PLUS D'INSTALLATIONS DE POMPE A CHALEUR, MAIS SURTOUT MEILLEURES 

DIMENSIONNEMENT ET AUTRES DEFIS POUR L'INSTALLATEUR, LE FABRICANT ET LES AUTORITES 

La pompe à chaleur se répand de plus en plus. En 2018, quelque 73.000 exem­plaires ont été vendus en Belgique, avec la version air-air en tête. Le monde poli­tique semble entre-temps s’intéresser peu à peu à la chaleur verte et la méthode de calcul PEB embrasse aussi de plus en plus la pompe à chaleur. Des signes encoura­geants pour le secteur et la technologie, même si le 25 septembre, pendant le 12e Warmtepomp Symposium (une organisation de la Warmtepompplatform d’ODE Vlaanderen), quelques défis typiques ont aussi été évoqués. Pour l’installateur, c’est toujours l’élaboration concrète d’installations de pompe à chaleur.

(SUR)DIMENSIONNEMENT 

Longuement discuté, mais encore loin d’être résolu: le problème du dimensionnement – et en particulier du surdimensionnement – des pompes à chaleur. Ce, alors qu’on doit ‘simplement’ se baser pour cela sur le calcul de la perte thermique selon (jusqu’à nouvel ordre) la NBN EN 12831:2003 et l’annexe belge correspondante, non?

D’après l’ing. Paul Van den Bossche (CSTC), le calcul unique selon cette norme n’existe pas et la différence entre un dimensionnement correct et un surdimensionnement de la pompe à chaleur réside dans une certaine mesure dans les choix du concepteur pendant le calcul de la perte thermique. La norme prévoit des degrés de liberté, pouvant être utilisés dans la conception d’installation pour aboutir à un dimensionnement plus correct de la puissance réellement nécessaire de la pompe à chaleur.

“Un calcul de la perte thermique selon la norme ne doit pas mener a un surdimensionnement” 

- Paul Van den Bossche (CSTC)

Calcul détaillé

Quelques points méritant, selon Van den Bossche, une attention particulière sont:

• pertes de transmission: “La plupart des matériaux ont des valeurs lambda nettement meilleures que les valeurs par défaut de la norme. Essayez donc autant que possible de connaître les matériaux (d’isolation) réellement utilisés”;
• étanchéité à l’air: “Sur le plan de l’étanchéité à l’air aussi, la norme joue la sécurité. Il vaut à nouveau mieux utiliser les résultats de la mesure d’étanchéité à l’air réelle. S’il s’agit d’un projet de construction neuve et si ces mesures ne sont donc pas disponibles, il est p.ex. possible de calculer avec la valeur d’ambition du projet. Cela engendre certes une certaine insécurité juridique pour le con­cepteur, mais moyennant un engagement clair de l’entrepreneur, cela est certainement possible”;
• débits de ventilation: “Assurez-vous de bien calculer avec les débits de conception et pas par exemple avec la capacité de grille. Dans le cas des systèmes D, la récupération de chaleur peut en principe parfaitement être prise en compte, même si vous devez tenir compte de la stratégie de sécurité antigel de l’appareil. S’il s’agit d’une batterie à air sur le chauffage central, la pompe à chaleur devra donc bel et bien être en mesure de fournir cette puissance”;
• puissance de chauffe: “Dans des situations avec le chauffage par le sol et au niveau du bâtiment, cela a sans aucun doute peu de sens de tenir compte de la puissance de chauffe. La régulation du système doit cependant y être adaptée.”

SOMME 

Van den Bossche remet aussi le calcul de la puissance nécessaire totale au niveau du bâtiment en question. “La puissance du générateur de chaleur – ici, la pompe à chaleur – équivaut selon la norme à la somme de toutes les puissances par pièce. Cela semble logique, mais cela ne l’est pas. Entre le niveau de la pièce et du bâtiment, il doit, en effet, y avoir quelques différences en matière d’approche.

Au niveau de la pièce, les pertes de chaleur du chauffage par le sol vers le bas ne sont p.ex. pas prises en compte, alors qu’au niveau du bâtiment, elles ont un impact (négatif). D’autre part, il peut être justifié d’appliquer au niveau du bâtiment des réductions pour les pertes de ventilation. Le débit total réel du ventilateur est, en effet, souvent inférieur à la somme de tous les débits distincts

Simultanéité

La norme se base, enfin, toujours sur la pire situation possible. “Le calcul selon la norme se fait non seulement à une température de -8 °C (selon la région), mais part, en outre, du principe que le vent souffle aussi fort à ce moment, qu’il n’y a pas de soleil, et qu’on chauffe et ventile pleinement partout. La probabilité que cette situation se produise dans la réalité, est quasiment nulle, même si nous n’avons actuellement pas encore de mesures concrètes. En surveillant un certain nombre de cas, nous espérons toutefois pouvoir aussi ajuster la norme sur ce plan dans le futur.”

Installations techniques du bâtiment Herman Teirlinck

Le décor du douzième Warmtepomp Symposium était le bâtiment Herman Teirlinck à Bruxelles. Le complexe, abritant notamment divers services des autorités flamandes, est considéré comme le plus grand bureau passif de Belgique. L’ing. Kurt Corvers, COO du bureau d’études Boydens Engineering, s’est attardé sur les installations techniques.

Tout commence par le stockage de chaleur et de froid et l’activation du noyau de béton

“A la base, le bâtiment est chauffé et refroidi de manière passive au moyen de trois pompes à chaleur, d’une puissance de 175 kW chacune et raccordées à un système géothermique ouvert (stockage de chaleur et de froid). Les appareils se trouvent dans un spacieux local au -2, d’où tout est distribué vers l’activation du noyau de béton (ANB) à travers le bâtiment.”

“Notez que la température de retour de l’ANB est régulée en fonction d’une température de réglage. En cas de besoin, nous pouvons ainsi prévoir par zone ou local une certaine déviation de la ligne de chauffe centrale. Une zone avec un seul bureau aura, en effet, besoin de plus de chauffage et moins de rafraîchissement qu’une même superficie avec huit postes de travail.”

Eau chaude sanitaire

Le bâtiment Herman Teirlinck n’échappe toutefois pas au défi de l’ECS et du chauffage de pointe. “Il était impossible de satisfaire à l’énorme demande d’ECS du bâtiment avec les pompes à chaleur et la géothermie. Nous avons donc dû placer aussi trois chaudières à condensation à gaz, d’une puissance de 300 kW chacune. Comme il s’agit ici d’une haute construction, la chaufferie ne pouvait cependant pas se trouver dans la cave. Les chaudières sont donc au 14e étage, d’où l’eau est envoyée vers un échangeur thermique dans le local des pompes à chaleur. Cela génère hélas encore assez bien de pertes de distribution, mais lors de l’adjudi­cation, c’était la meilleure option possible.”

Refroidissement adiabatique

Il y avait, enfin, aussi la forte demande de refroidissement du bâtiment. “Si nous utilisions uniquement les pompes à chaleur, nous réchaufferions probablement vite le sol. C’est pourquoi un refroidissement adiabatique a encore été prévu, outre le refroidissement passif via l’ANB. Il utilise de l’eau de pluie récupérée pour humidifier l’air de retour des bureaux et assure ensuite un processus d’évaporation pour lequel de la chaleur est extraite à l’air d’amenée frais. Même les jours très chauds, il est ainsi encore possible de ventiler avec de l’air frais de 19 à 21 °C, sans charger le sol.”

“Au total, on compte ici env. 1,4 MW”, conclut Corvers. “Par rapport aux 3 à 8 MW qu’on peut attendre pour chauffer et rafraîchir un bâtiment de ce calibre, il s’agit d’une très belle performance.”

EAU CHAUDE SANITAIRE 

Petite nuance: ce qui précède, ne tient pas encore compte de la production d’eau chaude sanitaire. Cela constitue pourtant régulièrement aussi une question pour les installateurs. Car quelle technologie appliquer idéalement pour cela, et quel impact la puissance nécessaire pour cela a-t-elle, le cas échéant, sur le dimensionnement de la pompe à chaleur?

L’Ir. Thibaut Winters (KU Leuven) a réalisé une comparaison énergétique, économique et éco­logique entre diverses technologies pour la pro­duction d’ECS. Une option absolument ‘mei­lleure’ ne s’en est pas dégagée. Un chauffe-eau au gaz est p.ex. l’option la moins chère, mais a des résultats médiocres en matière d’énergie renouvelable et d’émissions de CO2. Les capteurs solaires réalisent des performances moyennes sur tous les plans, mais s’inclinent face aux panneaux solaires et aux pompes à chaleur. La combinaison de ces deux derniers a donc, selon Winters, le plus gros potentiel.

Mais quelle puissance supplémentaire pour la production d’ECS faut-il encore prendre en compte lors du dimensionnement de la pompe à chaleur et quelle doit être la taille du réservoir de stockage? Van den Bossche renvoie ici aux courbes PV, dont on peut déduire tant le volume de chauffe-eau utile (V) et la puissance de l’échangeur thermique (P) que la baseload pour la consommation journalière maximale. Pour déterminer la puissance totale de la pompe à chaleur (avec priorité pour l’ECS), cette baseload doit ensuite être additionnée à la puissance de chauffage nécessaire. Il y a tout de même ici aussi un point parti­culièrement important. La puissance utile dont on doit tenir compte dans la courbe PV sanitaire n’équivaut, en effet, pas simplement à la puissance (de crête) de chauffage de la pompe à chaleur. En raison des températures de production plus élevées pour l’ECS d’une part et de la capacité de l’échangeur thermique dans le chauffe-eau d’autre part, la puissance réelle sera généralement moins élevée.

“Le batiment Herman Teirlinck avait une telle demande de froid qu’on ne pouvait pas refroidir uniquement avec la geothermie”

- Kurt Corvers (Boydens Engineering)

STRATEGIE DE REGULATION INTELLIGENTE 

Si on veut optimiser une installation de pompe à chaleur, la conception et le dimensionnement ne sont toutefois pas les seuls points cruciaux. La stratégie de régulation demande au moins autant d’attention. La présentation de l’ing. Frederik Maertens (Boydens Engineering) révèle que d’énormes gains de confort et même d’énergie sont ainsi possibles. Maertens discute d’une étude réalisée dans le cadre du projet d’expérimentation De Schipjes à Bruges, en étroite collaboration avec le groupe de recherche Thermische Systeem Simulaties de la KU Leuven.

Le clos résidentiel historique De Schipjes, avec 12 petites habitations, a subi une rénovation poussée. Sur le plan énergétique, on a opté après une étude comparative pour un réseau thermique local à basse température, avec production centrale au moyen d’une pompe à chaleur sol-eau en combinaison avec l’énergie solaire. Pour la production d’ECS, chaque habitation est équipée en plus d’une pompe à chaleur ‘booster’, et le dégagement de chaleur s’effectue via le chauffage par le sol d’une part et des radiateurs d’autre part.Confort accru

En complément à la stratégie de régulation classique – priorité à l’ECS, pompe à chaleur ‘booster’ intervenant quand la température du tampon local passe sous les 45 °C, pompe à chaleur centrale intervenant quand la température du tampon central n’est pas atteinte, l’ir. Sigrid Feyaerts (KULeuven) a simulé, sous la supervision des prof. Lieve Helsen et prof. ir. Wim Boydens, l’impact de diverses commandes sur la puissance de crête et le confort. Maertens commente les résultats:

• recharger l’ECS plus rapidement: “Activer la pompe à chaleur ‘booster’ à 50 °C dans le tampon local, au lieu de 45 °C, ne s’est pas avéré une mesure utile. Il n’y avait pas d’amélioration réelle du confort, mais une consommation électrique accrue”;
• charger l’ECS la nuit, jusqu’à 70 °C: “Pour absorber le pic matinal, on a ajouté un moment de charge supplémentaire la nuit; ici, la température de réglage du tampon local a aussi été augmentée de 10 °C. Cela a eu un énorme impact sur le confort (+ 10%), par rapport à une hausse limitée de la consommation (+ 2,3%)”;
• exploiter la pompe de circulation de manière optimale: “Le réglage standard était basé sur une priorité absolue pour l’ECS, mais dans la pratique, les pompes de circulation ont suffisamment de puissance pour alimenter, outre la pompe à chaleur ‘booster’, encore un des deux systèmes de dégagement. Si le chauffage par le sol est aussi utilisé pendant le chargement de l’ECS, cela donne, selon les simulations, une amélioration de confort de 7%, sans surconsommation. Dans le cas de radiateurs, le gain de confort atteint même 14%, à nouveau sans augmenter la consommation d’énergie”;
• baisse nocturne: “En baissant la température la nuit à 17 °C au lieu de 15 °C, le confort était amélioré de 6%; la consommation électrique a seulement augmenté de 1,2%”.

Consommation d’énergie réduite

“Sans changer la moindre chose au niveau des composants, nous obtenons un gain de confort et d’energie”

- Frederik Maertens (Boydens Engineering)

Bien que plusieurs des stratégies ci-dessus génèrent déjà une amélioration sensible du confort – et ce, sans adapter le moindre composant dans l’installation, elles s’accompagnent tout de même dans la plupart des cas d’une petite surconsommation électrique. “Pour économiser de l’énergie, nous avons ensuite encore réexaminé la production de chaleur. Le réseau thermique était, en effet, alimenté toute l’année à 50 °C – chaleur surtout utilisée pour le chauffage des habitations en hiver. Pour la production d’ECS, de telles températures ne sont pas nécessaires par définition. La pompe à chaleur ‘booster’ peut aussi chauffer de l’eau de 25 °C à 60 °C.” Une stratégie de régulation a donc aussi été appliquée sur la ligne de chauffe, avec la production de chaleur centrale limitée à 25 à 30 °C en été. “Comme la situation en hiver ne change pas, cette mesure n’a pas d’impact notable sur le confort. Sur le plan énergétique en revanche, le résultat est vraiment étonnant. La consommation électrique diminue, en effet, de jusqu’à 25%!”

Un point non négligeable: dans l’étude, les différents scénarios ont été examinés séparément. Une nouvelle étude sur les meilleures combinaisons vise dès lors un gain de performance maximal, avec seulement le coût de programmation de réglage marginal comme investissement.

APPEL AUX AUTORITES

Comme le veut la tradition, les messages du Warmtepomp Symposium ne se limitaient pas à l’installateur. Un appel a également été lancé aux autorités et aux responsables politiques. La facture d’électricité entre-temps largement contestée, mais toujours inchangée a été évoquée à plusieurs reprises, comme l’urgence d’activer le potentiel de rénovation. Bram Claeys, directeur général d’ODE Vlaanderen, et Luc De Smet, coprésident de la Warmtepomp­platform, ont même fait dans ce sens la suggestion marquante d’obli­ger sous peu les systèmes de dégagement à basse tem­pérature.

Une attention a également été accordée à la perspective plus large, au niveau de l’échelle comme de la technologie. Un appel à ne pas mettre tous les œufs dans le même panier, mais à considérer la chaleur comme la donnée hétérogène qu’elle est, et à laisser de la place à diverses technologies (renouvelables). Non seulement au niveau du bâtiment, mais aussi en fonction du quartier et de la ville. Une recherche d’une approche globale à part entière, donc.