. Le schéma suivant illustre une possibilité de combinaison d une pompe à chaleur avec une chaudière à biomasse. Figure 7.32 Pompe à chaleur bivalente en combinaison avec une chaudière à biomasse 128 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

129 129 EU-CERT.HP 9 Conception et dimensionnement des réseaux hydrauliques avec des hybrides 9.1 Conception Les systèmes mixtes possèdent des circuits de distribution adaptés en fonction du système complet utilisé. Sont décrits dans les paragraphes suivants les principaux systèmes assurant le chauffage et le rafraîchissement. En cas d installation de plusieurs pompes à chaleur sur le même réseau, celles-ci sont placées en parallèle si elles sont identiques. Si elles sont différentes, leur configuration devra être étudiée en relation avec le constructeur de PAC ou le bureau d'études.. Sur le réseau d alimentation, seront au minimum disposés les éléments suivants : une ou plusieurs pompes de circulation, un appoint électrique éventuel,(obligatoire pour les systèmes air/eau) une capacité tampon si besoin, un vase d expansion avec soupape de sécurité, des collecteurs de distribution. Certains de ces éléments peuvent être intégrés dans un seul coffret appelé module hydraulique dans la suite de ce document Pompes de circulation Conception Chaque circulateur sera choisi en fonction de ses courbes caractéristiques (débit et hauteur manométrique) ainsi que celles du réseau. Il pourra être choisi avec plusieurs vitesses. Pour les circuits alimentés en eau froide, il est nécessaire d utiliser une pompe apte à véhiculer l eau froide, la condensation ne devant pas provoquer le risque de court circuit électrique. D autre part, l isolation de la pompe ne devra pas provoquer de détérioration par surchauffe. A défaut de vanne de réglage à mesure de débit, il sera installé de part et d autre de la pompe de circulation des prises de pression, de façon à pouvoir mesurer la hauteur manométrique totale. Dimensionnement Pour le dimensionnement des circulateurs, un calcul rigoureux est effectué afin de connaître le circuit le plus défavorisé, sa perte de charge et le débit total du réseau. Dans tous les cas, chaque pompe de circulation est sélectionnée parmi les différents modèles proposés dans les catalogues des constructeurs en tenant compte des éléments suivants : le point de fonctionnement théorique est situé le plus près possible de la courbe «débitante» des pompes proposées, en cas de pompe surdimensionnée, il sera ajouté sur le réseau la perte de charge nécessaire pour obtenir le débit théorique. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

130 130 Pompe de circulation primaire Le dimensionnement de la pompe primaire est effectué en fonction de la puissance calorifique globale de la pompe à chaleur et de l appoint avec un écart de température aller et retour d eau au maximum de 7 K. Pompes de circulation secondaires Le dimensionnement des pompes secondaires est réalisé en fonction des besoins de la zone à traiter avec un écart de température aller et retour d eau au maximum de 7 K Distribution hydraulique Conception Les circuits hydrauliques sont constitués de matériaux de même nature et non corrosifs. La distribution hydraulique est par exemple réalisée avec des tuyauteries en matériau de synthèse. Le raccordement à la pompe à chaleur est réalisé en utilisant des tuyauteries flexibles avec une disposition en cor de chasse ou des manchons antivibratoires. Les raccordements aux collecteurs s effectueront à l aide de raccords mécaniques à compression, à douille à sertir ou à bague à glisser ou bien de raccords sertis. Dans le cas d une installation avec deux circulateurs en série, il faut prévoir un bipasse ou une bouteille de découplage entre les deux circuits de distribution afin de les désolidariser hydrauliquement. Le circuit en bipasse est parcouru par la différence entre le débit au primaire et le débit au secondaire. Pour éviter des retours inverses la relation suivante doit être respectée : Débit au primaire supérieur au débit secondaire Dans tous les cas, les contraintes des débits différents et des températures afférentes à chaque circuit impliquent l installation d un robinet de réglage sur chaque circuit. Cet élément est installé sur le retour et dispose de préférence d une possibilité de mesure de débit Dimensionnement Dans les tuyauteries, la vitesse de l eau est déterminée de manière à respecter une perte de charge linéaire comprise entre 100 Pa/m et 150 Pa/m soit entre 10 mmh 2 O/m et 15 mmh 2 O/m. Calorifuge Les tuyauteries sont calorifugées sur tout le parcours. L'isolation des tuyauteries intérieures est réalisée au moyen d'un matériau souple à structure cellulaire fermée du type ARMAFLEX ou similaire. L'épaisseur minimale de ce matériau est la suivante : 13 mm jusqu'au diamètre extérieur de 20 mm, 19 mm à partir du diamètre extérieur de 25 mm. Sa mise en œuvre s'effectue sous forme de tubes entiers ou fendus. Les tronçons de réseaux hydrauliques situés à l'extérieur ou dans un local non chauffé sont pourvus d'un traceur de mise hors gel sauf si un produit antigel est prévu dans l'installation. 130 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

131 131 EU-CERT.HP Pour ces tuyauteries, l'épaisseur minimale de l'isolant est de 13 mm. Une épaisseur de 25 mm est prévue dans le cas d'utilisation d'un autre isolant sous forme de coquilles. Dans tous les cas, une finition adéquate complête le calorifuge et une protection mécanique sur l'isolant est prévue jusqu'à une hauteur de 2 m Collecteurs de distribution Ils sont placés à l intérieur de l habitation, en partie centrale de préférence, dans un endroit d accès facile. Une protection mécanique des collecteurs est prévue afin d éviter toute détérioration des éléments (indicateurs de débit, thermomètres, ). Les collecteurs se présentent sous forme de collecteurs jumelés (à barreau ou modulaire), et sont réalisés en laiton ou en matériaux de synthèse. Comme le préconise le CPT (Cahier des Prescriptions Techniques) des planchers réversibles à eau basse température, un collecteur comprend au maximum six départs Système avec bouteille de découplage Ce procédé concerne principalement les installations équipées d un plancher réversible et de ventilo-convecteurs mais peut s appliquer à des réalisations équipées d un plancher réversible et de radiateurs. Pour cela, le circuit radiateurs doit impérativement être coupé en mode froid. Depuis le module hydraulique de la pompe à chaleur air/eau, eau/eau ou sol/eau, des tuyauteries calorifugées assurent la liaison avec une bouteille de découplage dite également «casse pression». Cette dernière réalise une liaison sans pression entre le circuit production primaire constitué par la pompe à chaleur réversible plus le module hydraulique et les circuits utilisateurs (PCR + VCV). L appoint électrique éventuel est intégré dans le ballon tampon. L ensemble est disposé en aval de la pompe à chaleur. Remarques : une pompe à chaleur eau / eau ou sol / eau n est pas nécessairement associée à un appoint électrique, La fourniture d un ballon tampon dans la machine est préférable Ballon tampon + appoint électrique LEGENDE Pompe de circulation Pompe à chaleur réversible T M SD T T T Aller circuit VCV Aller circuit PCR Retour circuit VCV Retour circuit PCR M Circuit VCV Circuit PCR Vanne de régulation à trois voies Robinet d'isolement Robinet de réglage Circuit ventilo-convecteurs Circuit plancher chauffant-rafraîchissant Bouteille de découplage SD Sonde de départ T Thermomètre Figure 7.24 : Schéma de principe d une installation avec bouteille de découplage La bouteille de découplage est en matériau non corrosif (par exemple en acier inox 316L). Quel que soit le point de fonctionnement, le débit primaire est toujours supérieur (même légèrement) à la somme des débits secondaires. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

132 132 La pompe de circulation primaire fonctionne en permanence. Cela permet d utiliser la capacité tampon. Elle possède un débit constant. La pompe de circulation du circuit PCR fonctionne en permanence afin de favoriser l échange thermique. La pompe de circulation du circuit VCV fonctionne en permanence afin de répondre à la demande des utilisateurs pendant les périodes de chauffage ou de rafraîchissement. Le fonctionnement des pompes est interrompu en dehors des périodes de chauffage et rafraîchissement. En cas de montage de vanne de régulation à deux voies sur les ventilo-convecteurs ou de robinets thermostatiques sur tous les radiateurs, il est installé une soupape ou un régulateur de pression différentielle en aval de la pompe entre le départ et le retour. Un débit minimal dans la pompe est ainsi garanti en cas de fermeture de toutes les vannes de régulation Système avec ballon de stockage Ce procédé concerne principalement les installations équipées d un plancher réversible et de ventilo-convecteurs mais peut s appliquer à des réalisations équipées d un plancher réversible et de radiateurs. Pour cela, le circuit radiateurs doit impérativement être coupé en mode froid. Depuis la pompe à chaleur air/eau, eau/eau ou sol/eau, des tuyauteries calorifugées assurent la liaison avec un ballon de stockage. L appoint électrique éventuel (une pompe à chaleur eau / eau ou sol / eau n est pas nécessairement associée à un appoint électrique) est disposé de préférence sur la tuyauterie de départ entre la pompe à chaleur et le ballon de stockage ou intégré au ballon de stockage. Depuis ce dernier, deux départs séparés, positionnés en partie haute de la capacité, alimentent les circuits utilisateurs. T ST M SD T LEGENDE Pompe de circulation Circuit VCV Ballon tampon T T Circuit PCR M Vanne de régulation à trois voies Robinet d'isolement Robinet de réglage Appoint électrique T T Circuit VCV Circuit PCR SD T Circuit ventilo-convecteurs Circuit plancher chauffant-rafraîchissant Sonde de départ Thermomètre Pompe à chaleur réversible LEGENDE ST Sonde de température Figure 7.25 : Schéma de principe d une installation avec ballon de stockage Destinée à limiter les courtes périodes de fonctionnement de la pompe à chaleur, la capacité de stockage est généralement intégrée au module hydraulique. Elle est dimensionnée selon les spécificités du constructeur de la pompe à chaleur, sous sa responsabilité. 132 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

133 133 EU-CERT.HP La pompe de circulation primaire est asservie au fonctionnement de la pompe à chaleur. Le circulateur possède un débit constant. La pompe de circulation du circuit PCR fonctionne en permanence afin de favoriser l échange thermique. La pompe de circulation du circuit VCV fonctionne en permanence afin de répondre à la demande des utilisateurs pendant les périodes de chauffage ou de rafraîchissement. Le fonctionnement des pompes secondaires est interrompu en dehors des périodes de chauffage et rafraîchissement. En cas de montage de vanne de régulation à deux voies sur les ventilo-convecteurs ou de robinets thermostatiques sur tous les radiateurs, il est installé une soupape ou un régulateur de pression différentielle en aval de la pompe entre le départ et le retour. Un débit minimal dans la pompe est ainsi garanti en cas de fermeture de toutes les vannes de régulation Système couplé en direct avec radiateurs basse température et PCR Depuis la pompe à chaleur air/eau, eau/eau ou sol/eau, un seul circulateur permet d alimenter deux circuits, un circuit radiateurs et un circuit plancher réversible, disposés en parallèle. L appoint électrique éventuel est intégré dans le ballon tampon. L ensemble est disposé en aval de la pompe à chaleur. Remarques : une PAC eau / eau ou sol / eau n est pas nécessairement associée à un appoint électrique, La fourniture d un ballon tampon dans la machine est recommandée Les radiateurs seront dimensionnés pour une eau à basse température, au maximum à 40 C. Le circuit radiateurs doit impérativement être coupé en mode froid (par le biais d une Thermostat d'ambiance LEGENDE Ballon tampon + appoint électrique Circuit radiateurs Pompe de circulation Vanne à deux voies tout ou rien T T SD Circuit PCR SD Robinet d'isolement Robinet de réglage Sonde de départ Pompe à chaleur réversible LEGENDE vanne à 2 voies tout ou rien par exemple). T Thermomètre Figure 7.26 : Schéma de principe d une installation avec circuits radiateurs et PCR en parallèle Le circulateur possède un débit constant et permanent. Son fonctionnement est interrompu en dehors des périodes de chauffage et rafraîchissement. En cas de montage de robinets thermostatiques sur tous les radiateurs, il est installé une soupape ou un régulateur de pression différentielle en aval de la pompe entre le départ et le retour. Un débit minimal dans la pompe est ainsi garanti en cas de fermeture de tous les robinets thermostatiques. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

134 134 NOTA : Ce système est également possible avec des ventilo-convecteurs utilisés en mode chaud. Il faut cependant les dimensionner en basse température pour une eau à 40 C 9.2 Régulation des réseaux hydrauliques avec des hybrides Système avec bouteille de découplage La régulation du système s effectue à la fois au niveau central pour la pompe à chaleur et au niveau terminal. Deux zones sont prévues : une pour le plancher et une pour les ventiloconvecteurs Niveau central Mode chauffage : PAC : 1 ère solution : Circuit PCR avec loi d eau et circuit VCV alimenté à température constante Le fonctionnement de la pompe à chaleur est prévu à température constante en hiver quelle que soit la température extérieure. La température obtenue permet d alimenter les ventiloconvecteurs. Les températures d eau sont de l ordre de 45 C pour le départ et de 40 C pour le retour. Une vanne de régulation au niveau du ventilo-convecteur permet la variation de débit dans l émetteur en fonction de la température ambiante désirée. Le régulateur terminal peut commander les différentes vitesses de ventilation selon les besoins. Pour le circuit plancher réversible, une régulation permet de réguler la température d eau à une température conforme aux règles de l art. C est à dire de l ordre de 35 C pour une température extérieure de 7 C. La température d e au est obtenue grâce à une sonde disposée sur le départ. Une loi d eau permet de faire varier la température de départ d eau en fonction de la température extérieure. Une sonde d ambiance permet une correction sur cette loi d eau. En fonction des besoins, un signal est envoyé à la vanne à 3 voies pour modifier son ouverture ou sa fermeture afin de modifier la température d eau de départ. La vanne à 3 voies travaille en mélange sur le circuit. Remarque : cette solution est proscrite en cas d appoint électrique ( car dans ce cas la régulation sur la température extérieure est obligatoire) 134 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

135 135 EU-CERT.HP 2 ème solution : Circuits PCR et VCV avec loi d eau Le fonctionnement de la pompe à chaleur est régulé par une loi faisant varier la consigne de température d eau en fonction de la température extérieure. La PAC fonctionne en tout ou rien. La température d eau obtenue permet d alimenter les ventilo-convecteurs. Le mode de régulation du circuit plancher est identique à celui exposé ci-dessus. La régulation du circuit ventilo-convecteurs est prévue avec une loi d eau en fonction de la température extérieure. Une température minimale de départ d eau est prévue (35 C minimum) afin que l utilisateur ne ressente pas un air trop froid quand la température extérieure remonte. Une sonde ou un thermostat d ambiance permet l arrêt du ventilateur et éventuellement la commande des différentes vitesses de ventilation. Ces 2 solutions sont valables aussi si on remplace les VCV par des radiateurs, à condition que ces derniers soient munis de robinets thermostatiques pour régler la température des pièces. Appoint : Dans tous les cas, si l appoint électrique est prévu, la régulation de la PAC en fonction de la température extérieure est obligatoire. L appoint ne doit être mis en service que lorsque la pompe à chaleur ne suffit plus à assurer seule la puissance nécessaire.un décalage (environ 3 K), sur la température d eau du point d enclenchement de l appoint par rapport à celui de la pompe à chaleur permet d assurer la priorité de fonctionnement de la pompe à chaleur. Mode rafraîchissement La pompe à chaleur produit de l eau à une température constante (généralement de 7 C) pour le circuit des ventilo-convecteurs. A partir de la température de consigne souhaitée par l utilisateur, un signal est envoyé à la vanne à 3 voies du circuit plancher pour modifier son ouverture ou sa fermeture afin de modifier la température d eau de départ. La température minimale de départ d eau doit respecter celle préconisée dans le CPT en fonction de la zone géographique. Si il existe un circuit radiateurs à la place du circuit ventilo-convecteurs, il est préférable de prévoir une pompe à chaleur à deux étages ou à puissance variable. En effet, le circuit radiateur étant fermé, la puissance nécessaire pour alimenter le plancher réversible est faible. Réversibilité Le basculement hiver - été est assuré par une commutation manuelle ou automatique au niveau du régulateur. Si il existe un circuit radiateurs à la place du circuit ventilo-convecteurs, le basculement hiver été permet la fermeture d une vanne à deux voies TOR disposée sur le circuit radiateurs. Fonction hors gel Le système doit posséder une fonction de protection hors gel permettant d assurer une température ambiante de 8 C. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

136 Niveau terminal Un thermostat d ambiance pour la zone 1 (plancher réversible) est disposé dans la pièce où la température est la plus représentative de la zone (généralement le séjour), afin de prendre en compte la température ambiante. Il permet la comparaison de la valeur mesurée dans le local avec la valeur de consigne. L utilisateur peut modifier la température de consigne et passer en hors gel ou à l arrêt si besoin. Dans la zone 2 (ventilo-convecteurs), il est disposé un thermostat d ambiance par pièce principale. Celui-ci pilote l unité terminale du local considéré en agissant sur la vitesse de ventilation en tout ou rien et / ou sur la vanne de régulation. L utilisateur peut modifier la température de consigne, l allure en cours sur la zone (passage de confort à économie et inversement), changer la vitesse de ventilation et passer en hors gel ou à l arrêt si besoin. Les thermostats de zones sont réversibles, de préférence automatiquement Système avec ballon de stockage La régulation du système s effectue à la fois au niveau central pour la pompe à chaleur et le module hydraulique ainsi qu au niveau terminal. Deux zones sont prévues : une pour le plancher et une pour les ventilo-convecteurs Niveau central Mode chauffage PAC : Le fonctionnement de la pompe à chaleur est prévu en tout ou rien. Elle est asservie à une sonde de température disposée dans le ballon. La température d eau stockée dans la capacité doit être au moins égale à la température d eau la plus élevée des deux circuits (généralement le circuit VCV). 1 ère solution : Circuit PCR avec loi d eau et circuit VCV alimenté à température constante Les ventilo-convecteurs sont alimentés avec de l eau à température constante (par exemple des températures départ / retour d eau de 45 C / 4 0 C). Une vanne de régulation au niveau du ventilo-convecteur permet la variation de débit dans l émetteur en fonction de la température ambiante désirée. Le régulateur terminal peut commander les différentes vitesses de ventilation selon les besoins. La régulation du circuit plancher est prévue avec une loi d eau en fonction de la température extérieure. Une sonde d ambiance permet une correction sur cette loi d eau. Remarque : cette solution est proscrite en cas d appoint électrique ( car dans ce cas la régulation sur la température extérieure est obligatoire) 2 ème solution : Circuits PCR et VCV avec loi d eau Le mode de régulation du circuit plancher est identique à celui exposé ci-dessus. La régulation du circuit ventilo-convecteurs est prévue avec une loi d eau en fonction de la température extérieure. Une température minimale d eau est prévue (35 C minimum) afin que l utilisateur ne ressente pas un air trop froid quand la température extérieure remonte. Une sonde ou un thermostat d ambiance permet l arrêt du ventilateur et éventuellement la commande des différentes vitesses de ventilation. Ces 2 solutions sont valables aussi si on remplace les VCV par des radiateurs, à condition que ces derniers soient munis de robinets thermostatiques pour régler la température des pièces. 136 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

137 137 EU-CERT.HP Appoint : Dans tous les cas, si l appoint électrique est prévu, la régulation de la PAC en fonction de la température extérieure est obligatoire. L appoint ne doit être mis en service que lorsque la pompe à chaleur ne suffit plus à assurer seule la puissance nécessaire. Un décalage (environ 3 K), sur la température d eau du point d enclenchement de l appoint par rapport à celui de la pompe à chaleur permet d assurer la priorité de fonctionnement de la pompe à chaleur. Mode rafraîchissement La pompe à chaleur produit de l eau à une température constante pour alimenter le ballon de stockage. Ce dernier est régulé à une température donnée (généralement de 7 C) pour le circuit des ventilo-convecteurs. A partir de la température de consigne souhaitée par l utilisateur, un signal est envoyé à la vanne à 3 voies du circuit plancher pour modifier son ouverture ou sa fermeture afin de modifier la température d eau de départ. La température minimale de départ d eau doit respecter celle préconisée dans le CPT en fonction de la zone géographique. Si il existe un circuit radiateurs à la place du circuit ventilo-convecteurs, il est préférable de prévoir une pompe à chaleur à deux étages ou à puissance variable. En effet, le circuit radiateur étant fermé, la puissance nécessaire pour alimenter le plancher réversible est faible. Réversibilité Le basculement hiver - été est assuré par une commutation manuelle ou automatique au niveau du régulateur. Si il existe un circuit radiateurs à la place du circuit ventilo-convecteurs, le basculement hiver été permet la fermeture d une vanne à deux voies TOR disposée sur le circuit radiateurs. Fonction hors gel Le système doit posséder une fonction de protection hors gel permettant d assurer une température ambiante de 8 C Niveau terminal Un thermostat d ambiance pour la zone 1 (plancher réversible) est disposé dans la pièce où la température est la plus représentative de la zone (généralement le séjour), afin de prendre en compte la température ambiante. Il permet la comparaison de la valeur mesurée dans le local avec la valeur de consigne. L utilisateur peut modifier la température de consigne et passer en hors gel ou à l arrêt si besoin. Dans la zone 2 (ventilo-convecteurs), il est disposé un thermostat d ambiance par pièce principale. Celui-ci pilote l unité terminale du local considéré en agissant sur la vitesse de ventilation en tout ou rien et / ou sur la vanne de régulation. L utilisateur peut modifier la température de consigne, l allure en cours sur la zone (passage de confort à économie et inversement), changer la vitesse de ventilation et passer en hors gel ou à l arrêt si besoin. Les thermostats de zones sont réversibles, de préférence automatiquement. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

138 Systèmes avec radiateurs et PCR La régulation du système s effectue à la fois au niveau central pour la pompe à chaleur et au niveau terminal. Deux zones sont prévues : une pour le plancher et une pour les radiateurs Niveau central Mode chauffage PAC : Le fonctionnement de la pompe à chaleur est régulé par une loi faisant varier la consigne de température d eau en fonction de la température extérieure. La PAC fonctionne en tout ou rien. La température maximale de départ d eau obtenue doit être compatible pour l alimentation du circuit plancher réversible. Elle est au maximum de 40 C avec un écart de température entre l aller et le retour au maximum de 7 C. Appoint : Dans tous les cas, si l appoint électrique est prévu, la régulation en fonction de la température extérieure est obligatoire. L appoint ne doit être mis en service que lorsque la pompe à chaleur ne suffit plus à assurer seule la puissance nécessaire. Un décalage (environ 3 K), sur la température d eau du point d enclenchement de l appoint par rapport à celui de la pompe à chaleur permet d assurer la priorité de fonctionnement de la pompe à chaleur. Mode rafraîchissement Le générateur produit de l eau à une température constante pour le circuit plancher uniquement. La température minimale de départ d eau doit être conforme à celle préconisée dans le CPT en fonction de la zone géographique [5]. Il est préférable de prévoir une pompe à chaleur à deux étages ou à puissance variable. En effet, le circuit radiateur étant fermé, la puissance nécessaire pour alimenter le plancher réversible est faible. Réversibilité Le basculement hiver - été est assuré par une commutation manuelle ou automatique au niveau du régulateur. Il permet la fermeture de la vanne à deux voies TOR du circuit radiateurs. Fonction hors gel Le système doit posséder une fonction de protection hors gel permettant d assurer une température ambiante de 8 C. 138 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

139 139 EU-CERT.HP Niveau terminal Un thermostat d ambiance pour la zone 1 (plancher réversible) est disposé dans la pièce où la température est la plus représentative de la zone (généralement le séjour), afin de prendre en compte la température ambiante. Il permet la comparaison de la valeur mesurée dans le local avec la valeur de consigne. L utilisateur peut modifier la température de consigne, l allure en cours sur la zone (passage de confort à économie et inversement) et passer en hors gel ou à l arrêt si besoin. Le thermostat de la zone plancher est réversible, de préférence automatiquement. Un thermostat d ambiance pour la zone 2 (radiateurs) est disposé dans la pièce où la température est la plus représentative de la zone, afin de prendre en compte la température ambiante. Celui-ci pilote la vanne à deux voies tout ou rien permettant d isoler le circuit. L utilisateur peut modifier la température de consigne, l allure en cours sur la zone (passage de confort à économie et inversement) et passer en hors gel ou à l arrêt si besoin. Conformément à la réglementation thermique, chaque radiateur ou convecteur à eau chaude est équipé d un robinet thermostatique. 9.3 Auto-évaluation Comment peut-on évaluer la puissance calorifique requise d une pompe à chaleur pour un bâtiment existant chauffé jusqu à présent au mazout ou au gaz? Quels facteurs influencent la puissance calorifique requise d une pompe à chaleur? Classez les sources de chaleur pour les pompes à chaleur : air, nappe phréatique et capteur enterré horizontal par valeurs de SPF souhaitées croissantes. Quel type de système de chauffage convient le mieux pour l équipements des maisons neuves et pourquoi? Identifiez les systèmes de chauffage appropriés pour les installations de pompes à chaleur. Quels sont les avantages et les inconvénients des différents systèmes? Est-il recommandé d utiliser de la moquette ou du parquet avec un système de chauffage par le sol et pourquoi? Est-il possible d utiliser des radiateurs avec un système de température 90/70 C pour les installations de pompes à chaleur? Quelle est la température d alimentation maximale qu une pompe à chaleur peut délivrer? Quels sont les schémas d installation possible des tubes pour les systèmes de radiateur? Tous les systèmes conviennent-ils pour les pompes à chaleur et pourquoi/pourquoi pas? Dans quels cas l emploi d un réservoir tampon dans un système de pompe à chaleur est-il nécessaire et pourquoi? Comment calcule-t-on le volume du réservoir tampon? Quels sont les paramètres qui ont une influence sur le volume du réservoir tampon? Est-il possible de refroidir avec les pompes à chaleur, et quelles sont les différentes possibilités? Quels sont les avantages et les inconvénients du refroidissement par la surface, que doit-on prendre en compte lors de l agencement d un tel système? Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

140 140 CHAPITRE 8 : SOURCES DE CHALEUR Dans cette section, les compétences fondamentales pour la certification d Installateur de pompe à chaleur de l UE sont : Systèmes possibles : vue d ensemble des différentes sources de chaleur Systèmes à saumure : avantages des systèmes à saumure, exigences techniques, agencement du système pour les capteurs horizontaux et verticaux, précautions de sécurité et principes d agencement du capteur, raccordement de la pompe à chaleur à la source de chaleur, types de saumure et caractéristiques, solution de saumure Air : différences entre les appareils de type split et monobloc, exigences techniques, raisons de choisir un des deux systèmes, agencement et installation des deux systèmes, protection antigel de l évaporateur Pompes à chaleur sur air extrait : avantages des pompes à chaleur sur air extrait, agencement et installation, exigences techniques et légales Solutions innovantes de systèmes : possibilités d innovation, principe de fonctionnement, agencement et installation Eau : avantages des systèmes sur nappe phréatique, exigences techniques, dimensionnement de la pompe d alimentation, agencement des forages, raccordement de la pompe à chaleur à la source de chaleur Détente directe : avantages des systèmes DX, exigences techniques, agencement du système pour des capteurs horizontaux, aspects de sécurités et principes d agencement du capteur, raccordement de la pompe à chaleur à la source de chaleur Eau de surface : sources de chaleur possibles, avantages, exigences techniques et légales, agencement du système, aspects de sécurité, raccordement de la pompe à chaleur à la source de chaleur Obligatoire Obligatoire Obligatoire Obligatoire Facultatif Obligatoire Obligatoire Obligatoire Le soleil est notre principale source de chaleur. Il chauffe l air, le sol, le substrat rocheux, les nappes phréatiques et les lacs. Seule une fraction de cette énergie libre est utilisée de nos jours. Une pompe à chaleur permet d utiliser l énergie stockée dans ces différentes ressources naturelles. De nombreux facteurs doivent être pris en compte afin de choisir la source de chaleur la plus appropriée dans chaque cas particulier, comme les besoins énergétiques de la maison, le type de système de chauffage employé, l emplacement géographique de la maison et les ressources disponibles autour de la maison. Les lois et les règlementations en vigueur dans la région doivent également être un facteur décisif lors du choix d une source de chaleur. Les sources appartiennent à deux grandes catégories : chaleur de l air et chaleur du sol ou des nappes phréatiques (géothermiques). La principale différence entre ces deux types de sources est que la rendement d une pompe à chaleur sur air diminue beaucoup plus que celui des pompes à chaleur géothermiques lorsque la température extérieure chute. 140 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

141 141 EU-CERT.HP En effet, la température du sol demeure relativement constante et supérieure à la température de l air,même pendant une froide journée d hiver. Une pompe à chaleur qui a pour source de chaleur l air extérieur n est presque jamais en mesure de couvrir les besoins en énergie et en confort globaux de la maison (elle ne peut être monovalente) et dépend habituellement d une source de chaleur d appoint qui peut être relativement importante. En Europe du Nord par ex., la source de chaleur auxiliaire doit être dimensionnée pour couvrir 100 % des besoins de la maison, alors qu en Europe occidentale, 40% sont la plupart du temps suffisant, et qu en Europe du Sud l appoint n est pas forcément nécessaire. Généralement, plus le climat du site où la pompe à chaleur doit être installée est chaud, plus il est d usage de choisir l air ambiant comme source de chauffage. La différence essentielle entre une pompe à chaleur à air et une pompe à chaleur géothermique est illustrée dans la Figure 8.33, la Figure 8.34 et la Figure Énergie auxiliaire Énergie libre de l air Énergie électrique pour le compresseur Figure 8.33 : Pompe à chaleur utilisant l air comme source de chaleur (mode bivalent) Énergie libre du sol Énergie électrique pour le compresseur Figure 8.34 : Pompe à chaleur géothermique en mode de fonctionnement monovalent Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

142 142 Énergie auxiliaire Énergie libre du sol Énergie électrique pour le compresseur Figure 8.35 : Pompe à chaleur géothermique avec chauffage d appoint (mode bivalent) 1 Systèmes couplés avec le sol (pompes à chaleur géothermales) 1.1 Avantages des systèmes couplés avec le sol Les températures de la source de chaleur sont plus constantes que les systèmes qui utilisent l air comme source de chaleur La pompe à chaleur peut, si c est une option économique, couvrir l ensemble des besoins en chauffage mode monovalent Ces systèmes ne sont pas dépendants de la quantité et de la quantité des eaux souterraines La chaleur du sol provient de la chaleur solaire stockée dans la couche superficielle du sol (capteur solaire) et de la migration de l humidité à travers le sol. La grande inertie thermique du sol fait que les variations brutales de la température extérieure n ont aucune influence. A partir de 0,50 [m] pas de sensibilité aux gelées et aux phénomènes d échange thermique de la surface avec l atmosphère (convection). Deux types de PAC sur sol sont à considérer : PAC avec capteurs enterrés horizontalement avec fluide intermédiaire ou à détente directe, PAC avec capteur enterrés verticalement ou sondes géothermiques avec fluide intermédiaire. 1.2 Capteurs enterrés horizontalement avec fluide intermédiaire Ils nécessitent une PAC eau / eau installée en local technique ou un local équivalent et un circuit de tubes dans lesquels circule de l eau glycolée grâce à un circulateur qui alimente l évaporateur de la pompe à chaleur. Un appoint n est pas nécessaire mais préférable pour tenir compte des effets de gamme des machines ou éviter d avoir des machines surpuissantes. Surtout en cas de réversibilité. Les tubes sont généralement en polyéthylène réticulé (PER) ou polyéthylène haute densité (PEHD) de 25 [mm] à 40 [mm] de diamètre. 142 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

143 143 EU-CERT.HP Figure 8.4 : Exemple de pompe à chaleur eau glycolée/eau avec capteurs horizontaux couplée à un plancher réversible Ces tubes sont placés soit en tranchées d entraxes de 1,20 [m], soit en décapage, c est à dire sur toute la surface du terrain, avec un pas minimum de tubes de 0,40 [m]. Dans ce dernier cas, la surface disponible pour le captage varie entre 1 fois et 1,5 fois la surface traitée par la PAC. 1.3 Capteurs enterrés horizontalement à détente directe Dans ce cas, l évaporateur dans lequel circule un fluide frigorigène est directement enterré dans le sol généralement en décapage et aussi parfois en tranchées. Les tuyauteries sont en tubes cuivre, de qualité frigorifique et gainés d un matériau synthétique pour la protection contre la corrosion. La surface de terrain doit être suffisante pour permettre à la pompe à chaleur de fournir toute la puissance nécessaire pour combattre les déperditions du bâtiment. Aucun appoint n est installé. Un premier procédé utilise la technique du plancher chauffant comme émetteur de chaleur. L échangeur noyé dans la dalle est également parcouru par le fluide frigorigène et forme ainsi le condenseur de la machine. Il est dit PAC sol / sol. Il est constitué d une ou plusieurs boucles de tuyauteries de même qualité que l évaporateur. Figure 8.5 : Exemple de pompe à chaleur avec capteurs horizontaux et plancher chauffant seulement à détente directe Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

144 144 Le second procédé consiste à limiter le fluide frigorigène au circuit de captage ; l émission de chaleur s effectuant à l aide d un circuit hydraulique classique. Il est dit PAC sol / eau. Figure 8.6 : Exemple de pompe à chaleur avec capteurs horizontaux à détente directe couplée à un plancher chauffant à eau chaude seul Tous les systèmes avec capteurs à détente directe fonctionnent uniquement en mode chauffage. Une exception existe pour un fabricant qui possède un Avis Technique sur son procédé Capteurs enterrés verticalement avec fluide intermédiaire (Sondes géothermales) Ils nécessitent une PAC eau / eau installée en local technique ou un local équivalent et un circuit de tubes généralement en polyéthylène haute densité dans lesquels circule de l eau glycolée grâce à un circulateur qui alimente l évaporateur de la pompe à chaleur. Le capteur est enterré verticalement dans un forage de diamètre 110 [mm] à 25 [mm] suivant une configuration 2 tubes (dite en U) ou 4 tubes (dite double U) jusqu à une profondeur de 80 [m] à 100 [m]. Le forage est ensuite rempli d un mélange ciment et bentonite afin de stabiliser l ensemble dans sa géométrie originelle. La conception et la mise en œuvre de cette technique nécessitent une bonne connaissance du milieu géologique, ce qui, en plus d un coût élevé, restreint son développement. 144 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

145 145 EU-CERT.HP Figure 8.7 : Exemple de pompe à chaleur eau glycolée / eau avec capteurs verticaux couplée à un plancher chauffant rafraîchissant 1.5 Pieux géothermiques ou pieux énergétiques A l intérieur de fondations, un réseau de tubes en polyéthylène peut être installé. La circulation d un fluide caloporteur permet alors l échange de chaleur entre le sol et les fondations. Dans ce cas, ces structures sont appelées fondations géothermiques ou thermoactives. En suisse, ces structures sont désignées par les termes de géostructures énergétiques ou «systèmes de pieux énergétiques». Le but de ces types de fondations est de fournir de la chaleur pour le chauffage en hiver et également de permettre la production de froid durant l été. Ce sont les pieux énergétiques qui ont pris le plus grand essor, alors que les autres types de fondations, comme les parois moulées et les rideaux de pieux, ne sont encore actuellement que peu utilisés comme échangeurs de chaleur. La grande majorité des travaux de recherche sur les fondations géothermiques se sont également concentrés sur ces pieux énergétiques. 1 Pieux énergétiques 2 Tubes permettant l échange de chaleur 3 Pompe à chaleur Figure 8.8 : Schéma d un bâtiment fondé sur pieux énergétiques Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

146 146 2 LE SOL COMME SOURCE DE CHALEUR PRINCIPES GENERAUX 2.1 Phénomènes physiques La température du sol dépend de nombreux facteurs tels que la couverture, la couleur, la composition en air et eau, qui peuvent être classés en trois grandes catégories : Les variables météorologiques, Les variables du terrain, Les variables du sous-sol. La différence des températures du sol entre différentes régions provient principalement des effets météorologiques tels que le rayonnement solaire, la température de l air et les précipitations. Les variations locales des caractéristiques de surface et les propriétés thermiques des sols comme la neige et la végétation jouent également un rôle. Cependant, le rayonnement solaire constitue le facteur le plus important. 2.2 Caractéristiques thermiques du sol Les trois grandeurs déterminant les caractéristiques thermiques d un sol sont les suivantes : La conductivité thermique λ, en [W/m.K] : Au moins de 1,3 [W/mK] et si possible supérieure à 1,8 [W/m.K] La capacité thermique massique volumique Cv, en [J/m 3.K] : quantité de chaleur nécessaire à l élévation de température de 1 [K] d un volume de 1 [m 3 ]. Cv = ρ x Cp Type de sol Conductivité thermique λ [W/m.K] Capacité thermique volumique Cv [MJ/m 3.K] sec saturé sec saturé Argile 0,2 0,3 1,1 1,6 0,3 0,6 2,1 3,2 Limon 0,2 0,3 1,2 2,5 0,6 1,0 2,1 2,4 Sable 0,3 0,4 1,7 3,2 1,0 1,3 2,2 2,4 Gravier 0,3 0,4 1,8 3,3 1,2 1,6 2,2 2,4 Tableau 8.1 : Variation de conductivité et capacité thermique volumique pour 4 types de sol Cp : capacité thermique massique [kj/kg.k] et ρ : masse volumique [kg/m 3 ] La diffusivité thermique caractérise la vitesse de pénétration et l atténuation d une onde thermique dans un milieu. Elle caractérise les influences des cycles quotidiens et mensuels. α = λ / Cv Remarques : Le terrain est plutôt un bon accumulateur mais un conducteur médiocre de la chaleur (λ laine minérale = 0,041 [W/m.K] et λcuivre = 384 [W/m.K]) Les systèmes d extraction de chaleur du milieu souterrain seront du type conductif (collecteurs enterrés, sondes verticales) ou convectifs en utilisant l eau souterraine comme fluide caloporteur. 146 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

147 147 EU-CERT.HP 2.3 Evaluation de la température de sol La température de surface du sol est presque en phase avec celle de l air. Un retard existe, qui augmente linéairement suivant la profondeur. Ces variations se limitent aux couches près de la surface. Les cycles quotidiens se font sentir à une profondeur de pénétration d environ 0,5 [m] à 1,0 [m] sous la surface, les cycles mensuels météorologiques à environ 3,0 [m] et les fluctuations annuelles à environ 9 [m] à 12 [m]. En-dessous de 15 [m] les variations de température sont a priori négligeables. Figure 8.9 : Evolution annuelle température de sol à différentes profondeurs Les résultats obtenus par les calculs permettent d affirmer : - Les variations journalières de T sol sont peu dé celables en dessous de 1 [m] de profondeur - Les variations annuelles sont sensibles ( T > 0,01 [ C]) jusqu à 20 [m], voire 30 [m] ou 40 [m] au plus. 2.4 Présence d eau souterraine La présence d eau est un élément important à déterminer lors de la conception d un système de chauffage par PAC. Il est préférable, voire indispensable que le sol soit saturé ou du moins partiellement saturé. Un terrain sec peut même constituer un cas critique pour lequel il n est pas possible de garantir la rentabilité d une installation avec sondes ou pieux géothermiques. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

148 148 3 La puissance des capteurs enterrés À une profondeur supérieure à 1 à 2 mètres, la température de la terre varie peu. Cette chaleur du sol provient essentiellement de l énergie solaire, transmise par rayonnement à la surface de la terre puis stockée dans le sol. En été à midi, le soleil émet des rayons d une puissance pouvant atteindre 1000 W/m 2 à la surface de la terre (en fonction de la latitude), tandis qu en hiver, seuls 200 W/m 2 sont disponibles. Le flux de conduction thermique, circulant du cœur de la terre vers la couche supérieure, représente normalement à peine 0,042 à 0,063 W/m 2 et peut donc être pratiquement négligé. Le sol agit comme un réservoir d énergie solaire, compensant la variation du rayonnement solaire. En fonction des conditions locales, il est possible d extraire entre 10 W/m 2 (sol sec) et 40 W/m 2 (sol humide) pendant le jour le plus froid de l année. Tous ces chiffres fluctuent de manière considérable en fonction de la puissance calorifique du sol, de sa conductibilité thermique, de sa teneur en eau, de la diffusion de l eau et de la vapeur d eau ainsi que du rayonnement solaire dans cette région particulière. L extraction de quantités raisonnables de chaleur à partir de la surface de la terre ne représente pas de danger particulier. La température de la terre est normalement régénérée par le rayonnement solaire intense en été et la chaleur transmise par l air chaud et la pluie. Argile et 7,7 C av. Temp. 83kWh/m² cc 1.0m Kristianstad, Suède Profondeur en m Février Mai Novembre August Température de la surface à travers l absorbeur de Sol chaleur en fonction des jours depuis le 1er octobre (BFR R ) Figure 8.36 Température à la surface de la terre 148 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

149 149 EU-CERT.HP 4 Systèmes à eau glycolée 4.1 Capteurs horizontaux Aspects généraux : Lorsque la technologie de la pompe à chaleur fit son apparition dans les années 70 et 80, la chaleur de la surface du sol était source de chaleur prédominante. Au fil du temps, les capteurs verticaux ont acquis une importance croissante. Plusieurs raisons expliquent cela : en particulier, il faut citer la réticence des propriétaires à laisser de grosses pelleteuses creuser dans leur jardin, la peur des soulèvements du sol par le gel et la crainte de ne pouvoir profiter de leur jardin normalement. Mais les capteurs horizontaux demeurent la meilleure option si il y a assez d espace disponible. D un point de vue technique, les capteurs horizontaux fonctionnent vraiment bien. Ils sont aussi efficaces que le chauffage avec capteurs verticaux, et d un point de vue financier, cette source de chaleur est bien moins onéreuse. Les capteurs de chaleur de la surface du sol sont aussi réputés pour leur fiabilité et présentent une longue durée de vie Principe de fonctionnement : Des capteurs sous forme de tuyaux (PE) sont enterrés sous terre (à une profondeur hors gel). Une pompe à chaleur de circulation fait circuler l eau glycolée dans les tuyaux en plastique : cette eau capte ainsi l énergie stockée dans le sol. Ce système est appelé système indirect. La configuration des tuyaux du capteur peut adopter différentes formes. Dans la Figure 8.37, un échangeur de chaleur horizontal à boucle unique est illustré, et dans la Figure 8.38, un capteur horizontal à 3 boucles de serpentins. Figure 8.37 Schéma de fonctionnement du chauffage avec le sol comme source de chaleur Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

150 Tuyaux du capteur et eau glycolée : Figure 8.38 Capteur en serpentins Les tuyaux du capteur sont souvent fabriqués en polyéthylène de haute densité (HDPE), avec des diamètres courants de 25, 32 ou 40 mm pouvant supporter une pression de 6 bar. La boucle est placée horizontalement sans raccords dans le sol. Pour la protéger du gel, un antigel est ajouté à l eau, généralement de l alcool ou du glycol, qui est efficace jusqu à - 15ºC Soulèvement par le gel Dans certains cas, le soulèvement du sol produit par le gel peut perturber la boucle. Lorsque le sol autour du capteur gèle, le volume du sol augmente. Un sol saturé d eau contient normalement 35 à 40% d eau. Lorsque l eau gèle, son volume augmente de 11%, ce qui provoque une augmentation du volume du sol d environ 4% (0.4x0.11=0.04, soit 4%). La surface du sol se soulève donc. Profondeur 0,8 1,4 m Soulèvement par le gel Sol gelé autour du collecteur. Distance 1 à 2 m Figure 8.39 : Soulèvement par le gel et diamètre gelé autour du capteur Il faut noter que si le taux d extraction maximal (qui dépend du sol, voir 4.1.5) et les principes d agencement (fournis dans les sections et ) sont respectés, un soulèvement sensible du sol peut être évité dans les pays d Europe centrale et méridionale. Si dans ces régions d Europe des soulèvements par le gel surviennent, cela indique que la puissance d extraction maximale du sol a été dépassée (en raison d une trop petite surface du capteur horizontal). 150 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

151 151 EU-CERT.HP Pays d Europe du Nord : Dans les pays d Europe du Nord aux climats très rigoureux (pays scandinaves), le problème du soulèvement du sol par le gel est crucial. Ce phénomène doit impérativement être maîtrisé afin d éviter des pertes de performance et d éventuels dégâts au niveau des fondations du bâtiment et des jardins, etc. Si la zone gelée autour du capteur a un diamètre de 0,5 mètre, cela entraînera un soulèvement d environ 2 cm (0.04x0.5=0.02 m, soit 2 cm). Ce petit soulèvement ne posera aucun problème et sera à peine visible. Dans certains types de sols, par exemple la boue, il peut se produire des soulèvements par le gel bien plus importants, susceptibles de créer de graves problèmes pour le propriétaire de la maison. Cela s explique par le fait que ces types de sol ont des caractéristiques de capillarité et perméabilité défavorables et attirent l eau vers la couche de formation de glace, où elle gèle. Ces zones sont appelées des lentilles de glace. Vous pouvez comparer ce phénomène à ce qui se produit sur la mèche d une lampe à pétrole : lorsque le kérosène brûle, la mèche sèche l eau gèle. Une autre fraction de kérosène est alors aspirée vers la mèche l eau est aspirée dans la région de formation de glace depuis les nappes phréatiques. Sol gelé Lentille de glace Sol non gelé Figure 8.40 Coupe verticale dans un sol gelé comportant des lentilles de glace Dans ces pays, le soulèvement par le gel ne peut jamais être complètement évité. L enjeu consiste à limiter son ampleur ou à placer le capteur de manière à ce que les conséquences du soulèvement par le sol soient aussi limitées que possible. Une méthode permet par exemple d abaisser l extraction d énergie par mètre de capteur en augmentant la longueur de ce dernier. Le diamètre gelé autour du capteur sera inférieur. Si l on suppose que le sol est composé de boue, il est particulièrement important que le matériau au contact du capteur soit remplacé par du sable ou du gravier, par exemple. Il convient de placer le capteur dans des parties du jardin où l apparition de légers soulèvements n a pas d importance. Remarque : plus l extraction de chaleur par mètre carré est élevée, plus le risque de soulèvement indésirable du sol par le gel est important. Dans les pays scandinaves, l ingénieur responsable de l installation est souvent aminé à conseiller au client de choisir des échangeurs de chaleur verticaux plutôt qu un capteur horizontal, par exemple si le sol est d une nature défavorable, où si le client craint que son jardin ne soit endommagé. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

152 Agencement du système : Pour déterminer la taille du capteur enterré, les paramètres suivants sont importants : La conductibilité du sol La température du sol La conception du capteur L extraction d énergie spécifique à partir du sol Le climat local La puissance frigorifique de la pompe à chaleur La charge énergétique annuelle Le Tableau 8. donne le débit d extraction spécifique par m² de surface du capteur. Les valeurs sont valables pour une durée d exploitation de 1800 ou 2400 heures par an d après VDI 4640 ( Verein Deutscher Ingenieure) et dans les conditions de l Europe centrale. Pour les applications particulières assumant une exploitation annuelle de plus longue durée, l énergie d extraction annuelle spécifique qui détermine l influence à long terme doit également être prise en considération. L extraction annuelle doit être comprise entre 50 et 70 kwh/m². Cela vaut pour le chauffage uniquement. S il y a injection de chaleur pendant l été (refroidissement, recharge), les valeurs peuvent différer. Débit d extraction spécifique Composition du sol pour 1800 h/a pour 2400 h/a Sols secs non cohésifs 10 W/m² 8 W/m² Sols cohésifs, humide W/m² W/m² Sable/gravier saturé d eau 40 W/m² 32 W/m² Tableau 8.2 : Débit d extraction spécifique selon VDI 4640 Le potentiel d extraction de chaleur est approximativement le même pour la plupart des sols saturés en eau. La profondeur de creusement doit être d au moins 20 cm sous la couche sujette au gel de la région. En fonction de la température moyenne du site, la profondeur de creusement est souvent comprise entre 0.6 et 1.5 mètres. Dans l Europe centrale et méridionale, la profondeur peut se limiter à mètres. Le capteur doit alors de préférence être placé dans des parties du jardin où aucun terrassement n est nécessaire en hiver, car la neige constitue en effet une couche isolante et augmente la température moyenne du sol. Il faut que le creusement soit possible à la profondeur nécessaire dans le jardin. L économie de l unité ne sera pas affectée si une petite fraction du capteur (10-15%) est enterrée moins profondément que la profondeur recommandée. Un moyen pratique de vérifier la profondeur du sol est de fixer une tige de renfort ordinaire sur une foreuse portative, et de simplement tester le forage dans le jardin. La distance entre les tuyaux doit être assez importante pour empêcher que les couronnes de glace autour des tuyaux du capteur ne se rejoignent. Il suffit généralement de prévoir une distance minimale de 0,8 mètre entre les tuyaux pour empêcher cela. 152 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

153 153 EU-CERT.HP 0,8 1,4 m Couronne de glace Mauvais min. 80 cm Flux d eau glycolée dans le tuyau La distance entre les tuyaux est insuffisante les couronnes de glace autour des tuyaux se rejoignent Figure 8.15 : Distance entre les tuyaux pour éviter le pergélisol La longueur de chaque tuyau doit être limitée à approximativement 100 m pour des tuyaux de 25 mm de diamètre et 400 mètres pour 40 mm de diamètre. Autrement, la pression dans les tuyaux baisse, et donc la puissance requise pour la pompe à chaleur devient trop élevée. Tous les tuyaux doivent être de la même longueur pour créer des baisses de pression identiques et donc atteindre des conditions de circulation identiques. De cette façon, le champ de capteur extrait l énergie du sol de manière uniforme. Les extrémités des tuyaux se rejoignent dans les collecteurs d aller et de retour qui sont installés à un point légèrement surélevé (pour la vidange). Il doit être possible de d isoler chaque tuyau, par ex. en cas de dégât. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

154 154 Exemple : La puissance calorifique d une pompe à chaleur eau glycolée/eau est 10 kw pour une température moyenne d environ 0ºC pour l admission de saumure et 35 C du côté alimentation. La puissance d entraînement de la pompe à chaleur est 2.3 kw au point de fonctionnement nominal (0/35). Le sol est terreux et humide. Puissance frigorifique de la pompe à chaleur P f = P C P el = 10 kw 2.3 kw = 7,7 kw L extraction d énergie spécifique pour un sol terreux et humide est indiquée dans le Tableau 8. 25W/m² Pf Surface du capteur = extraction d' énergie spécifique 7700 W = W 25 2 m = 308 m 2 SI l intervalle entre les tuyaux est de 80 cm, la longueur des tuyaux peut être calculée de la manière suivante : 2 surface du capteur 308 m Longueur des tuyaux du capteur = = = 385 m dis tan ce entre les tuyaux 0.8 m Dans ce cas, 4 boucles parallèles d une longueur de 100 mètres chacune sont indiquées. Plusieurs entreprises de pompes à chaleur fournissent un logiciel pour concevoir les capteurs horizontaux (par ex., Niebe, WP-Opt., etc.) Le terrassement Le terrassement peut être réalisé de plusieurs manières, et c est essentiellement la nature du jardin qui indique la meilleure méthode de creusement. Dans le cas d un bâtiment neuf, les travaux d excavation peuvent généralement être exécutés sans engendrer trop de frais supplémentaires. Une petite pelleteuse «Caterpillar» de rotation 360 suffit pour la plupart des jardins. Des trancheuses et même des aspirateurs excavateurs sont envisageables. Il est préférable d utiliser une grosse pelleteuse dans le cas de terrassement pour de grands capteurs afin de réduire les coûts Agencement du capteur : Compatibilité du sol : Certains sols ne conviennent pas pour les capteurs enterrés e profondeur. Les sols en sable sec, par ex., possèdent une conductibilité thermique très limitée et nécessitent des capteurs longs et onéreux. Si le sol est sujet au soulèvement par le gel, comme la boue, il faut être très prudent. Ces sols peuvent provoquer de forts soulèvements. Vous devez aussi prendre vos précautions avant de placer des unités dans des terrains marécageux ou des zones humides, en raison de la stabilité inférieure du sol. Schéma de placement : Il est très important de dessiner un plan du capteur. Le plan doit être conservé avec les autres documents importants relatifs à la maison. 154 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

155 155 EU-CERT.HP Remplissage du capteur : Dans la majorité des cas, l installateur qui procède à l installation doit remplir le capteur lui-même puis effectuer un essai d étanchéité. Le mélange de liquide antigel et le remplissage du capteur doivent être réalisés dans une grande cuve avec une pompe puissante, par ex. une pompe submersible. L eau glycolée doit être intégralement pompée jusqu à ce que le capteur soit correctement rempli, et qu aucune poche d air ne demeure. Essai d étanchéité : Il faut toujours procéder à un essai de pression pour les nouvelles installations ou à la suite d une réparation sur les capteurs. C est très important à la fois d un point de vue opérationnel ainsi que sur le plan environnemental. Les autorités locales exigent souvent une preuve de l essai d étanchéité. Purge de l air occlus : La principale cause d interruption de service dans l exploitation d une unité récemment installée est l air encore présent dans le système d eau glycolée. Par conséquent, il est fondamental que l air captif dans le système soit complètement purgé. Il faut parfois un certain temps pour que le système soit complètement débarrassé de l air captif. Dans la plupart des types de pompes à chaleur, la pompe à saumure peut être actionnée séparément. Faites fonctionner la pompe jusqu à ce que tout l air air quitte le système. Une purge complète de l air du système est toujours profitable, car des visites coûteuses aux clients sont ainsi évitées. Vérifiez également que l admission de la pompe à chaleur est toujours maintenue au-dessus de la pression atmosphérique. Autrement, de l air pourrait pénétrer dans le circuit du capteur pendant le fonctionnement Autorisations Certaines autorités locales exigent une autorisation avant l installation d un capteur horizontal enterré Connaissances pratiques Les sols humides et terreux sont idéaux Dans le cas d un sol en gravier, remblayez le tuyau du capteur avec du sable fin pour obtenir un transfert thermique efficace et correct vers le tuyau du capteur Si par exemple, un tuyau du capteur doit croiser une canalisation d eau, il est alors recommandé d enterrer la canalisation d eau à une profondeur de. 0.5 m de plus environ (sous le tuyau du capteur) et d isoler le tuyau du capteur sur approximativement 1 m de longueur dans le secteur de l intersection (voir les réglementations locales) Lorsque la distribution vers les circuits du capteur se fait par un puits dans le jardin, vous devez placer les tuyaux d alimentation en provenance de la pompe à chaleur vers le puits à 70 cm d intervalle. À l exception des arbres aux racines profondes, les plantations peuvent être réalisées normalement Les zones comportant un capteur ne doivent pas être recouvertes de goudron ou d auvents afin que la régénération de la chaleur du sol par le soleil et la pluie puisse se faire. Plus le sol est humide, lourd et à grains fins, et plus la distance entre les tuyaux et le diamètre correspondant doivent être importants. Choisissez des circuits de même longueur, ou installez des vannes d équilibrage dans les tuyaux de longueur inégale Si le plan du capteur n est pas horizontal, par ex. sur un site vallonné, vous devez placer l évent de chaque circuit du capteur à son point le plus élevé. La dimension minimale du tuyau d alimentation pour le tuyau de départ/tuyau de retour de la pompe à chaleur vers le distributeur a un DN 32 mm jusqu à une puissance calorifique de 8 kw et DN40 mm de 9 à 18 kw (pour une longueur max. de tuyau = 20 m). Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

156 Sondes verticales Figure 8.41 : Exemple d agencement d un capteur horizontal Il est possible de pratiquer des forages verticaux dans de la roche aussi bien dure que friable. Au cours du processus de creusement, il convient d éviter certains dangers : La fuite de matériaux de forage (mazout, huile de graissage, liquide hydraulique, etc.) dans l environnement La pénétration d eau de surface dans les nappes phréatiques Le mélange des couches des nappes phréatiques. Si par ex., le forage traverse des niveaux d eau salée et des niveaux d eau douce, un raccord permanent entre les différents niveaux doit être posé. Les mêmes méthodes de creusement que celles employées pour l extraction d eau sont applicables. Les profondeurs de forage pour les installations à saumure sont généralement comprises entre 40 m et 200 m. La profondeur dépasse rarement 100 mètres, car dans certains pays, des permissions spéciales sont exigées (voir exigences nationales 4.2.7). Tous les composants doivent être fabriqués en matériaux résistant à la corrosion (par ex., recouverts de cuivre, plastiques, acier inoxydable), qui résistent aux éléments hydrochimiques (par ex., eau fortement minéralisée). Lorsque c est possible, aucun raccord souterrain ne doit être employé, et dans tous les cas, un essai d étanchéité devra établir l étanchéité du capteur. Les sondes géothermiques sont généralement des systèmes indirects, c est-à-dire que des tuyaux en plastique en forme de U remplis de saumure sont placés dans un trou. Pendant l exploitation, l eau glycolée qui circule transporte la chaleur du sol vers l évaporateur de la pompe à chaleur. L eau des nappes phréatiques n est pas extraite au cours du processus. Le Tableau 8. montre les valeurs générales pour l extraction de chaleur spécifique par mètre de forage. Composition du terrain Sédiments secs Schistes Roche dure à la conductibilité thermique élevée Sous-sol avec nappe phréatique au débit élevé Puissance d extraction spécifique par m de forage W/m W/m W/m W/m Tableau 8.3 : Puissance d extraction de chaleur spécifique selon le sol 156 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

157 157 EU-CERT.HP Tuyaux en double U Principe de fonctionnement : En Allemagne, en Suisse et en Autriche, les tuyaux en double U sont le système le plus courant. La Figure 8.42 illustre la section d un tuyau en U souvent utilisé pour les pompes à chaleur. Dans la première étape, un trou de diamètre D1 est foré, puis le tuyau en double U est inséré et rempli d un matériau à la conductibilité thermique élevée. Dans la plupart des cas, un mélange de ciment/béton est utilisé. Parfois, le sable quartzeux est excellent. Il est particulièrement important que le forage soit complètement rempli depuis le fond jusqu à la surface, sans aucun vide. Tuyaux du capteur en PE Tuyau en acier pour le remplissage Figure 8.42 : Section d un tuyau à double U Dimensionnement : En moyenne, avec ces systèmes, il est possible d obtenir une extraction de chaleur spécifique de 50 W/m. Le Tableau 8. selon VDI 4640 (Verein Deutscher Ingenieure) présente les taux d extraction de chaleur estimés dans les conditions de l Europe centrale. Le dimensionnement exact dépend fortement des conditions géologiques et hydrogéologiques, généralement inconnues de l installateur chauffagiste. Par conséquent, le dimensionnement doit être réalisé par une entreprise de forage expérimentée. Extraction de chaleur Sous-sol spécifique [W/m] 1800 h/a 2400 h/a Valeurs indicatives générales : Sous-sol pauvre (sédiments secs) (λ<1,5 W/(m.K)) Sous- rocheux sol normal et sédiments saturés en eau (λ<1,5-3,0 W/(m.K)) Roche compacte à conductibilité thermique élevée (λ>3 W/(m.K)) Roche seule Gravier et sable, secs <25 <20 Gravier et sable saturés d eau Terre argileuse, humide Calcaire (massif) Grès Granite Basalte Gneiss Tableau 8.4 : Valeurs d extraction spécifique potentielle pour les échangeurs de chaleur verticaux (VDI 4640, partie 2) Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

158 158 Les chiffres donnés dans le Tableau 8. ne sont valables que si les exigences suivantes sont respectées : Exemple : Extraction de chaleur inférieure ou égale à une puissance calorifique de 30kW La longueur de l échangeur de chaleur vertical doit être comprise entre 40 et 100 m La distance minimale entre deux échangeurs de chaleur verticaux doit être : o de 5 m au moins pour un échangeur de chaleur d une longueur de 40 à 50 m o de 6 m au moins pour un échangeur de chaleur d une longueur >50 to 100m Des tuyaux en double U de DN 20, DN 25 ou DN 32 Ne convient pas pour un grand nombre de petits systèmes dans une surface limitée La puissance calorifique d une pompe à chaleur saumure/eau est 13 kw pour une température moyenne d environ 0ºC pour l admission de saumure et 45 C du côté de l alimentation. La puissance d entraînement de la pompe à chaleur est 4 kw au point de fonctionnement nominal (0/45). Jusqu à 100 m de profondeur, le terrain est composé de sédiments saturés en eau. La profondeur maximale du forage est limitée à 100 m conformément aux règlementations nationales. Puissance frigorifique de la pompe à chaleur P f = P C P el = 13 kw 4 kw = 9 kw L extraction d énergie spécifique pour les sédiments saturés en eau est indiquée dans le Tableau 8. 60W/m Pf 9000W Longueur du capteur = = extraction d' énergie spécifique W 60 m = 150 m Dans ce cas, deux capteurs verticaux d une profondeur de 75 mètres chacun sont indiqués Forage classique pour un tuyau en U dans le substrat rocheux En Suède, les systèmes les plus courants sont des pompes à chaleur indirectes dans le substrat rocheux où un tuyau en plastique en forme de U rempli d eau glycolée est enfoui dans un forage. Les forages ne sont remplis avec aucun élément. L eau de la nappe phréatique dans le forage est le convoyeur de la chaleur entre la roche et le tuyau en plastique. En hiver, l eau qui entoure les tuyaux en plastique peut geler. 158 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

159 159 EU-CERT.HP Système de chauffage Pompe à chaleur à Eau chaude Accumulateur d eau chaude Sol Capteur Substrat rocheux Figure 8.43 : Schéma de fonctionnement du chauffage par le substrat rocheux Le capteur est le plus souvent composé d un tuyau en polyéthylène PEM, Ø 40 mm, pouvant supporter une pression de 6 bar et doté d une pièce de fond en U soudée. Pour le protéger du gel, l eau dans le capteur est additionnée d un antigel (généralement de l alcool ou du glycol) afin d empêcher le gel en dessous de -15 C. Certaines pompes à chaleur, principalement les petites unités, utilisent la détente directe Dans ces pompes à chaleur, le fluide frigorigène est acheminé directement dans le capteur, mais dans ce cas dans un tuyau en cuivre, où il s évapore. En France cependant, la détente directe sur capteurs verticaux n est pas autorisée. Dimensionnement des échangeurs de chaleur verticaux dans le substrat rocheux : Pour estimer la dimension du forage, la conductibilité thermique et la température du substrat rocheux sont déterminantes, ainsi que la puissance frigorifique et l extraction d énergie annuelle de la pompe à chaleur. À une température moyenne d environ 0 C pour l admission de saumure, une production d énergie comprise entre 40 et 50 W/m depuis le forage est normale (dans le gneiss ou le granite en Europe du Nord). Cela donne une longueur effective du forage d environ 120 à 150 mètres sous le niveau des nappes phréatiques pour une pompe à chaleur de 9 kw. Chaque forage a coût fixe et un coût variable en fonction de la profondeur. Les paramètres importants pour le dimensionnement des forages sont : L extraction d énergie La température moyenne de la roche La conductibilité thermique de la roche, lambda (λ ou k) La distance entre la surface et le niveau de la nappe phréatique La conception du capteur La conception du forage peut être réalisé avec l aide d un logiciel fourni par les fabricants. La Figure 8.44 montre un exemple de Nibe. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

160 Forage Figure 8.44 : Logiciel fourni par NIBE AB Aspects généraux : Le gneiss, le granite et le calcaire sont les types de roche les plus courants, et en particulier les deux premiers ont une bonne conductibilité thermique. L épaisseur de la couche de terre au-dessus du substrat rocheux est importante pour le coût du forage Il est bien plus onéreux de forer à travers la couche de terre que à travers la couche de substrat rocheux. Cela parce que le forage doit être encapsulé dans un tuyau à travers la couche de terre (boîtier) de manière à ce qu elle ne s écroule pas. Un des problèmes posés par le chauffage sur substrat rocheux est la nécessité de connaître de l épaisseur et les caractéristiques des couches de terre afin de pouvoir estimer le coût de l installation. Labels de qualité pour les échangeurs de chaleur verticaux : Afin de garantir la bonne qualité et la longévité des sondes géothermiques, et pour protéger les nappes phréatiques, de nombreux pays ont mis au point des règles ou des règlementations pour les «puits d énergie». par exemple, en Suède, en collaboration avec les deux plus grandes entreprises de forage Geotek et Avanti, SGU a conçu les règles Normbrunn 97. En Allemagne et en Suisse, il existe un label de qualité pour les échangeurs de chaleur verticaux (Gütesiegel für Erdwärmesonden Bohrfirmen), également reconnu en Autriche. Toutes ces règles ne s appliquent pas seulement au puits, mais précisent également les exigences concernant le matériel et la formation des foreurs. En Frnace, il existe une charte qualité foreurs gérés par le BRGM. Figure 8.45 : Normbrunn / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

161 161 EU-CERT.HP Technique de forage : Le forage en fond de trou est la technique la plus fréquemment employée pour forer dans la roche. Un marteau fond de trou actionné par de l air comprimé est abaissé dans le forage et alimenté en air comprimé à travers les tiges de forage. Le puits est ainsi pratiqué à l extrémité du trou et la technique est particulièrement adaptée pour les forages jusqu à 200 mètres. Pour atteindre des profondeurs de forage jusqu à environ 180 mètres, considérée comme la limite pratique de profondeur pour les puits d énergie, un compresseur produisant une pression d approximativement 25 bar est nécessaire. La pression est nécessaire en partie pour réaliser le travail de forage et en partie pour compenser la pression statique de la colonne d eau. Le diamètre du trou est généralement de 115 mm ou 140 mm. La foreuse doit être conçue pour le forage et le montage de la canalisation, et pour le forage en fond de trou aux profondeurs courantes de forage. Elle doit pouvoir se déplacer sur différentes surfaces sans endommager les zones fragiles des jardins. Journal de forage (ou log de forage) : L entrepreneur de forage, une fois son travail achevé, doit remettre un journal de forage au propriétaire de la maison. Ce log doit contenir des informations sur la profondeur de forage, le diamètre du trou de forage, la distance jusqu à la roche,l e nombre de mètres du tuyau, le niveau de la nappe phréatique, la profondeur jusqu aux aquifères fissurés, le volume d eau, etc Positionnement des sondes géothermiques Si plusieurs échangeurs de chaleur verticaux sont nécessaires, il faut éviter que l eau refroidie des nappes phréatiques venant de la zone autour du premier forage n atteigne le second forage. Cela ne peut être garanti que si des intervalles minimaux de 5 à 6 mètres entre les forages sont respectés, et si le sens d écoulement de la nappe phréatique est considéré tel que dans la Figure Figure 8.46 : Positionnement des sondes géothermiques (1, 2, 3 échangeurs de chaleur verticaux) Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

162 Connaissances pratiques Remplissage du capteur : dans la plupart des cas, l entrepreneur de forage fournir le capteur rempli, après un essai de pression, sauf dans quelques cas où les installateurs chauffagistes sont supposés remplir le capteur eux-mêmes. Essai d étanchéité : un essai d étanchéité doit toujours être accompli sur les nouvelles installations ou lors de la réparation d un capteur. Cela est très important, à la fois d un point de vue fonctionnel et environnemental. Plusieurs autorités locales exigent également une attestation de l essai de pression. Purge de l air captif dans l eau glycolée: le dysfonctionnement le plus fréquent dans une unité récemment installée est causé par l air occlus dans la saumure. Il est par conséquent extrêmement important qu une purge complète de l air occlus dans le système d eau glycolée soit effectuée. Dans certains cas, il faut un certain temps pour se débarrasser de tout l air captif dans le système. Actionnez la pompe à eau glycolée (dans la plupart des pompes à chaleur, elle peut fonctionner séparément), et purgez-là jusqu à ce que tout l air soit évacué. Une purge complète de l air dans le système est toujours profitable, car elle permet d éviter des visites onéreuses au client. Autorisations : certaines autorités locales exigent une autorisation écrite pour permettre l installation d une pompe à chaleur sur substrat rocheux. Voir Partie nationale. 4.3 Raccordement source de chaleur pompe à chaleur pour les pompes à chaleur eau glycolée /eau Collecteur Le collecteur (le cas échéant) du capteur enterré peut être installé à l extérieur. Il est possible de construire une chambre dans une boîte pour bétonnage de 1500 mm environ de diamètre. Les tuyaux de raccordement doivent donc être légèrement inclinés vers le haut en direction du collecteur pour pouvoir être facilement purgés. Les tuyaux qui entrent dans la chambre du collecteur ou traversent les murs de la maison doivent être protégés contre les dégâts mécaniques au moyen d une isolation supplémentaire. Un exemple de chambre de collecteur est fourni dans la figure Regard 600 mm Depuis Reproduction PAC interdite Vers le capteur Vannes Depuis le capteur Figure 8.47 : Chambre du collecteur (Ochsner, 2000) 162 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

163 163 EU-CERT.HP Depuis PAC Distances de sécurité Figure 8.48 : Agencement du collecteur Depuis les canalisations d eau 1.5 m au moins (protection contre le gel) Depuis les drains 1 m au moins (protection contre le gel) Lorsque parallèles au bâtiment min. 1 m (soulèvement par le gel) Lorsque les tuyaux doivent se croiser, ils doivent être isolés en conséquence (protection contre le gel) Toujours laisser 1 m à l intérieur des limites de la propriété Assemblage Toutes les pièces de l installation de la source de chaleur doivent être résistantes à la corrosion, et à l intérieur, les composants froids doivent être isolés par un matériau résistant à la vapeur pour éviter la condensation. Il est important que la diminution de pression soit maintenue à un minimum car l énergie de la pompe à chaleur est couverte par un très faible niveau d utilisation. 1. Collecteurs avec entrées/sorties vers l extérieur 2. Évent (purge de l air) 3. Vanne de sécurité 4. Vase d expansion 5. Pour remplir/vider le système 6. Pompe de circulation 7. Tuyaux flexibles 8. Raccordements vers la pompe à chaleur Figure 8.49 : Intérieur du collecteur de l eau glycolée Exemple (Ochsner, 2000) Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

164 164 Matériau de drainage Tuyau En cas de soulèvement du sol par le gel, les tuyaux doivent être isolés à au moins 1 m du mur!! Joint Figure 8.50 : Conduite dans le mur exemple (Ochsner) 4.4 Dimensionnement de la pompe à eau glycolée pour les pompes à chaleur eau glycolée /eau débit massique de la eau glycolée: Pour choisir une pompe à eau glycolée, il est nécessaire de connaître le débit massique de la eau glycolée. Ce dernier doit correspondre à la puissance frigorifique de la pompe à chaleur et peut se calculer de la manière suivante : q m = P f c 3600 p T q m... débit massique de l eau glycolée [kg/h] P f...puissance frigorifique de la pompe à chaleur [kw] c p...puissance calorifique spécifique de la eau glycolée 3,9 kj/kg.k T...différence de température (3 K) Pression différentielle de la pompe : Pour déterminer la pression différentielle nécessaire pour la pompe, les valeurs suivantes sont nécessaires : Baisse de pression des tuyaux du capteur (d après le schéma de baisse de pression pour les tuyaux) Baisse de pression dans l évaporateur (auprès du fabricant de la PAC) Baisse de pression des composants auxiliaires (approx.0.5 bar d après l expérience) La transmission thermique calculée pour la pompe à eau glycolée doit être multiplié par un facteur de 1,3 1,5 car la saumure présente une viscosité supérieure par rapport à l eau. En raison du fait que, d une part la viscosité de l eau glycolée augmente fortement dans les basses températures, et d autre part la puissance de transfert calorifique de l eau glycolée par rapport à l eau diminue, il est conseillé de ne pas ajouter plus d antigel que la quantité nécessaire ou recommandée par le fabricant de la pompe à chaleur. Autrement, l énergie 164 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

165 165 EU-CERT.HP nécessaire pour pomper l eau glycolée serait augmentée sans nécessité, et le facteur de performance saisonnier du système résulterait inférieur. 5 Nappe phréatique 5.1 Aspects généraux Le principe consiste à pomper de l eau souterraine à travers l évaporateur ou par un échangeur de chaleur intermédiaire dans le circuit d eau glycolée de l évaporateur. En France, on préconise fortement cette dernière solution pour éviter tout endommagement de l évaporateur. L eau de la nappe phréatique est extraite par un forage puis (généralement) réinjectée dans le sol via un second forage situé après la pompe à chaleur. L avantage de cette technique est la température élevée de l eau des nappes phréatiques, qui induit une puissance supérieure et un meilleur COP pour la pompe à chaleur. À une profondeur de 10 mètres ou plus, par exemple, la température de l eau des nappes phréatiques ne varie que très légèrement (en Europe centrale, de 10 C environ en moyenne). En fonction de l emplacement du forage et de la profondeur à laquelle l eau de nappe phréatique est prélevée, la température de l eau est normalement à peine inférieure de quelques degrés à la moyenne en hiver. Lorsque l eau des nappes phréatiques est disponible en quantités suffisantes, à une qualité suffisante et à une profondeur raisonnable, cette source de chaleur s avère particulièrement efficace du point de vue de son comportement thermique. 5.2 Exigences techniques Figure 8.51 : Principe d une pompe à chaleur eau/eau Avant le début des travaux de forage, un essai de forage doit être réalisé afin d étudier la géologie, y compris la profondeur et l épaisseur des couches de soutien des nappes phréatiques qui sont compatibles pour l extraction de l eau, et la composition chimique de l eau. Les résultats de l essai de forage, et les conditions imposées par les autorités contribueront à la mise en conformité de la conception de l installation avec les règlementations locales. Il faut noter qu un forage pour une pompe à chaleur contrairement à un puits domestique Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

166 166 subit parfois un pompage jusqu à 20 heures d affilée. La capacité du forage et les couches qui soutiennent la nappe sont donc bien plus importantes pour les forages des pompes à chaleur que pour les puits d eau privés. Les éléments suivants sont importants pour l installation d une pompe à chaleur eau/eau : QUANTITÉ L eau des nappes phréatiques doit être disponible en grandes quantités. Pour cela, il est nécessaire de tester le forage pendant 2 ou 3 jours. Les besoins en eau sont approximativement de 200 litres/heure pour chaque kw de puissance calorifique (en abaissant la température de l eau à 4 K environ). Le niveau de la nappe phréatique d extraction ne doit pas être supérieur à 15 m, car l énergie de pompage nécessaire serait excessive. TEMPÉRATURE La température minimale de la nappe phréatique à l admission ne doit pas être inférieure à 7-8 C (c est-à-dire lorsque la neige fond!) et ne d oit être refroidie en dessous de 3-4 C. Autrement, il est possible de contrôler la baisse de température. QUALITÉ Pour protéger l échangeur de chaleur contre la corrosion, certaines valeurs critiques (voir le chapitre 4) ne doivent pas être dépassées. Une analyse de l eau est donc nécessaire. La qualité de l eau peut varier au cours de l année, par exemple en raison d une exploitation agricole des terres (épandage des boues). L utilisation des nappes phréatiques comme source de chaleur comporte donc à la fois des avantages et certains risques et difficultés : L accès à l eau doit être abondant et de longue durée. Plus la température de l eau des nappes phréatiques est basse, plus le débit d extraction nécessaire sera élevé. Dans les parties septentrionales de l Europe, la température est si faible, qu il est virtuellement impossible d installer une unité de chauffage sur nappe phréatique : les quantités d eau nécessaires seraient trop énormes. L eau ne doit pas contenir de contaminants corrosifs et afficher une très faible teneur en fer et en manganèse. Si l eau de retour est réinjectée dans le forage, ce forage de retour est menacé d obstruction par les sels contenus dans l eau. Des particules peuvent se former lors du refroidissement de l eau ou au contact de l air pendant le processus. Il doit y avoir un forage d injection (de retour) à proximité pour recueillir l eau refroidie. Notez que le niveau d eau dans le forage d extraction baisse et que le niveau d eau dans un forage de retour augmente. La différence entre les deux niveaux d eau dépend de la perméabilité du terrain et du débit d extraction. SI une pompe à chaleur sur nappe phréatique est envisagée, il est très important que toutes les spécificités de chaque cas soient discutées avec le foreur, le fournisseur de la pompe à chaleur et les autorités locales concernées. 166 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

167 167 EU-CERT.HP Positionnement des forages Il faut éviter toute dérivation entre l eau de retour et l eau d alimentation. Cela n est possible que si les distances minimales de 15 m entre les puits d alimentation et de retour sont respectées et que le sens de l écoulement de l eau est considéré tel que dans la Figure Figure 8.52 : Positionnement des puits d alimentation et de retour Dimensionnement de la pompe à chaleur sur nappe phréatique Débit massique de l eau : Le débit massique de l eau doit correspondre à la puissance frigorifique de la pompe à chaleur. Le calcul se fait de la manière suivante : q m Pf 3600 = c T p q m...débit massique de l eau[kg/h] P 0...puissance frigorifique de la pompe à chaleur [kw] c p...puissance calorifique spécifique de l eau kj/kg.k T...différence de temp max. 4 K Pour simplifier, le débit massique est parfois exprimé sous la forme d un débit volumique en [l/h]. En supposant une baisse de température de 4.3 C, la formule est réduite à 200 l/h par kw de refroidissement. Pression de la pompe : Les données suivantes sont significatives pour le dimensionnement du système : Hauteur de l extraction géothermique La différence de hauteur entre la nappe phréatique dans le puits d extraction et dans le puits d injection Perte de pression dans l évaporateur de la pompe à chaleur voir spécifications techniques de la pompe à chaleur Résistance du tuyau d après la courbe de frottement du tuyau Résistance des installations intégrées souvent d une ampleur de ~0.2 bar. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

168 168 Sens de l écoulement de la nappe phréatique Figure 8.53 Puits d alimentation et de retour illustration de la différence entre les niveaux d eau Raccordement avec la pompe à chaleur Lorsque de l eau de nappe phréatique ou de source est employée, il faut prévoir un grand filtre avec un tamis de 400 µm environ. Les filtres avec nettoyage automatique en circulation inverse sont recommandés. Les tuyaux de raccordement doivent être disposés dans le sol inclinés vers le bas en direction des puits à une profondeur hors gel. Tous les tuyaux transportant de l eau souterraine doivent être isolés par un matériau résistant à la vapeur lorsqu ils sont à l intérieur (de la condensation se produit sur les tuyaux). De plus, les câbles électriques allant à la pompe à eau doivent être enfermés dans une gaine à l intérieur du puits d extraction. 1. Pompe d aspiration avec clapet de non-retour 2. Filtre 3. Vidange 4. Gaine 5. Alimentation et retour de la source de chaleur 6. Tuyaux de raccordement flexibles 7. Compteur d eau Figure 8.54 Exemple plan pour le raccordement à la source de chaleur (Ochsner, 2000) 168 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

169 169 EU-CERT.HP 6 Détente directe 6.1 Aspects généraux et principe de fonctionnement Dans les systèmes à détente directe, le fluide frigorigène de la pompe à chaleur circule en tant que fluide frigorigène caloriporteur dans le capteur, où il s évapore. L échangeur de chaleur et la pompe de circulation de l eau glycolée sont supprimés. Les systèmes à détente directe utilisent des capteurs horizontaux enterrés. Le capteur est également appelé boucle d évaporation. La taille de l installation de la source de chaleur est calculée en fonction de la puissance frigorifique de la pompe à chaleur et de l extraction de chaleur spécifique depuis le sol. Figure 8.55 : Exemple Pompe à chaleur à détente directe Megatherm Zirius Figure 8.56 : Principe de fonctionnement des systèmes DX (détente directe) 6.2 Tuyaux du capteur et fluides actifs Les tuyaux du capteur doivent être des tuyaux en cuivre de «qualité froide» (DIN 8905) avec une gaine en PE (polyéthylène) d au moins 0,5 mm. La boucle du fluide frigorigène ne doit pas comporter de raccords inaccessibles (parties soudées, joints vissés) dans le sol. Si de tels raccords sont inévitables (en cas de réparation), ils doivent être exécutés par un technicien qualifié, testés et isolés avec des matériaux appropriés contre la corrosion. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

170 170 Les fluides frigorigènes doivent être des fluides frigorigènes de classe L1 ou des fluides frigorigènes naturels conformément à EN 378. L huile de refroidissement doit être légèrement biodégradable surtout des huiles à base d ester ou de polyalkylène glycol Agencement du système L agencement du système de capteurs horizontaux à détente directe est en principe similaire à l agencement des capteurs horizontaux à saumure (voir 4.1.5). Pour les deux systèmes, dimensionner la source de chaleur signifie trouver un équilibre entre la capacité d extraction du sol et la puissance frigorifique de la pompe à chaleur. Si vous surchargez la source, l économie de l exploitation sera mauvaise, en revanche, si vous surdimensionnez la source, les coûts d installation seront souvent supérieurs à ce qui est nécessaire. On peut trouver certaines instructions concernant les débits d extraction de chaleur spécifiques dans la norme VDI 4640 (Verein Deutscher Ingenieure Association des ingénieurs allemands), et dans les programmes particuliers des entreprises et des associations. Les débits d extraction spécifiques du Tableau 8. sont valables pour une période d utilisation maximale de 1800 heures (mode monovalent la pompe à chaleur gère la totalité de la charge). Pour les applications particulières assumant une longue durée d exploitation annuelle, le travail d extraction annuel spécifique, qui détermine l influence de la longue durée, doit également être pris en compte. Il doit être compris entre 50 et 70 kwh/(m².a). Cela vaut uniquement pour le chauffage. S il n y a pas d injection de chaleur pendant l été (refroidissement, recharge), les valeurs peuvent différer. Condition du terrain Débit d extraction Surface du capteur enterré par kw th spécifique β = 3 β = 3.5 Sols secs non cohésifs 10W/m 2 66m 2 72m 2 Sols cohésifs, humides 20-30W/m m m 2 Sable/gravier saturés en eau 40W/m 2 17m 2 18m 2 Tableau 8.5 : Débits d extraction de chaleur spécifiques du sol d après VDI 4640 La profondeur de creusement des tuyaux du capteur doit être comprise entre 0.2 m et 0.3 m sous la profondeur sujette au gel. Le capteur ne doit pas se trouver à portée du mouvement des eaux souterraines. La distance entre les tuyaux est équivalente à celle pour un capteur horizontal à saumure (voir 4.1.5) Caractéristiques du sol Plus la teneur en humidité du sol est élevée, plus l échange de chaleur sera élevé. Les échangeurs de chaleur en terrain humide demandent donc moins de surface que ceux placés en terrain sec. Aucune construction ne doit être réalisée au-dessus du capteur enterré (piscine, maison, garage, etc.). Mais la zone peut être ultérieurement plantée d arbres et d arbustes, s ils n ont pas de racines profondes.. L eau de pluie est importante pour la régénération du terrain. L accumulation d eau ou les inondations peuvent entraîner un soulèvement du sol par le gel ou endommager le capteur. Un drainage doit permettre d éviter ce phénomène (par ex., site en pente). Voir partie En règle générale, le capteur est installé sur un terrain horizontal et régulier. Lorsqu il y a une pente, le capteur doit être installé en diagonale par rapport à la pente. 170 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

171 171 EU-CERT.HP 6.5. Connaissances pratiques Les points suivants doivent être respectés lors de l installations de capteurs horizontaux pour des systèmes à détente directe : Un installateur qualifié dans ce domaine doit installer le capteur dans le sol. Si le capteur comporte plus d une boucle, la pompe à chaleur doit intégrer un réservoir pour collecter le fluide frigorigène afin que l évaporateur puisse être vidé pour l entretien et les travaux d excavation. Les tuyaux de l évaporateur doivent enterrés dans du sable fin et recouverts d environ 15 cm de sable. Du sable de granulométrie comprise entre 0.3 et 1.5 mm est recommandé. Le lit de sable peut être remplacé par de la terre friable fine. Un ruban indicateur (ruban marqueur) doit être placé à 50 cm au moins au dessus de la boucle de l évaporateur autour de la zone limitée. Le site du capteur doit être documenté un plan indiquant les zones utilisées (en prenant la végétation comme point de repère), des photos, etc. sont recommandés. Si le tuyaux de refroidissement passe à travers un mur, il doit être isolé contre la vapeur et l intervalle entre le percement du mur et le tuyau doit être étanche. Les distances de sécurité entre les tuyaux du capteur dans le sol sont équivalentes à celles indiquées pour les systèmes à saumure (voir 4.3). Une fois que le capteur est installé, l étanchéité de l ensemble de la boucle de refroidissement doit être testée en utilisant du nitrogène à la pression maximale autorisée. Un essai de pression doit également être réalisé conformément à EN Tous les documents, la documentation d installation et les rapports d essais sur l installation de la pompe à chaleur doivent être stockés dans un journal conservé à proximité de la pompe à chaleur Raccordement source de chaleur pompe à chaleur Figure 8.57 : Plan d installation d un capteur horizontal à détente directe (Ochsner, 2000) Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

172 172 Regard D=600 mm Lit de sable Capteur de gaz Tuyau vers la maison Distributeur de liquide Lit de sable Drain Figure 832 : Collecteur de système DX à l extérieur (Ochsner, 2000) Tuya u Raccord Tuyaux en cuivre Figure 8.58 : Conduite dans le mur pour système DX (Ochsner, 2000) Il est conseillé d isoler les tuyaux jusqu à un mètre du mur du bâtiment. 172 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

173 173 EU-CERT.HP 7 Eau de surface Certains lacs sont d excellents sites de stockage naturel de l énergie solaire absorbée par la surface en été. La mer peut également être une source de chaleur. Le nombre de nouvelles unités installées est toutefois limité par l accès, si bien que ces systèmes ne sont que brièvement décrits dans ce document. La forme la plus répandue de capteur de chaleur sur eau de surface (mer ou lac) fonctionne selon le même principe qu un capteur de chaleur dans le sol, à la différence que le capteur n est pas enterré, mais placé au fond d un lac et maintenu avec des poids. Les poids compensent la flottabilité de la glace produite autour du tuyau du capteur. Pour qu un lac puisse être considéré comme source de chaleur, quelques conditions doivent être remplies : La maison doit se trouver à proximité de la mer ou d un lac, et disposer d un accès direct à l eau. L emplacement du capteur ne doit pas être le siège d activités qui pourraient l endommager (c-à-d pêche, mouillage pour bateaux, etc.) L eau ne doit pas avoir un débit rapide et doit être assez profonde pour ne pas geler jusqu au fond. La transition du sol vers le lac sur la rive doit être assurée de manière à ce que les tuyaux ne soient pas bloqués par la glace en hiver, et arrachés au printemps. Système de chauffage Pompe à chaleur Accumulateur d eau chaude sanitaire Eau chaude sanitaire Poids pour l amarrage Capteur 7.1 Dimensionnement Figure 8.59 : Le principe du chauffage par l eau d un lac La puissance linéaire de l extraction est généralement de W/m pour un tuyau de capteur de 40 mm de diamètre extérieur. Les poids sont adaptés à chaque unité. Des poids plus importants sont nécessaires pour les eaux froides et les puissances linéaires d extraction élevées. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

174 174 Du point de vue des assurances et de la garantie, le chauffage à partir de l eau d un lac est moins sûr que le chauffage sur substrat rocheux ou sur sol de surface, en raison du fait qu une partie de l unité, le capteur, repose sans protection au fond du lac. Lorsque qu un dégât ou un dysfonctionnement se produit, il est parfois difficile et onéreux de déterminer le responsable des événements. Des plongeurs doivent souvent être engagés pour effectuer une inspection. 8 Air Extérieur 8.1 Aspects généraux L air extérieur est une source de chaleur librement disponible partout en quantités illimitées. Malheureusement, lorsque la température extérieure diminue, la charge calorifique du bâtiment augmente simultanément et la puissance calorifique ainsi que le rendement de la pompe à chaleur diminuent. Les pompes à chaleur air/eau et air/air sont par conséquent très souvent installées pour un fonctionnement bivalent. La fonction de dégivrage intégrée leur permet de fonctionner à des températures aussi basses que 20 C. 8.2 Appareil monoblocs Dans les appareils intérieurs monoblocs, tous les composants de la pompe à chaleur sont contenus dans un boîtier. Des ventilateurs centrifuges sont utilisés pour atteindre le débit d air nécessaire. Ils doivent permettre de compenser les éventuelles pertes de pression dans la conduite d air Placement à l intérieur La pompe à chaleur sur air peut être placée dans toute pièce sèche protégée du gel. Elle doit être installée sur une surface plane horizontale. De plus, un robinet de vidange et un collecteur de condensat reliés au système de drainage doivent être installés sous la machine pour éliminer la condensation et protéger le bâtiment contre les dégâts. Figure 8.60 : Le principe de fonctionnement d une PAC air/eau appareil monobloc 174 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

175 175 EU-CERT.HP L appareil doit être installé à un endroit qui permette les réparations et l entretien. Les distances de dégagement prescrites par le fabricant doivent être respectées ceci est valable pour toutes les pompes à chaleur. Si la pompe à chaleur est installée dans une pièce comportant un générateur d air chaud, il est nécessaire de prévoir une ventilation additionnelle dans le mur de manière à ce que d éventuelles fuites dans la conduite d air de la pompe à chaleur n aient pas d incidence sur la pression de l air dans la pièce. Cela pourrait poser des problèmes avec le tirage du générateur. Conduites d air Les conduites d admission et d évacuation de la pompe à chaleur doivent se trouver à une distance suffisante l une de l autre pour éviter un court-circuit dans la circulation de l air. Les conduites d air peuvent être raccordées à la pompe à chaleur au moyen d une manchette souple. Le diamètre minimal est une valeur approximative et peut varier légèrement en fonction de la longueur des conduites d air et du fabricant. De cette manière, il est possible d éviter la génération de bruit par l air, et le volume du débit d air est garanti. Pour éviter les nuisances sonores, la vitesse de l air doit être maintenue en dessous de 3 m/s dans l évacuation et en dessous de 4 m/s dans la manchette. Dans les pompes à chaleur monoblocs, les conduites d air sont soit des tuyaux en acier galvanisé soit des tuyaux flexibles isolés. Comme la capacité de traitement de l air peut atteindre plusieurs milliers de m 3 /h, des dispositifs d isolation acoustique appropriés tels que des manchettes souples, des silencieux, des revêtements acoustiques, etc. peuvent être exigés. Figure 8.61 : Exemple d installation recommandée pour éviter une dérivation entre l air frais et l air vicié (Ochsner, 2000) Figure 8.62 : Exemple d installation recommandée pour éviter une dérivation entre l air frais et l air vicié (Ochsner, 2000) Il faut tenir compte du fait que le diamètre libre de la conduite d évacuation de l air ne doit pas être trop diminué par le treillis de protection (contre les oiseaux, etc.). Les conduites d air doivent être isolées avec un agent imperméable à la vapeur pour éviter la formation de condensat dans l isolation ou sur les tuyaux. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

176 Placement à l extérieur Les pompes à chaleur air/eau sont souvent placées à l extérieur pour économiser de la place. Cela évite également de percer de grands trous dans la façade. Le placement à l extérieur présente toutefois quelques inconvénients par comparaison avec un placement à l intérieur. L installateur doit s assurer que la condensation dans le drainage ou l eau de dégivrage ainsi que bruit produit par la pompe à chaleur ne vont pas entraîner de perturbations ou des nuisances pour le propriétaire ou (en particulier) ses voisins. De plus, le placement de l unité à l extérieur entraîne des pertes au niveau de la conduite d air d alimentation ou au niveau de la pompe à chaleur elle-même. Il existe également des risques d interruptions de service en raison du gel. Figure 8.63 : Pompe à chaleur air/eau, appareil monobloc placé à l extérieur de la maison 8.3 Pompes à chaleur de type split ( air/eau et air/air) La pompe à chaleur de type split associe les avantages du placement à l extérieur et à l intérieur. Aucune conduite d air n est nécessaire et la pompe à chaleur elle-même peut être protégée à l intérieur du bâtiment. La pompe à chaleur de type split associe une unité intérieure et une unité extérieure reliées par une canalisation de fluide frigorigène. Dans la pompe à chaleur split réversible, les unités intérieure et extérieure peuvent être utilisées alternativement comme évaporateur ou condenseur. Ainsi, la pompe à chaleur peut servir à refroidir le bâtiment en été. Les ventilateurs doivent être aussi silencieux que possible dans l unité intérieure comme dans l unité extérieure. Comme il se produit de la condensation lorsque la surface de l évaporateur chute en dessous du point de rosée de l air extérieur (source), il est nécessaire de prévoir des collecteurs de condensat, qui éliminent le condensat à travers un tuyau ou un drain. À l extérieur, ce drain doit être chauffé pour empêcher le gel. À l intérieur, le condensat produit lors du refroidissement du bâtiment doit également être collecté et évacué par un tuyau vers un drain. 176 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

177 177 EU-CERT.HP Figure 8.64 : Principe de fonctionnement d une pompe à chaleur air/eau de type split Raccord (étanche à Tuyau la vapeur) Raccord Tuyau (étanche à d aspiration et la vapeurt) tuyau de liquide Figure 8.65 : Exemple d installation (Ochsner, 2000) Figure 8.66 : Exemple Chauffage du collecteur de condensat omis (Ochsner) Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

178 178 Les tuyaux qui raccordent la pompe à chaleur à l évaporateur (tuyau d aspiration et tuyau de liquide) et le câble d alimentation électrique doivent être protégés par une gaine ou un tube conformément aux instructions du fabricant. 8.4 Problématique du bruit De nombreuses pompes à chaleur air/air ont un niveau sonore élevé. Il est par conséquent conseillé au client d écouter le niveau sonore et de décider s il est acceptable. Des réverbérations acoustiques sur le site définitif de l installation peuvent également altérer le niveau sonore. Dans la Figure 8.67 et la Figure 8.68, les résultats des essais de 600 pompes à chaleur /climatiseurs de petite taille sont classés selon leur niveau sonore à la vitesse maximale de ventilation. De nombreuses unités d intérieur sont équipées de ventilateurs à plusieurs vitesses, avec un niveau sonore réduit sur le réglage basse vitesse. Figure 8.67 : Niveau sonore à l extérieur [dba] 80 Niveau 70 sonore à l intérieur dba Bureaux, etc. Chambres à coucher, écoles Pompes à chaleur classées par niveau sonore croissant Figure 8.68 : Niveau sonore à l intérieur [dba] La Figure 8.69 montre une pompe à chaleur réversible de type slit typique, avec l unité extérieure à gauche de l image (les niveaux sonores ci-dessus n ont rien à voir avec cette unité en particulier) 178 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

179 179 EU-CERT.HP Possibilités d isolation acoustique Le gazon et les plantations permettent de réduire le niveau acoustique à l extérieur. Le placement sur un sol réverbérant doit être évité. Si la pompe est placée sur un sol réverbérant, le niveau sonore atteindre 3 3 db(a) de plus que sur de la pelouse. Figure 8.69 : Pompe à chaleur air/air typique La propagation directe du son peut être évitée par la construction de barrières. Ces barrières peuvent être des murs, des cloisons, etc. Figure 8.70 : Absorption acoustique par le gazon Un isolement acoustique d environ 6 db(a) peut être obtenu par l utilisation d un déflecteur. Figure 8.46 : Isolement acoustique par la construction de barrières Figure 8.71 : Isolement acoustique par un déflecteur Figure 8.72 : Exemple de mesure d isolation acoustique Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

180 Rappel réglementaire pour la France Lutte contre les bruits du voisinage : Décret N du 18 avril 1995 Ce décret définit l émergence maximale d un bruit particulier par rapport au bruit de fond : Le niveau de bruit (pression acoustique) engendré par l appareil extérieur ne doit pas provoquer, au niveau de la limite de propriété, une émergence supérieure de 5 [db(a)] le jour et de 3 [db(a)] la nuit, au bruit ambiant mesuré appareil à l arrêt. Dans le cas d un fonctionnement inférieur à 8 heures, l émergence admise est majorée d un terme correctif en fonction de la durée cumulée d apparition du bruit particulier, selon le tableau suivant : Durée cumulée d apparition du bruit T Terme correctif [db(a)] 30 secondes < T < 1 minute 9 1 minute < T < 2 minutes 8 2 minutes < T < 5 minutes 7 5 minutes < T < 10 minutes 6 10 minutes < T < 20 minutes 5 20 minutes < T < 45 minutes 4 45 minutes < T < 2 heures 3 2 heures < T < 4 heures 2 4 heures < T < 8 heures 1 T > 8 heures 0 Tableau 8.6 : Termes correctifs de la valeur d émergence 8.5 Conseils importants Les aspects suivants doivent être pris en compte avant l installation d une pompe à chaleur air/air : Un permis ou une autorisation de construire sont parfois nécessaires pour l unité extérieure. Consultez les autorités locales. Voir Partie nationale. S assurer que l eau produite par le dégivrage peut être drainée à une profondeur hors gel ou qu elle peut être dirigée vers le drain de la chaufferie. Bruit. L emplacement des unités extérieures doit être choisi avec soin. Toutes les unités émettent du bruit à un niveau qui peut être classé comme nuisible. Ne jamais placer une unité à proximité d une fenêtre de chambre. Ne pas oublier que les voisins aussi peuvent être très sensibles. Après tout, ils ne profitent pas directement des économies et des avantages procurés par la pompe à chaleur. 180 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

181 181 EU-CERT.HP 8.6 Dégivrage de l évaporateur L air ambiant contient toujours une certaine quantité de vapeur d eau (humidité). La teneur maximale possible dépend de la température (et de la pression). Plus la température de l air est élevée, plus une quantité d eau importante peut être absorbée. Par ex., de l air à 20 C peut contenir jusqu à 15 g d eau par kg d air sec, tandis que de l air à 10 C ne peut absorber que 1.6 g/kg. Si la quasi-totalité de l air est progressivement refroidie, alors l air finit par atteindre une température à laquelle il est saturé. Cette température est appelée le point de rosée. Tout refroidissement supplémentaire entraînera la condensation de gouttes d eau à partir de l air saturé. Par exemple, si de l air saturé à 20 C est refroidi à 10 C, 13.4 g de condensat par kg d air sec vont se former. À des températures inférieures à 0 C, le condensat va bien sûr geler sous forme de glace ou de neige. Par conséquent, si de l air humide entre en contact avec la surface de l évaporateur, de la glace peut se former à cet endroit. Figure 8.73 : Représentation d une batterie d air ou d un échangeur à «ailettes spiralées» en train de geler Lorsque la surface de l évaporateur augmente en raison de la formation de glace, la capacité d extraction thermique augmente d abord pendant un certain temps. Toutefois, l effet négatif de l action isolante de la glace surpasse rapidement l influence positive de l augmentation de surface, et la capacité d extraction de chaleur diminue. Par conséquent, lorsque de la glace se forme, la capacité d échange calorifique se dégrade. Suite à la baisse de température de l évaporateur, le débit massique du fluide frigorigène à travers l évaporateur diminue (le fluide frigorigène devient plus volumineux, mais le compresseur pompe un volume spécifique). De plus, avec des évaporateurs ventilés, l augmentation de la baisse de pression du côté air entraîne une baisse du débit d air. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

182 182 Puissance [W] Vitesse de l air [m/s] Puissance ou vitesse Figure 8.74 : Puissance frigorifique dans des conditions de gel La conséquence de tout ceci est une baisse du taux d extraction de chaleur et de la performance générale de la pompe à chaleur. Il convient naturellement d éviter ce phénomène : le dégivrage de l évaporateur est indispensable Dégivrage par chaleur électrique Temps Le dégivrage intervient au moyen de tiges chauffées qui sont habituellement montées sen parallèle aux tuyaux de l évaporateur dans les ailettes spiralées. Des câbles chauffés par le courant peuvent également être placés à l intérieur des tuyaux de l évaporateur. De cette manière, une alimentation électrique constante peut être obtenue le long du tuyau, exerçant un effet positif sur le processus de dégivrage. Avantage : Figure 8.75 : Évaporateur doté d un système de dégivrage électrique intégré simple Inconvénient : consommation supplémentaire d électricité 182 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

183 183 EU-CERT.HP Dégivrage par dérivation de gaz chaud Dans ce mode de dégivrage, le gaz chaud produit pour le compresseur est dévié vers l évaporateur. Cela est possible par une dérivation de gaz chaud, ouverte ou fermée par une vanne magnétique. Pour maintenir une différence de pression entre les côtés haute et basse pression, un limitateur de débit doit être intégré près de la vanne magnétique. Il prend généralement la forme d un tuyau de dérivation de faible diamètre. Le dégivrage par gaz chaud est particulièrement adapté aux périodes de dégivrage brèves, c est-à-dire pour une petite quantité de glace. Figure 8.76 : Dégivrage par dérivation de gaz chaud Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

184 Dégivrage par le cycle réversible Tout le circuit est inversé pendant ce mode de dégivrage. C est-à-dire que l évaporateur gelé et le condenseur échangent leur fonction. Une vanne quatre voies est souvent prévue à cet effet. Avantages : Inconvénients : Figure 8.77 : Dégivrage par inversion du cycle dégivrage très rapide et efficace les pièces supplémentaires augmentent les coûts 184 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

185 185 EU-CERT.HP 9 Pompe à chaleur sur air extrait Tous les bâtiments et toutes les résidences doivent être équipés d une ventilation. Dans une résidence normale, les besoins de ventilation sont souvent équivalents à un changement d air complet toutes les 2 heures. Environ 1/3 de nos besoins en chauffage servent à chauffer l air de ventilation. Dans une pompe à chaleur sur air extrait, une grande partie de la chaleur de l air évacué par la ventilation est prélevée avant qu il ne quitte la maison. La température de l air extrait est abaissée dans l évaporateur de la pompe à chaleur souvent une batterie à ailettes spiralées placée dans la conduite d évacuation d air. L énergie extraite est ensuite redirigée, à l aide de la pompe à chaleur, vers le système de radiateurs et/ou d eau chaude sanitaire. Figure 8.78 : Schéma d une pompe à chaleur sur l air extrait de la ventilation La chaleur qui peut être récupérée à partir de l air extrait de la ventilation d air extrait est déterminée par la baisse de température et le débit d air, et se calcule d après la formule suivante : P = V (T1 T2 ) c p ρ P = puissance accessible dans l air extrait (kw) V = débit de la ventilation (m 3 /s) T 1 = température de l air ambiant ( C) T 2 = température de l air après l évaporateur ( C) c p = chaleur spécifique de l air (kj/ C kg) ρ = densité de l air (kg/m 3 ) Il ne peut se produire de condensation de vapeur d eau dans la batterie de l évaporateur. Cela augmente encore la puissance. Dans beaucoup de pompes à chaleur sur ventilation du marché, la température est abaissée d environ 22 C à 10 C, soit. T1-T2 = 12 C. La taille des pompes à chaleur sur ventilation dépend entièrement du volume de l air de ventilation accessible. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

186 Partie nationale 11 Auto-évaluation Quels sont les avantages des systèmes couplés avec le sol (pompes à chaleur géothermiques)? Quelle est la différence entre les systèmes directs et indirects? Quels sont les avantages et les inconvénients des capteurs horizontaux? Quels sont les principes fondamentaux pour l agencement des capteurs horizontaux (profondeur du creusement, puissance d extraction spécifique, distance entre les tuyaux, longueur des tuyaux du capteur)? Quels sont les aspects importants qui influencent l agencement des capteurs horizontaux (compatibilité du sol, plantation de la surface du capteur, purge des tuyaux du capteur, type des tuyaux du capteur, mesures contre le soulèvement du sol par le gel, éléments importants pour la régénération de la chaleur, distances minimales jusqu aux tuyaux du capteur, remplissage du capteur)? Quelles sont les formes les plus courantes de capteurs verticaux et quelles sont les principales différences entre les systèmes (remplissage, dimensionnement, canalisations)? Distance entre les forages et influence de l écoulement des nappes phréatiques? Quels sont les avantages et les inconvénients des pompes à chaleur sur nappe phréatique? Quelles sont les exigences techniques pour l utilisation des eaux de nappe phréatique comme source de chaleur? Quels sont les avantages et les inconvénients de l utilisation de l air comme source de chaleur? Quelle est la différence entre les appareils de type monobloc et split, quels sont les avantages et les inconvénients? Décrivez différentes possibilités d isolation acoustique. Quelles sont les principales méthodes de dégivrage de l évaporateur et quels sont les avantages et les inconvénients des différents systèmes? Exercice n 1 capteur horizontal La puissance calorifique d une pompe à chaleur saumure/eau est 12 kw à une température moyenne de 0ºC pour l admission de saumure et 35 C du côté alimentation. La puissance d entraînement de la pompe à chaleur est 3 kw au point de fonctionnement nominal (0/35). Le sol est sec et non cohésif. Déterminez la surface nécessaire pour un capteur horizontal et la longueur des tuyaux du capteur. Combien de boucles parallèles sont nécessaires? Quel est le débit massique de la saumure? (c p pour la saumure est 3.9 kj/kg.k ; on suppose que la différence de température dans le capteur est de 3K). Exercice n 2 sonde géothermique en double U La puissance calorifique d une pompe à chaleur saumure/eau est 15 kw à une température moyenne 0ºC pour l admission de saumure et 45 C du côté alimentation. La puissance d entraînement de la pompe à chaleur est 5 kw au point de fonctionnement nominal (0/45). D après le rapport d un géologue, la puissance d extraction spécifique maximale du sol est donnée à 55 W/m (pour une sonde en double U). La profondeur maximale du forage est limitée à 100 m conformément aux règlementations nationales. 186 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

187 187 EU-CERT.HP Quelle longueur totale de forage est nécessaire? Combien de forages sont nécessaires? Quel est la distance requise entre les forages? Que faut-il prendre en compte pour le sens d écoulement de la nappe phréatique? Quel est le débit massique de la saumure? (c p pour la saumure est 3.9 kj/kg.k ; on suppose que la différence de température dans le capteur est de 3K). Exercice n 3 chauffage sur le substrat rocheux a vec sonde en U simple À quelle profondeur doit être creusé un forage pour une pompe à chaleur de 9 kw dont le COP est 3? Le niveau de la nappe phréatique est de 10 mètres sous la surface. La surcharge est de 5 m et l extraction de chaleur nominale depuis la roche est 40 W par mètre. Le forage n est pas remblayé. Exercice n 4 pompe à chaleur à air extrait L installation d une pompe à chaleur à air extrait est envisagée pour une maison à étage récemment construite de 140 m 2. Quel se produit-il dans l air de ventilation si la température extérieure est abaissée de 23 ºC à 10ºC? On suppose que la moitié de l air est renouvelée en une heure et qu aucune humidité n est libérée. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

188 188 CHAPITRE 9: MODES DE FONCTIONNEMENT ET REGLAGE Dans cette section, les compétences fondamentales pour la certification d Installateur de pompe à chaleur de l UE sont : Connaître les modes de fonctionnement possibles (monovalent, Obligatoire bivalent, alternatif, bivalent parallèle), les exigences techniques, les avantages et les inconvénients Déterminer le mode de fonctionnement le plus approprié Obligatoire Déterminer le point de bivalence Obligatoire Déterminer la charge calorifique du chauffage d appoint Obligatoire Déterminer la stratégie de commande la plus appropriée en fonction du Obligatoire système hydraulique et du bâtiment, avantages et inconvénients des différentes stratégies Détermination de la courbe de chauffage Obligatoire Production d eau chaude sanitaire avec les pompes à chaleur : systèmes possibles, températures, légionellose, avantages et inconvénients, problèmes Obligatoire 1. Stratégies de commande Le système de régulation doit être conçu de manière à optimiser le potentiel d économies énergétiques de la pompe à chaleur. Cela signifie que : La pompe à chaleur doit fonctionner au COP maximal en permanence La pompe à chaleur doit avoir la meilleure longévité possible La source de chaleur d appoint doit être utilisée aussi peu que possible Le système de commande doit aussi permettre un confort élevé à la fois pour le chauffage et l eau chaude sanitaire. Il faut toutefois s assurer que le niveau auquel la pompe à chaleur fonctionne ne diminue pas sa longévité. Pour réaliser des économies d énergie, une condition indispensable est que le système de chauffage soit, autant que possible, adaptable aux pompes à chaleur, c est-à-dire que la surface de l émetteur de chaleur soit assez importante pour assurer le chauffage adéquat de l espace à une température d alimentation relativement basse. 2. Modes de fonctionnement En fonction du choix de la source de chaleur, de la taille de la pompe à chaleur, du système de chauffage et de la tâche que la pompe à chaleur doit remplir, le système de pompe à chaleur peut être conçu pour fonctionner selon différents modes : 188 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

189 189 EU-CERT.HP Figure 979 : Modes de fonctionnement des pompes à chaleur 2.1 Fonctionnement monovalent La pompe à chaleur est ici l unique producteur de chaleur. Elle couvre donc 100% des besoins en chauffage. Les pompes à chaleur monovalentes sont économiques dans les cas où le facteur d utilisation est élevé et/ou la source de chaleur a une température élevée (par ex., pompes à chaleur à air extrait produisant de l eau chaude). Le fonctionnement monovalent est également assez courant pour les pompes à chaleur géothermiques en Allemagne, Autriche et Suisse, et dans d autres pays bénéficiant d un climat modéré à chaud. 2.2 Fonctionnement bivalent Figure 9.80 : Fonctionnement monovalent Dans les installations bivalentes, le chauffage est produit par le biais de deux sources d énergie distinctes, c est-à-dire que la pompe à chaleur fonctionne aux côtés d un système de chauffage d appoint. Le point d équilibre ou point de bivalence est la température extérieure la plus basse à laquelle la pompe à chaleur peut couvrir seule la charge calorifique. À des températures inférieures à celle-ci, la source de chaleur complémentaire intervient automatiquement. Il faut distinguer les installations bivalentes au fonctionnement alternatif et parallèle. La principale différence entre le fonctionnement alternatif et parallèle est que le fonctionnement parallèle économise bien plus d énergie. Toutefois, pour le fonctionnement parallèle, une attention particulière doit être portée à la conception du système et à la stratégie commande (voir ). Le mode de fonctionnement bivalent est employé le plus souvent dans les installations de pompes à chaleur air/eau, lorsque la puissance de la pompe à chaleur est significativement réduite en raison de températures extérieures faibles. Cela s explique par le COP inférieur et le débit diminué du fluide frigorigène. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

190 Fonctionnement bivalent alternatif En mode bivalent alternatif, la pompe à chaleur ne fonctionne qu à des températures extérieures supérieures au point d équilibre. Elle ne fonctionne jamais en même temps que le système de chauffage d appoint. La pompe à chaleur est réglée pour une puissance calorifique P Nom au point d équilibre (souvent entre 3 C et -5 C po ur les pompes à chaleur air/eau). À des températures extérieures supérieures au point d équilibre, la pompe à chaleur assume la totalité de la charge, et à des températures inférieures au point d équilibre, la source d appoint assume l ensemble de la charge. Plus le point d équilibre est bas, plus le pourcentage de chauffage assumé par la pompe sur une base annuelle est élevé. Pour les systèmes air/air et air/eau en particulier dans les climats très humides, il faut prendre en compte la puissance nécessaire pour le dégivrage de l évaporateur, qui augmente avec la baisse du point d équilibre. L avantage du fonctionnement bivalent alternatif est que la commande est simple. L inconvénient est que la production de chaleur couverte par la pompe à chaleur, et donc ses avantages économiques et environnementaux, sont inférieurs à ceux du fonctionnement parallèle. Figure 9.81 : Fonctionnement bivalent alternatif : Point de bivalence par exemple à 3 C ; La puissance calorifique nécessaire P Nom de la pompe à chaleur est de 5 kw environ. La puissance du chauffage d appoint doit être de 10 kw Fonctionnement bivalent parallèle À des températures extérieures supérieures au point d équilibre, la pompe à chaleur assume la totalité de la charge et à des températures inférieures au point d équilibre, la pompe fonctionne en parallèle avec la source de chauffage d appoint. La pompe à chaleur est réglée pour une puissance calorifique P Nom au point d équilibre. La puissance du chauffage d appoint doit couvrir la différence entre la puissance d entraînement des systèmes de chauffage et la puissance de la pompe à chaleur à la température extérieure la plus froide. L avantage de ce mode de fonctionnement est que des besoins en chaleur plus élevés peuvent être couverts par la pompe à chaleur et que le chauffage d appoint nécessite une quantité inférieure de chaleur. L inconvénient est que la commande de la température d alimentation doit être exactement réglée sur la commande de la pompe à chaleur, ce qui est parfois difficile. Car autrement les températures de retour sont trop élevées et la pompe à chaleur est interrompue par le «pressostat de haute pression». 190 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

191 191 EU-CERT.HP Figure 9.82 : Fonctionnement bivalent parallèle Point de bivalence par exemple à 3 C ; la puissance calorifique nécessaire P Nom de la pompe à chaleur est d environ 4,8 kw. La puissance du chauffage d appoint doit être de 7 kw Le fonctionnement bivalent parallèle selon lequel la chaleur supplémentaire est produite par de l électricité est souvent appelé fonctionnement monoénergétique (car la seconde source de chaleur utilise le même type d énergie que la première) Fonctionnement bivalent «partiellement parallèle» À des températures extérieures supérieures au point d équilibre, la pompe à chaleur assume la totalité de la charge. À des températures comprises entre le point d équilibre et le point d arrêt de la pompe à chaleur, les deux systèmes fonctionnent en parallèle. À des températures inférieures au point d interruption, le chauffage d appoint fonctionne seul. La pompe à chaleur est réglée pour une puissance calorifique P Nom au point d équilibre. La puissance du chauffage d appoint supplémentaire doit permettre de couvrir l ensemble des besoins en chauffage à la température extérieure la plus froide. Ce système est utilisé pour les pompes à chaleur sur air dans les climats très froids, lorsque la pompe à chaleur ne peut pas fonctionner efficacement aux plus basses températures extérieures potentielles. Figure 9.83 : Fonctionnement bivalent partiellement parallèle : Point de bivalence par exemple à 3 C ; la puissance calorifique nécessaire P Nom de la pompe à chaleur est d environ 4,8 kw. La puissance du chauffage d appoint doit être de 10 kw Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

192 Principe du fonctionnement bivalent Une description très grossière de la différence entre les besoins en chaleur du bâtiment et la puissance calorifique potentielle de la pompe à chaleur est fournie dans la Figure En principe, vous pouvez voir comment la charge calorifique du bâtiment et la puissance de la pompe à chaleur varient en fonction de la température extérieure. Le «rectangle» bleu ciel en bas représente les besoins en eau chaude sanitaire, que l on suppose constants quelle que soit la température extérieure. «Superposés» sur ce triangle à gauche sont représentés les besoins en chauffage pour les radiateurs, qui augmentent lorsque la température extérieure diminue. La zone bordée de points représente la capacité de la pompe à chaleur, qui diminue avec les températures extérieures les plus faibles. Dans cet exemple, malheureusement, une bonne partie du potentiel de la pompe à chaleur ne peut pas être utilisée et un chauffage d appoint est nécessaire pour couvrir la majeure partie des besoins en chaleur du bâtiment (à l intérieur des pointillés). Dans la Figure 9.84, vous pouvez voir que l influence du bâtiment sur la part des besoins en chaleur couverts par la pompe à chaleur est considérable. Dans le cas de bâtiments très bien isolés, la courbe des besoins en chaleur ne décline que légèrement vers les températures extérieures basses. Par conséquent, le taux des besoins en chaleur couverts par la pompe est bien supérieur à celui des bâtiments mal isolés jusqu à 100% pour les systèmes géothermiques. La Figure 9.84 illustre également la différence entre les besoins énergétiques couverts par les modes de fonctionnement bivalent alternatif et bivalent parallèle. Si vous imaginez une ligne verticale traversant le point de bivalence de la pompe à chaleur, le potentiel de la pompe à chaleur à gauche de cette ligne est également couvert par le chauffage d appoint. Puissance 100% Besoins en chaleur Potentiel des pompes à chaleur Point de bivalence (d équilibre) PB Chauffage d appoint Besoins en eau chaude sanitaire Chaleur de la pompe à chaleur Temp. extérieure Figure 9.84 : Fonctionnement bivalent Chaque heure de l année peut être associée à une certaine température extérieure. Si les heures sont classées de manière à ce que l heure la plus froide soit placée en premier (à 192 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

193 193 EU-CERT.HP l extrémité gauche), la seconde heure la plus froide à côté, etc., alors l axe des abscisses pourrait représenter les «heures classées» spécifiques au lieu de la température extérieure. L axe des ordonnées représenterait toujours la puissance en kw. Les courbes de chaleur et de la pompe seraient alors légèrement infléchies. Cependant, les zones sous les courbes représenteraient alors les besoins en chaleur en kwh (kw sur l axe des ordonnées et h sur l axe des abscisses). En fonction du point de bivalence, vous pourriez estimer le rapport entre la chaleur délivrée par la pompe et la chaleur provenant du chauffage d appoint. Exemple : Dans la Figure 9.86, vous pouvez voir l exemple d un bâtiment à la charge calorifique de 8kW à la température minimale dans la situation climatique suivante. Température [ C] Heures sous cette température [h] Tableau 9.1 : Heures sous une température donnée La Figure 9.85 exprime les besoins en chaleur en fonction de la température extérieure. Besoins en chaleur [kwh] ,8 6 5,7 4,6 4 3,4 2,3 2 1, température extérieure Figure 9.85 Besoins en chaleur en fonction de la température extérieure Avec cette information, il est possible de tracer le graphique de la Figure Ici nous pouvons voir le nombre d heures par an pendant lesquelles la température chute sous un certain niveau, et les besoins en chaleur correspondants. La zone sous la courbe représente l énergie calorifique requise. La zone signalée en rouge illustre les kwh qui seraient produits par le chauffage d appoint si le point de bivalence se situait à -5 C (en mode bivalent alternatif). La zone sous la courbe et entre la ligne des 2000 heures (ligne en pointillés verts) et l axe des ordonnées représenterait l énergie d appoint si le point de bivalence se situait à 0 C et ainsi de suite. En mode bivalent parallèle, le besoin de chaleur supplémentaire serait inférieur. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

194 puissance. calorifique [kw] 6 Chaleur en kwh produite par le chauffage d appoint si point de bivalence = -5 C h h h températures températures températures extérieures extérieures extérieures heures par an < -5 C < 0 C < 5 C Figure 9.86 : Estimation du rapport entre la chaleur produite par le chauffage d appoint et la pompe à chaleur (en mode bivalent alternatif) De la même façon, les jours peuvent être classés selon la température extérieure. La Figure 9.87 peut être utilisée pour déterminer le nombre de jours par an auxquels la température extérieure chute en dessous d une température donnée. Température extérieure [ C] jours p.a. Jours par an Figure 9.87 : Nombre de jours par an (en Europe centrale) pendant lesquels la température extérieure chute sous une température donnée Par exemple, 23 jours par an, la température extérieure descend sous -5 C. Pendant ces 23 jours, un chauffage d appoint serait nécessaire si le point de bivalence était de -5 C. Résumé des modes de fonctionnement les plus courants Le Tableau 9. présente le mode de fonctionnement couramment choisi pour les différents types de pompes à chaleur. 194 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

195 195 EU-CERT.HP Monovalent - Source au sol ou source air dans climat chaud - Eau/eau - Chaleur résiduelle Bivalent alternatif Bivalent parallèle Air/eau Air extrait Air/eau Air/air Bivalent partiellement parallèle Tableau 9.2 : Résumé des modes de fonctionnement les plus courants pour les différents types de pompes à chaleur 3. Aspect spécifiques aux systèmes de pompes à chaleur 3.1. Caractéristiques d une pompe à chaleur Par comparaison avec les chaudières et les calorifères électriques, au mazout ou au bois, la pompe à chaleur implique quelques restrictions et différences qu il convient de garder à l esprit : Une pompe à chaleur développe une puissance supérieure et un meilleur COP si la température d alimentation du fluide frigorigène caloporteur (par ex. eau chaude pour les radiateurs) est basse. Une pompe à chaleur développe une puissance supérieure et un meilleur COP si la température de la source de chaleur est élevée. La pompe à chaleur peut ne pas être en mesure de produire une température supérieure à 50-55ºC. Cela dépend du fluide frigorigène et des détails techniques du circuit frigorifique. L investissement par kw que représente un système de pompe à chaleur est considérablement supérieur aux chaudières, calorifères et résistances électriques correspondants. La puissance maximale de la pompe à chaleur peut être inférieure à la puissance maximale (chauffage + eau chaude) nécessaire dans la maison. Il est possible de choisir une chaudière offrant une importante marge de sécurité, alors que la taille optimale d une pompe à chaleur eau/eau sur le plan économique est comprise entre 30% et 90 % des besoins en chaleur spécifiques du bâtiment, selon le mode de fonctionnement (des règles nationales s appliquent parfois voir Partie nationale) 3.2. Utilisation optimale de la Pompe à chaleur Des différences importantes dans les coûts d exploitation existent entre une pompe à chaleur qui fonctionne de manière optimale et une pompe à chaleur qui fonctionne de manière «défectueuse» ou «imparfaite». Facteurs importants : La température d alimentation doit être maintenue aussi basse que possible dans le système de chauffage. La pompe à chaleur doit uniquement produire de l eau à la température nécessaire à un moment donné. Ainsi, il convient d utiliser la condensation flottante (voir ). Choisir la source de chaleur possédant la température annuelle moyenne la plus élevée. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

196 196 S assurer que le dispositif de commande n autorise jamais le fonctionnement de la source de chaleur d appoint si ce n est pas nécessaire. Être attentif avec les tarifs nocturnes et les alimentations interruptibles en courant, car ils peuvent déclencher l activité du système d appoint. Si possible, laisser la pompe à chaleur produire la chaleur pour le système de chauffage au lieu du système d eau chaude sanitaire (priorité au chauffage), lorsqu une source de chaleur supplémentaire est nécessaire. Cela permet d optimiser le COP. Les facteurs suivants sont importants pour augmenter la longévité du système : Plus la différence entre la température d alimentation du système de chauffage et la température de l admission de saumure est faible, plus une faible variation de pression dans le compresseur est nécessaire. Un compresseur légèrement chargé aura une durée de vie supérieure. Assurer l entretien de la pompe à chaleur, par ex. nettoyer les filtres et les échangeurs de chaleur et surveiller le niveau de fluide frigorigène. S assurer que la pompe à chaleur connaît le moins de démarrages et d arrêts possibles éviter les cycles inutiles dus à un mauvais réglage des commandes Principes de raccordement Une pompe à chaleur peut être raccordée au système de chauffage de différentes manières. La règle, toutefois, est qu elle doit être raccordée au point du système où la température est la plus faible, c est-à-dire sur le circuit de retour (avant le chauffage d appoint). La puissance et le COP de la pompe à chaleur sont ainsi optimisés Condensation flottante La condensation flottante signifie que la température d alimentation de la pompe à chaleur est maintenue au minimum nécessaire permettant de répondre à la charge calorifique. Si une température extérieure de +5ºC nécessite une température d alimentation de +35ºC vers les radiateurs, alors la pompe à chaleur ne doit produire que de l eau à +35ºC environ. Si la température extérieure chute et qu une température supérieure est nécessaire vers les radiateurs, la température d alimentation de la pompe à chaleur doit augmenter. Il faut pour cela une unité de contrôle «climatique» automatique qui capte la température extérieure et règle la température vers les radiateurs comme il convient. Pour produire la température d alimentation désirée, la pompe à chaleur peut être soit démarrée/arrêtée soit réglée en continu par ex., au moyen d un convertisseur de fréquence. Si un chauffage d appoint est nécessaire, la pompe à chaleur doit toujours fonctionner à sa puissance maximale. Lorsque c est possible, la condensation flottante doit toujours être utilisée. Le potentiel d économies d énergies de la pompe à chaleur est alors optimisé. Voici un exemple de chauffage par le sol où la température du circuit de chauffage est modulée en fonction des conditions météorologiques. Dans ce cas, le capteur de température se trouve en réalité sur le «retour» de la pompe à chaleur. Cette courbe de compensation climatique (ici approximée à une ligne droite) est une caractéristique de la maison. 196 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

197 197 EU-CERT.HP Température du retour d eau (plancher chauffant) C Température extérieure C Figure 9.10 : Exemple pour le réglage de la température de retour de l eau en fonction de la température extérieure Condensation fixe ou constante Dans ce cas, la pompe à chaleur fonctionne pour chauffer un réservoir hydraulique à une température constante sous commande thermostatique. Cela signifie que la pompe à chaleur fonctionne à une température de condensation pratiquement constante. Une vanne trois voies règle la température d alimentation vers le système de radiateurs. Dans ce schéma, la pompe à chaleur produit des températures d eau supérieures aux besoins, la plupart du temps par le système de radiateurs. L inconvénient d un COP et d une puissance donnée inférieurs est en partie compensé par le réglage facilité un simple thermostat. L approvisionnement de l eau chaude sanitaire est également simplifié, et ne nécessite parfois pas de préchauffeur (voir aussi ). La condensation constante est uniquement recommandée dans certains cas particuliers, car elle ne permet pas d utiliser de façon optimale le potentiel d économies d énergie de la pompe à chaleur. 4. Stratégies de commande pour le chauffage Il est important que la pompe à chaleur soit correctement commandée afin d économiser autant d énergie que possible. Voici quelques remarques supplémentaires : Recommandations stratégiques de base pour la commande : La pompe à chaleur doit toujours être la première source de chaleur utilisée lorsque la charge calorifique diminue. Le chauffage d appoint ne doit pas être démarré avant de savoir si la pompe à chaleur est déjà utilisée ou s il est impossible de l utiliser pour une raison précise. Recommandations complémentaires : La pompe à chaleur doit utiliser la condensation flottante (voir ). La source de chaleur complémentaire doit se trouver dans l impossibilité de fonctionner si cela n est pas réellement nécessaire. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

198 198 En mode bivalent, lorsque la température nécessaire est atteinte et que le chauffage d appoint s arrête, la pompe à chaleur doit continuer à fonctionner pendant un certain temps, par ex. 20 min., pour éviter des interruptions de service superflues de la pompe à chaleur. La pompe à chaleur doit être réglée de manière à ce que les durées de service ne soient pas trop brèves (>20 min.). La plupart des pompes à chaleur sur le marché sont équipées d unités de commande intégrées qui gèrent le fonctionnement de manière adéquate. Ces unités commandent également le chauffage d appoint. Le chauffage d appoint (souvent appelé chauffage auxiliaire ou complémentaire, ou additionnel) est le plus souvent réglé à partir de l unité de commande de la pompe à chaleur, que ce chauffage d appoint soit produit par une chaudière et une vanne trois voies, ou une résistance électrique immergée. Il est parfois inévitable ou même avantageux, pour des raisons économiques ou techniques, d utiliser le système déjà en place pour assurer le chauffage d appoint. Dans ce cas, il est extrêmement important de s assurer que le chauffage d appoint ne peut accaparer la totalité de la charge calorifique et laisser la pompe à chaleur inactive. Ces deux systèmes de chauffage ne doivent jamais pouvoir fonctionner indépendamment l un de l autre, mais doivent être reliés et commandés de manière globale. Si une chaudière existante est utilisée à titre de chauffage d appoint, elle doit être équipée d une vanne trois voies à commande électrique. Si ce n est pas le cas, il est recommandé de la poser en même temps que l installation de la pompe à chaleur. NB : elle n a rien à voir avec la vanne de répartition chauffage/eau chaude voir 4.3. Lorsque plusieurs pompes à chaleur sont utilisées dans un système de chauffage, leurs canalisations doivent être raccordées en série (du moins si la hausse de température est significative entre le circuit retour et le circuit aller. Elles doivent démarrer une par une lorsque les besoins en chauffage augmentent. Si l ordre de démarrage des pompes à chaleur varie, il est possible d atteindre un temps de fonctionnement similaire pour toutes les unités Choix de la source de chaleur d appoint Le choix de la source de chaleur d appoint est guidé par plusieurs facteurs. Quelle est la puissance nécessaire? Est-ce que la chaudière que j utilise actuellement fonctionne? Ai-je besoin de plus d espace au sous-sol? Ai-je accès à du bois de chauffage? Le réservoir de mazout est-il en bon état? L installation est-elle neuve ou d occasion, etc.? Est que l alimentation électrique est suffisante pour du chauffage électrique supplémentaire, en prenant en compte la charge totale de la maison, y compris la pompe à chaleur et le reste de la consommation? Lorsqu une pompe à chaleur eau/eau est installée, seuls quelques kw de chauffage supplémentaires sont parfois nécessaires, et l élément le plus facile et le moins cher à utiliser est une résistance électrique immergée. Cependant, le coût de la hausse de la consommation électrique est parfois significatif. Si une pompe à chaleur air/eau est installée en mode bivalent alternatif ou bivalent partiellement parallèle, une source de chaleur d appoint capable de couvrir l ensemble des besoins en puissance calorifique est nécessaire. Dans ce cas, la meilleure solution consiste parfois à installer une chaudière ou un calorifère à mazout ou à gaz, ou simplement à intégrer la source de chaleur existante pour le chauffage d appoint. 198 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

199 199 EU-CERT.HP 4.2. Différents types de sources de chaleur d appoint Il existe plusieurs sources de chaleur d appoint : Chaudière à mazout/chaudière à gaz/calorifère à bois/chaudière combinée existants Calorifère à mazout ou à gaz/calorifère à bois/chaudière combiné neufs Brûleur à granulés ajouté à un calorifère existant Nouveau calorifère à granulés Calorifère électrique existant Résistance électrique immergée neuve placée dans une chaudière électrique Résistance électrique immergée dans un réservoir hydraulique Radiateurs à électricité directe, fixes ou portatifs Poêle en fer Poêle en faïence La solution la plus fréquente consiste à choisir le calorifère à gaz/mazout/bois existant ou à installer une nouvelle résistance électrique immergée comme source de chaleur d appoint. Lorsque des pompes à chaleur sont ajoutés dans des maisons équipées de radiateurs électriques à panneaux directs, la solution la plus fréquemment choisie est d utiliser les radiateurs existants pour le chauffage d appoint. La source de chauffage d appoint est toujours placée «après» la pompe à chaleur selon le sens de circulation afin que la pompe à chaleur fonctionne à des températures aussi basses que possible. Dans les maisons équipées de radiateurs électriques à panneaux directs, les thermostats de ces panneaux électriques doivent être réglés à quelques degrés sous le réglage de la pompe à chaleur. Les convecteurs électriques ne se mettront en marche que lorsque la pompe à chaleur ne sera pas en mesure de répondre aux besoins Exemple de système fréquemment installé Raccordement et commande d une pompe à chaleur avec un calorifère/ chaudière neufs ou existants, équipé d une vanne trois voies pas de production d eau chaude sanitaire. Vanne trois voies Température à l aller Radiateurs Calorifère/ chaudière Fermé Pompe à chaleur Température de retour Température extérieure Figure 9.11 : Principes de raccordement Utiliser lorsque : il y a un système entièrement fonctionnel nouveau ou existant composé d un calorifère à mazout, un calorifère à gaz, un brûleur combiné, un brûleur à granulés, un Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

200 200 calorifère électrique ou un calorifère à bois avec un accumulateur d eau chaude. Une pompe est installée pour réduire la consommation pour le chauffage. Raccordement : la pompe à chaleur est raccordée au circuit de retour du système de chauffage comme le montre le schéma. La chaudière est équipée d une vanne trois voies pour régler la température de sortie. Normalement, une pompe de circulation existante est conservée sans être électriquement raccordée. La circulation sera alors prise en charge par la pompe de circulation intégrée dans la pompe à chaleur. Réglage et commande : Le dispositif de commande de la pompe à chaleur, associé à un capteur de température extérieure et de retour, démarre et interrompt la pompe à chaleur selon une courbe préétablie. Lorsque la pompe à chaleur ne peut plus assurer seule les températures préréglées requises, la source de chaleur d appoint (le calorifère) est raccordée par l ouverture de la vanne de dérivation. Le fonctionnement de la chaudière doit être lié au fonctionnement de la vanne de manière à ce que la chaudière ne fonctionne pas si la pompe à chaleur satisfait 100 % des besoins. Autrement la chaudière dépenserait de l énergie en fonctionnant simplement pour rester chaude. Remarque : il est important que l eau ne circule pas à travers la chaudière lorsque la pompe à chaleur répond aux besoins en chauffage. L eau passant dans la chaudière entraînerait des pertes d énergie inutiles à travers le carneau. Dans les cas où le système existant comporte uniquement une vanne de dérivation manuelle, il est recommandé que cette dernière soit équipée d un moteur électrique ou que l ancienne vanne soit remplacée par une nouvelle vanne alimentée par un moteur. Veuillez noter l importance de l étanchéité intégrale de la vanne de dérivation lorsqu elle est fermée. Les vannes de dérivation non étanches doivent être remplacées lors de l installation de la pompe à chaleur. 5. Stratégies de commande pour la production d eau chaude sanitaire 5.1. Économie La plupart des installations de pompes à chaleur produisent à la fois du chauffage par «radiateur» (= convecteur au sol, etc.) et de l eau chaude sanitaire pour la cuisine et la salle de bain. Même si la production d eau chaude sanitaire à partir de la pompe à chaleur n est pas strictement économique, elle est pourtant installée, car c est une demande du marché. Les clients ont des difficultés à accepter que la production d eau chaude par résistance électrique immergée puisse être plus économique en été que l utilisation de la pompe à chaleur. Supposons que la différence entre l installation d une pompe à chaleur avec ou sans eau chaude sanitaire représente approximativement Pour une consommation d eau chaude de kwh/an (~famille ordinaire), la pompe à chaleur permettrait d économiser kwh, à un COP de 2.5. Soit un amortissement en 6.7 ans avec un coût d électricité de 0.1 Euro/kWh; 2000/(3000 x 0.1) = 6,7. Si la consommation est inférieure de moitié, l amortissement double, par ex ans. Il n a pas été pris en compte dans ce calcul le fait que la pompe à chaleur, pendant la période où de la chaleur supplémentaire est nécessaire, produira de la chaleur avec un COP supérieur à l habitude pendant la production d eau chaude sanitaire, ni le fait qu une résistance électrique immergée sera nécessaire à certaines périodes pour chauffer l eau à des températures 60 º C (les exigences de température dépendent des règlementations nationales) pour éviter une contamination par la légionelle,. La conclusion à tirer de ceci pour les maisons existantes est que, si le chauffe-eau électrique est en bon état et bien isolé ou si la consommation d eau chaude est faible (inférieure ou égale à kwh par an), il sera conseillé à client d installer une pompe à chaleur qui produit de la chaleur uniquement pour le système de radiateurs. 200 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

201 201 EU-CERT.HP Les alternatives les plus communes en Europe consistent à installer une pompe à chaleur séparée pour la production d eau chaude sanitaire avec un fluide frigorigène à température élevée, comme R134a, et un accumulateur intégré, ou d utiliser un système d eau douce (voir point ) Conditions à prendre en compte Conditions qui influencent la production d eau chaude sanitaire par une pompe à chaleur : Si la puissance de la pompe à chaleur est relativement faible, et la production d eau chaude sanitaire importante, un accumulateur d eau chaude doit être employé. Normalement, une pompe à chaleur ne peut pas produire de l eau à une température supérieure à 50ºC, ce qui ne permet que difficilement de produire de l eau très chaude pour l utilisation sanitaire. Cela est particulièrement vrai si les tuyaux sont longs et mal isolés. Avant d installer une pompe à chaleur dans un immeuble d appartements, il convient de réaliser un «alignement» de la température de l eau chaude sanitaire avant qu elle ne soit distribuée dans les tuyaux. Il aussi possible d utiliser un fluide frigorigène à température élevée tel R134a. Le chauffe-eau doit être équipé d une résistance électrique immergée supplémentaire, ou d un dispositif équivalent, afin de chauffer l eau périodiquement à 65ºC pour éviter la contamination par la bactérie de la légionelle. Alternativement, l eau chaude peut être produite via un système d eau douce. Les pompes à chaleur fonctionnement généralement avec un COP inférieur lorsqu elles produisent de l eau chaude sanitaire. L expérience montre qu une température d au moins 45 ºC doit être maintenue pour l eau chaude sanitaire, sinon les locataires se plaignent. Cette température est suffisante pour dissoudre le gras dans une poêle Légionellose La bactérie de la légionelle existe en petites quantités partout où il y a de l eau douce. Si la bactérie est inhalée, il existe un risque sérieux de contracter un type très grave de pneumonie, la maladie des légionnaires, qui est une sorte de grippe. La bactérie ne se reproduit pas à des températures inférieures à 20ºC. Mais entre 20 et 45ºC, la reproduction s accélère, tandis qu à des températures supérieures à 50ºC, elle commence à mourir. À 50 C, il faut plusieurs heures pour tue r la bactérie, tandis que dix minutes suffisent à 60, et une minute à 70 C. Les avantage s des températures élevées pour tuer la légionelle doivent être équilibrés avec le risque de se brûler par contact accidentel avec de l eau brûlante. À 50 C il faut environ 5 minutes po ur se brûler, 1.5 minutes à 52 C, 10 secondes à 57 C et 1 seconde seulement à 65 C! Dans les plupart des systèmes de pompes à chaleur, il n est pas possible de chauffer l eau chaude sanitaire à une température supérieure à 50ºC par la seule utilisation de la pompe à chaleur. L eau chaude doit donc soit être chauffée après son passage dans le chauffe-eau, soit être chauffée périodiquement à des températures plus élevées par une résistance intégrée afin de minimiser le risque de prolifération de la bactérie. Cette fonction est généralement intégrée dans l unité de commande et de réglage des pompes à chaleur. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

202 Différents principes de production d eau chaude sanitaire Chauffe-eau à double enveloppe calorifugée Le chauffe-eau à double enveloppe calorifugée est courant pour les maisons individuelles dans plusieurs pays. La pompe à chaleur chauffe l eau dans l enveloppe calorifugée, qui à son tour chauffe l eau dans le réservoir central à travers une cloison. Il est important que le volume de l enveloppe calorifugée et du réservoir d eau soit assez conséquent, et que le différentiel de température du thermostat soit assez étendu pour permettre à la pompe à chaleur de fonctionner pendant une durée minimale raisonnable. Généralement, les volumes sont compris entre 60 et 90 litres dans l enveloppe calorifugée autour du réservoir pour une maison ordinaire. Comme l eau chaude sanitaire est chauffée directement, quelques degrés sont perdus, et l eau a habituellement une température de 45-48º C au robinet. La résistance immergée chauffe périodiquement (par ex. une fois par semaine) l eau à 65ºC pour la désinfection de la bactérie de la légionelle. Retour Arrivée Eau froide Eau chaude Pompe à chaleur Capteur Résistance immergée Figure 9.88 : Chauffe-eau à double enveloppe calorifugée doté d un capteur et d une résistance immergée 202 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

203 203 EU-CERT.HP Chauffe-eau avec échangeur de chaleur à batterie Un autre type courant de chauffe-eau est un cylindre de stockage de l eau chaude sanitaire doté d une bobine primaire (Figure 9.89). Pour un fonctionnement efficace, la puissance d échange thermique de la bobine doit être supérieure à ce qu elle serait pour une chaudière, en raison de la température d alimentation primaire inférieure provenant d une pompe à chaleur. L eau chaude produite par la pompe à chaleur est toujours acheminée vers le sommet du réservoir pour assurer une bonne répartition de la chaleur dans le réservoir. Ce type de chauffe-eau produit normalement de l eau chaude sanitaire à une température comprise entre 45 ºC et 48 ºC. Retour Arrivée Eau froide Eau chaude Pompe à chaleur Capteur Figure 9.89 : Réservoir doté d un échangeur de chaleur et d un capteur Le cylindre doit être équipé d une résistance immergée (non figurée) pour assurer une augmentation périodique de température lorsque nécessaire. Cet agencement peut être utilisé avec un cylindre à deux bobines, la seconde bobine (inférieure) étant reliée à un collecteur solaire thermique sur le toit Eau chaude sanitaire préchauffée L eau chaude sanitaire préchauffée est souvent produite dans un réservoir avec une pompe à chaleur ; cette eau est ensuite chauffée dans un autre réservoir à la température désirée, souvent au moyen d une chaudière électrique ou d une chaudière à mazout. Le préchauffage peut être effectué de différentes manières, avec un chauffe-eau à double enveloppe calorifugée, un chauffe-eau équipé d un échangeur de chaleur à batterie, ou une batterie dans un accumulateur d eau chaude du circuit des radiateurs. Cette méthode convient également pour les immeubles d appartements. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium

204 204 Retour Arrivée Chauffe-eau électrique Pompe à chaleur Capteur Réservoir à double enveloppe calorifugée Figure 9.90 : Préchauffage de l eau chaude sanitaire dans un réservoir à double enveloppe calorifugée et chauffage final dans un chauffe-eau électrique Cylindre de stockage d eau chaude avec échangeur de chaleur à plaques externe Parfois, un cylindre de stockage de l eau chaude muni d un échangeur de chaleur à plaques externe est employé. Avec cette solution, il est possible de produire de l eau à une température de 48-50ºC, ce qui convient pour les petits immeubles d appartements. Une résistance immergée peut également être placée dans le chauffe-eau afin d augmenter périodiquement la température à > 60ºC pour éliminer la bactérie de la légionelle. Une vanne de commande de la température dans les circuits de l échangeur de chaleur est nécessaire pour obtenir la température correcte ainsi qu une bonne stratification de la température de l eau. Un ou plusieurs réservoirs peuvent être placés en série. Pompe à chaleur Vanne de réglage de la température Échangeur de chaleur à plaques Figure 9.91 : Production d eau chaude sanitaire dans un réservoir à enveloppe calorifugée avec un échangeur de chaleur à plaques 204 / Copyright 2005 consortium EU-CERT.HP

205 205 EU-CERT.HP Système d eau douce En Europe centrale, le système appelé «d eau douce» est utilisé en alternative pour séparer les systèmes de chauffage et de production d eau chaude. Ici, la pompe à chaleur alimente le système de chauffage selon le principe de la condensation flottante. L eau chaude sanitaire est produite à l aide d un réservoir tampon associé à un échangeur de chaleur à plaques externe. Le réservoir tampon est chauffé par une pompe à chaleur. S il y a besoin d eau sanitaire, l eau douce du robinet est chauffée dans l échangeur de chaleur la chaleur nécessaire provenant du réservoir tampon. Si la température dans le réservoir tampon chute en dessous d une valeur fixée, la pompe à chaleur commence à chauffer le réservoir tampon. Avec ce système, des températures d environ 48 C pe uvent être atteintes pour l eau chaude sanitaire, ce qui est suffisant pour des foyers normaux et le risque de légionelle dans l eau chaude sanitaire est réduit grâce au stockage minimal d eau chaude sanitaire. Le réservoir tampon peut également comporter un système d eau chaude solaire via un échangeur de chaleur séparé Autres principes Figure : Production d eau chaude sanitaire par système d eau douce Hormis les principes évoqués ci-dessus, des températures d eau chaude sanitaire plus élevées peuvent également être obtenues en modifiant la pompe à chaleur elle-même, par exemple en changeant de fluide frigorigène, en autorisant une pression de condensation plus élevée, ou en utilisant les gaz chauds immédiatement après le compresseur. Une autre méthode, pour laquelle il est difficile d obtenir une autorisation, consiste à échanger directement la chaleur entre le fluide frigorigène et l eau chaude sanitaire. Copy right 2005 EU-CERT.HP consortium