Préparateur d’eau chaude sanitaire avec pompe à chaleur
Sommaire
Fonctionnement
Le principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur est le même que celui de la machine frigorifique mais l’application travaille en sens inverse.
L’objectif consiste à extraire la chaleur gratuite d’un milieu extérieur : l’eau d’une rivière, l’air extérieur, l’eau d’une nappe souterraine, … (on parle de « source froide »). Physiquement, l’air extérieur à 0°C contient beaucoup d’énergie puisque sur l’échelle des températures absolues, l’air se situe en réalité à 273° K !
L’évaporateur est à l’extérieur et la température du fluide frigorigène sera environ 5 à 8°C inférieure à la température de la source froide. L’énergie thermique captée sera « remontée » à un niveau de température utilisable (pour le chauffage de l’eau chaude sanitaire) via le compresseur : la chaleur du condenseur est donc donnée au ballon.
Bien sûr, on aura intérêt à ce que l’eau chaude soit à une température la plus basse possible. L’écart de température entre l’entrée et la sortie du compresseur doit être en effet le plus faible possible pour limiter le travail du compresseur.
| Exemple d’application.
Refroidir l’air extérieur à 0°C pour assurer le chauffage de l’eau chaude sanitaire à 45°C. Le fluide frigorigène sera à .- 5°C. dans l’échangeur avec l’air et à .53°C. dans l’échangeur du ballon d’eau. Cet écart est donc fort grand, ce qui va diminuer la performance de l’équipement. |
Coefficient de performance
Le bilan énergétique de la PAC
Qu’est-ce qui coûte dans l’exploitation d’une installation de pompe à chaleur ?
- pas l’énergie de la « source froide » : elle est gratuite,
- mais bien l’énergie électrique du compresseur.
D’où la notion de rendement donné par le « COP », coefficient de performance :
COP = chaleur au condenseur/travail du compresseur = Q2 / W
Or Q2 = Q1 + W = chaleur captée à la source froide + énergie développée par le travail du compresseur (loi de conservation des énergies).
Dès lors, Q2 est toujours plus grand que W et le COP est toujours nettement plus élevé que 1.
Est-il normal de rencontrer une machine dont le « rendement » dépasse 100 % ?
En réalité, ce n’est pas ici une machine de conversion, de transformation d’énergie comme une chaudière, mais bien une machine qui transfère une quantité d’énergie thermique d’un seuil de température à un autre. Le COP n’est donc pas un rendement mais une évaluation de la performance du transfert.
Si l’écart entre les 2 seuils de température augmente, l’efficacité (ε ou COP) diminue.
Comment évaluer le COP d’une pompe à chaleur ?
Puisque W = Q2 – Q1, on écrit encore : COP = Q2 / (Q2 – Q1)
Si l’on considère un travail sans pertes, les lois de la thermodynamique établissent le lien entre l’énergie contenue dans un fluide (Q) et la température absolue de ce fluide (T), si bien que l’on admettra sans démonstration l’expression suivante du COP théorique :
COPthéorique = T2 / (T2 – T1) [T étant exprimé en Kelvin]
Le coefficient de performance instantané est d’autant meilleur :
- que la température T1 de la source de chaleur (dite la « source froide ») est élevée,
- que la température du réseau de chauffage est basse (T2 proche de T1).
Alors que l’on ne peut guère influencer la température de la source de chaleur, celle du ballon d’eau chaude sera définie par le projeteur ! Il aura intérêt à la laisser minimale.
| Exemple d’une pompe à chaleur AIR-AIR.
Soit T°ext = 0°C (= 273° K) et T°chauff. = 40°C COPthéor = (273 + 40) / (40) = 7,8 !
En théorie, la pompe fournira 8 x plus d’énergie au condenseur que d’énergie demandée au compresseur ! … (les 7/8 de la chaleur étant captés dans l’air extérieur). |
En théorie … car en pratique, plusieurs éléments vont faire chuter cette performance :
- Il existe un écart de température entre le fluide frigorigène et les sources.
Par exemple : si T°ext = 0°C, T°évaporateur = … – 8°C… Et si T°chauff. = 40°C, T°condenseur = … 48°C… d’où un COP = (273 + 48) / (56) = 5,7.
Le coefficient de convection entre l’eau et l’évaporateur étant nettement meilleur que le coefficient de convection entre l’air et l’échangeur, on aura tendance à privilégier les PAC eau/eau. Encore faut-il avoir une rivière au fond de son jardin ou une nappe phréatique sur laquelle il est possible de puiser (autorisation obligatoire). en général, il faudra se résoudre à prendre l’air extérieur comme source froide.
- Or dans ce cas, si la T°ex < 5° C, alors T°fluide évaporateur = 0°C. Dès lors, du givre apparaît sur les ailettes, la glace bouche l’échangeur extérieur, d’où nécessité de dégivrer (soit un courant électrique est envoyé sur l’échangeur pour faire fondre la glace, soit le cycle est inversé et des gaz chauds sont envoyés dans l’évaporateur).
Avec la consommation de dégivrage, le COP moyen diminue fortement.
- Lorsque la température de l’air extérieur descend sous 0°C, le compresseur a de plus en plus de mal à fonctionner : la puissance délivrée au condenseur de la pompe à chaleur devient très faible et il faut parfois ajouter des résistances de chauffage électrique directe à l’installation.
- Il y a nécessité de faire fonctionner le ventilateur de la source froide, d’où une consommation électrique supplémentaire de cet auxiliaire.
Quels COP rencontrés en pratique ?
Nous n’avons pas de résultats de mesures « neutres » qui fourniraient un COP annuel sur une machine existante.
On peut imaginer à la fois que le COP est dégradé par la haute température de l’eau chaude, mais également que sa performance est élevée en été.
On pourrait interpréter les données fournies par les fabricants :
| Exemple.
Imaginons les spécifications techniques dans un catalogue
On en déduit le coefficient de performance : puissance calorifique (au condenseur) / puissance absorbée = Attention ! Ce coefficient est obtenu dans des conditions bien spécifiques ! Par exemple, en petits caractères, le fabricant précise qu’il s’agit de valeurs obtenues pour 7°C extérieur… Cette performance va s’écrouler en période plus froide. En réalité, c’est le rendement moyen saisonnier qui nous intéresse… mais celui-ci n’est jamais donné puisqu’il dépend des conditions d’exploitation. |
Dans le programme de promotion des économies d’énergie suisse « Ravel », on annonce un COP annuel de 3 pour une pompe à chaleur Air-Eau et de 4,5 si la pompe capte l’énergie souterraine, pour autant que le chauffage de l’eau soit limité à 50°C. Si le stockage est prévu à 60°C, une batterie électrique fournit le complément avec de l’électricité directe (COP = 1).
Attention au bilan final : imaginons le chauffage d’1 m³ de 10 à 60°C par une pompe à chaleur air-eau.
L’énergie nécessaire au chauffage de 10 à 50°C par la PAC sera de :
Énergie = 1 m³ x 1,163 kWh/m³ x (50 – 10) / 3 = 15,5 kWh
L’énergie complémentaire pour passer de 50 à 60°C sera de
Energie = 1 m³ x 1,163 kWh/m³ x (60 – 50) = 11,6 kWh
Le COP moyen annuel est alors de :
COP = Energie produite / Energie fournie
= [1 m³ x 1,163 kWh/m³ x (60 – 10)] / [15,5 + 11,6] = 2,15
Technologies
On distingue :
- Une installation compacte dans laquelle évaporateur à lamelles et compresseur sont situés sur le ballon et le condenseur y est intégré.
- Une installation « split » où évaporateur et compresseur sont installés séparément, notamment parce que la source de chaleur et le chauffe-eau ne se trouvent pas au même endroit.
Entre le ballon et la pompe à chaleur, différents modes de transport de la chaleur sont possibles :
- Par le fluide frigorigène (coefficient de performance élevé mais nécessité d’une construction anticorrosion limitant le risque de contact avec l’eau potable). On utilise généralement des conduites pré-chargées de fluide frigorigène et obturées par une feuille métallique. Lors du vissage des conduites, une broche percera la feuille métallique.
- Par l’eau du ballon, au moyen d’un échangeur de chaleur extérieur à celui-ci.
- Par un liquide intermédiaire, construction plus complexe mais sécurité accrue (le circuit du fluide intermédiaire doit être équipé d’un dispositif automatique de dégazage).
- Par un condenseur extérieur disposé autour de l’accumulateur d’eau chaude, toute infiltration du frigorigène étant alors exclue.
Certains appareils possèdent en outre une résistance électrique d’appoint pour porter l’eau à plus haute température (55 à 60°C).
Il existe des appareils avec évaporateur statique (sans ventilateur), dont la surface d’échange est étendue.
Installation
Le raccordement électrique (disjoncteur, …) est similaire à celui d’un chauffe-eau électrique.
Il faut cependant prévoir en plus un conduit d’évacuation des condensats provenant de l’humidité de l’air.
Boiler thermodynamique
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Une installation monobloc compacte dans laquelle évaporateur à lamelles, compresseur et condenseur sont intégrés dans une unité unique avec le ballon. La source froide peut être :
- L’air ambiant du local (solution simple mais déconseillée dans les pièces de vie car elle refroidit l’espace et peut générer des nuisances sonores)
- L’air extérieur via des conduits aérauliques (solution la plus répandue, avec des performances saisonnières désormais optimisées jusqu’à -7°C extérieur)
- L’air extrait de la ventilation (solution particulièrement efficace en rénovation avec VMC)
- Une source géothermique (solution plus rare mais offrant les meilleures performances)
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Une installation « split » où l’unité thermodynamique (évaporateur et compresseur) est séparée du ballon, permettant une plus grande flexibilité d’installation et la possibilité d’exploiter différentes sources de chaleur. Ces systèmes sont désormais disponibles avec des distances de liaison frigorifique pouvant atteindre 20 mètres.
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Une installation hybride combinant la PAC avec une autre source d’énergie (solaire thermique, chaudière, etc.) pour optimiser les performances saisonnières et la résilience du système.
Entre le ballon et la pompe à chaleur, différents modes de transport de la chaleur sont possibles, avec des évolutions significatives depuis la rédaction initiale de l’article :
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Par le fluide frigorigène (coefficient de performance élevé mais nécessité d’une construction anticorrosion). Les systèmes modernes utilisent des échangeurs à plaques brasées en acier inoxydable ou des échangeurs tubulaires à double paroi pour garantir la sécurité sanitaire. Les conduites pré-chargées sont désormais équipées de raccords sécurisés limitant les risques de fuite lors de l’installation.
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Par l’eau du ballon, via un échangeur externe à plaques. Cette solution, plus répandue aujourd’hui, permet d’utiliser des fluides frigorigènes à faible PRP (Potentiel de Réchauffement Planétaire) comme le R290 (propane) ou le R744 (CO2) sans risque pour l’eau sanitaire.
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Par un liquide intermédiaire (généralement de l’eau glycolée), offrant une sécurité accrue et permettant d’exploiter des sources de chaleur distantes. Les systèmes actuels intègrent des dispositifs automatiques de dégazage et de maintien de pression.
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Par un condenseur extérieur enroulé autour de l’accumulateur (technologie « manteau »), solution qui connaît un regain d’intérêt avec les nouveaux fluides naturels car elle élimine tout risque de contamination de l’eau sanitaire.
- Une régulation intelligente avec programmation horaire, mode absence et connectivité (pilotage à distance via smartphone)
- Un système de protection contre la légionellose conforme aux exigences sanitaires actuelles (cycle automatique à 60°C)
- Une résistance électrique d’appoint modulante pour garantir le confort en toutes circonstances
- Un affichage des consommations énergétiques conforme à la directive européenne ErP
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Dimensionnement adapté : Les chauffe-eau thermodynamiques modernes fonctionnent avec un écart de température à l’échangeur (pincement) de 5 à 8°C, contre environ 20°C pour les systèmes conventionnels. Cette caractéristique, qui permet d’optimiser le COP en minimisant la température du condenseur, implique généralement un volume de stockage supérieur à la solution remplacée.
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Temps de chauffe : Les PAC modernes ont des puissances thermiques comprises entre 1,5 et 3 kW, inférieures aux résistances électriques traditionnelles (3 à 6 kW), mais leur efficacité énergétique est 3 à 4 fois supérieure.
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Intégration au réseau électrique : De nombreux modèles récents sont compatibles avec les signaux de pilotage du réseau (smart grid ready) et peuvent fonctionner en heures creuses ou s’adapter à la production photovoltaïque.
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Acoustique : Les niveaux sonores ont été considérablement réduits (35-45 dB(A) à 2m) grâce à des compresseurs à vitesse variable et des ventilateurs à commutation électronique.
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Fluides frigorigènes : La réglementation F-Gas impose désormais l’utilisation de fluides à faible PRP. Les fabricants proposent des solutions avec R290 (propane), R32 ou R513A, voire CO2 (R744) pour les applications à haute température.
Boosters de chaleur pour ECS
Principe et évolutions techniques
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Intégration aux réseaux de chaleur basse température : Les boosters sont désormais couramment utilisés dans les réseaux de chaleur fonctionnant à basse température (35-45°C), permettant de produire de l’ECS à 60°C tout en maintenant des températures de distribution réduites, ce qui améliore l’efficacité globale du réseau et facilite l’intégration des énergies renouvelables.
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Compatibilité avec les systèmes de chauffage décarbonés : Les boosters s’intègrent parfaitement aux systèmes utilisant des pompes à chaleur principales ou des chaudières biomasse, contrairement à la mention initiale qui évoquait uniquement des chaudières conventionnelles.
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Performances améliorées : Les COP des boosters modernes atteignent 4 à 6 grâce à des compresseurs à vitesse variable et des échangeurs optimisés, rendant leur bilan énergétique beaucoup plus favorable qu’initialement décrit.
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Fonctionnement estival optimisé : Les systèmes actuels peuvent fonctionner en mode « free cooling » en été, produisant de l’ECS tout en rafraîchissant activement les locaux, avec une gestion intelligente des circulateurs à haute efficacité énergétique (IEE ≤ 0,20 selon le règlement européen 641/2009).
Applications et configurations
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Boosters centralisés : Installés en chaufferie, ils alimentent un ballon de stockage ECS collectif. Cette solution est particulièrement adaptée aux petits immeubles collectifs.
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Boosters semi-décentralisés : Installés dans des gaines techniques d’étage, ils desservent plusieurs logements avec des distances de distribution réduites.
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Boosters individuels : Installés dans chaque logement, ils offrent une comptabilisation individuelle des consommations et éliminent les pertes des boucles de recirculation. Cette solution, initialement mentionnée comme « probablement intéressante », s’est imposée comme une référence dans les bâtiments collectifs neufs et en rénovation.
Bilan énergétique et environnemental actualisé
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Efficacité globale : Dans un système avec production de chaleur décarbonée (PAC, biomasse, réseau de chaleur renouvelable), les boosters permettent d’optimiser la température de fonctionnement du système principal tout en garantissant une production d’ECS à température suffisante.
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Réduction des pertes de distribution : La suppression des boucles de recirculation traditionnelles peut réduire les pertes énergétiques de 15 à 30% dans les immeubles collectifs, un gain désormais bien documenté par plusieurs études de terrain.
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Fluides frigorigènes : Les boosters modernes utilisent systématiquement des fluides naturels à très faible PRP :
- Propane (R290, PRP = 3) pour les petites puissances
- CO2 (R744, PRP = 1) pour les applications de moyenne et grande puissance
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Sécurité : Les normes actuelles (EN 378:2016+A1:2020) et le règlement F-Gas révisé encadrent précisément l’utilisation de ces fluides. Les fabricants proposent des solutions préchargées avec des quantités limitées et des détecteurs de fuite intégrés, rendant leur installation beaucoup plus simple qu’évoqué initialement.
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Intégration aux stratégies de flexibilité énergétique : Les boosters modernes peuvent participer à l’équilibrage du réseau électrique via des fonctions de modulation de puissance et de stockage thermique intelligent.
Retours d’expérience
- Les réseaux de chaleur urbains de 4ème et 5ème génération
- Les bâtiments collectifs à haute performance énergétique
- Les rénovations d’immeubles avec passage en basse température
- Les bâtiments tertiaires avec besoins simultanés de chauffage/rafraîchissement et d’ECS
Production d’ECS par stockage en eau technique
Principe et évolutions techniques
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Performances des échangeurs : Les échangeurs à plaques modernes offrent des rendements thermiques supérieurs à 95%, limitant la perte de température à 1-2°C contre les « quelques degrés » mentionnés initialement. Ces échangeurs sont désormais dimensionnés avec des approches de température (pincement) de 2 à 3°C.
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Systèmes anti-calcaire intégrés : La problématique du calcaire, identifiée comme un inconvénient majeur, est aujourd’hui traitée par plusieurs solutions :
- Échangeurs à plaques démontables facilitant l’entretien
- Systèmes de traitement d’eau par polyphosphates ou électromagnétiques
- Régulation intelligente limitant les températures excessives
- Dispositifs d’auto-nettoyage par inversion de flux
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Compacité améliorée : Les systèmes actuels sont beaucoup moins « volumineux » grâce à :
- Une meilleure stratification thermique dans les ballons
- Des échangeurs à plaques plus performants permettant de réduire le volume de stockage
- Des modules hydrauliques préfabriqués intégrant pompes, échangeurs et régulation
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Régulation avancée : Les systèmes modernes intègrent une régulation prédictive qui anticipe les besoins et optimise la température de stockage en fonction des habitudes de consommation et des prévisions météorologiques.
Applications et configurations
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Systèmes semi-instantanés : Combinant un petit volume de stockage en eau technique avec un échangeur dimensionné pour les pointes, ils offrent un bon compromis entre compacité et performance.
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Systèmes à double échange : Intégrant un préchauffe par récupération de chaleur (eaux grises, condensation frigorifique, etc.) avant le réchauffage principal.
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Systèmes à accumulation variable : Adaptant dynamiquement la température de stockage en fonction des besoins prévus et de la disponibilité des énergies renouvelables.
Avantages actualisés
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Séparation hydraulique complète : Garantit une sécurité sanitaire optimale, particulièrement importante dans le contexte des exigences accrues concernant la légionellose.
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Flexibilité des sources d’énergie : Permet d’intégrer facilement plusieurs sources de chaleur (PAC, solaire thermique, récupération de chaleur, biomasse) sur le même volume tampon.
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Optimisation des générateurs : Les pompes à chaleur fonctionnent à température constante et optimale, améliorant leur durée de vie et leur coefficient de performance.
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Gestion de la puissance : Permet de dimensionner les générateurs sur la puissance moyenne et non sur les pointes, réduisant les coûts d’investissement et les cycles courts.
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Intégration aux stratégies de flexibilité énergétique : Le stockage en eau technique peut servir de tampon énergétique pour absorber la production variable d’énergies renouvelables ou participer à l’effacement lors des pointes de consommation électrique.
Applications privilégiées
- Bâtiments collectifs de taille moyenne à grande (>10 logements)
- Établissements avec besoins importants et variables (hôtels, établissements sportifs)
- Installations valorisant plusieurs sources d’énergie renouvelable
- Systèmes nécessitant une grande flexibilité de fonctionnement
- Bâtiments avec contraintes sanitaires élevées (établissements de santé)
Dimensionnement optimisé
- Volume de stockage : 15-25 litres par kW de puissance de pointe (contre 30-40 litres auparavant)
- Puissance d’échange : 110-120% du besoin de pointe pour compenser les pertes
- Stratification : ballons avec déflecteurs ou à stratification active
- Isolation : niveau minimum R=5 m²K/W pour limiter les déperditions à moins de 5% de l’énergie stockée
Conclusion et recommandations générales (mise à jour 2025)
Évolutions majeures depuis 2007 (rédaction initiale)
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Performances énergétiques : Les COP ont progressé de 30 à 50% grâce aux compresseurs à vitesse variable, aux détendeurs électroniques et aux échangeurs optimisés.
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Fluides frigorigènes : Transition complète vers des fluides à faible PRP conformément au règlement F-Gas, avec une adoption croissante des fluides naturels (R290, R744).
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Connectivité et intelligence : Intégration de fonctionnalités smart grid, d’algorithmes d’apprentissage et de connectivité pour optimiser le fonctionnement en fonction des habitudes de consommation et des signaux du réseau électrique.
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Hybridation des solutions : Développement de systèmes combinant plusieurs technologies (PAC + solaire, récupération de chaleur, etc.) pour maximiser l’efficacité globale.
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Intégration aux stratégies de décarbonation : Positionnement des solutions PAC pour ECS comme éléments clés des stratégies de décarbonation des bâtiments, avec des incitations réglementaires et financières renforcées.
Cadre réglementaire actualisé
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Directive Écoconception (ErP) : Exigences minimales de performance pour les chauffe-eau (règlement UE 814/2013) avec renforcement prévu en 2025-2026.
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Étiquetage énergétique : Classification de A+++ à G selon le règlement délégué UE 812/2013, avec révision de l’échelle en 2026.
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Réglementation F-Gas : Interdiction progressive des fluides à fort PRP, avec un calendrier accéléré dans la révision 2022-2023.
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Réglementations thermiques :
- En Wallonie : exigences PEB renforcées avec facteurs de conversion favorables aux PAC
- À Bruxelles : intégration dans la stratégie de rénovation du bâti et les exigences PLAGE
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Normes sanitaires : Renforcement des exigences concernant la prévention de la légionellose (maintien à 60°C périodique obligatoire).
Recommandations pour le choix d’une solution
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Profil de consommation :
- Besoins réguliers et modérés → Chauffe-eau thermodynamique individuel
- Besoins variables avec pointes importantes → Système à accumulation en eau technique
- Besoins dans un bâtiment avec réseau de chaleur basse température → Boosters
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Intégration au bâtiment :
- Espace disponible et contraintes acoustiques
- Possibilité d’évacuation des condensats
- Qualité de l’air disponible comme source froide
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Contexte énergétique global :
- Présence d’autres systèmes de production de chaleur
- Disponibilité d’énergies renouvelables sur site
- Objectifs de décarbonation du bâtiment
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Aspects économiques :
- Coût global sur le cycle de vie (investissement + exploitation)
- Disponibilité d’aides financières (primes énergie, certificats verts, etc.)
- Évolution prévisible du coût des énergies
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Maintenance et durabilité :
- Accessibilité pour l’entretien
- Disponibilité des pièces détachées
- Évolutivité du système
Auteur : les anciens
Mars 2009 : Thibaud
Notes :