L’air rejeté augmente le rendement du système de pompe à chaleur

Récupération de chaleur via des systèmes de ventilation

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Il n’y a pas si longtemps, l’air rejeté des systèmes de ventilation était simplement évacué vers l’extérieur. Avec l’arrivée du système D, cette chaleur était déjà en partie réutilisée. Aujourd’hui, cet air de ventilation évacué riche en énergie peut être utilisé pour la production d’eau chaude sanitaire et pour le chauffage des locaux. Cela se fait en déviant l’air extrait vers un système de pompe à chaleur qui utilise la chaleur de l’air rejeté pour la production de chaleur et atteint ainsi un rendement supérieur.

REcupErer la chaleur des flux d’Evacuation

Toute la chaleur qui quitte le bâtiment via les flux résiduels, entre en considération pour la récupération de chaleur. C’est ainsi que la chaleur de l’eau de douche, p.ex., peut être récupérée pour le préchauffage de l’eau du robinet, mais l’air de ventilation évacué contient aussi pas mal d’énergie.

Comment rEcupErer la chaleur de l’air de ventilation?

Système D

Dans un système de ventilation D, en vertu duquel tant l’amenée d’air frais que l’évacuation de l’air vicié se font de façon mécanique, l’énergie que comporte encore l’air de ventilation évacué, est récupérée depuis plus longtemps déjà. Cela s’effectue par le biais d’un échangeur de chaleur. L’air intérieur expiré restitue sa chaleur via l’échangeur à l’air extérieur fraîchement aspiré. Des rendements de gains de chaleur de 70 à 90% sont réalisables. Dans un système D avec récupération de chaleur, l’air rejeté contient encore une certaine chaleur résiduelle, même après avoir transmis son énergie au flux d’air aspiré. Cette chaleur résiduelle est déviée vers une pompe à chaleur dans certains systèmes. Ce qui profite au rendement de la pompe à chaleur.

Système C

Dans un système de ventilation C, avec amenée naturelle et évacuation mécanique, une telle récupération de chaleur n’est pas possible. Ici, l’amenée d’air frais se fait directement via des grilles dans les fenêtres, et cela rend l’échange de chaleur impossible. L’énergie de l’air extrait peut être récupérée dans les systèmes C en envoyant l’air évacué par-delà un système de pompe à chaleur. L’écart de température de l’air avant qu’il entre dans la pompe à chaleur et au moment où il quitte la pompe à chaleur, correspond en moyenne à une baisse de 10 à 15 degrés.

La combinaison avec une pompe A chaleur

Une combinaison avec une pompe à chaleur est donc possible sur un système C et D. Attention, réaliser cette combinaison n’est pas une mince affaire. En effet, une pompe à chaleur a besoin d’un débit constant. Le débit aspiré du système de ventilation ne correspond pas toujours au débit continu nécessaire au fonctionnement de la pompe à chaleur. Le débit d’évacuation total actuel de la ventilation est mesuré et en fonction de cela, l’air extérieur n’est pas aspiré ou est aspiré en quantité plus importante ou plus faible. Une commande et une construction du système adaptées sont indispensables. A cette fin, les fabricants ont mis sur le marché des solutions prêtes à l‘emploi. Ces appareils tout-en-un comportent un système de ventilation et éventuellement aussi un réservoir ballon, tous en harmonie pour une interaction idéale.

SYSTEMe C avec pompe A chaleur

Avec quelle pompe à chaleur une combinaison est-elle possible?

Le système de ventilation C ne peut être combiné qu’avec une pompe à chaleur qui extrait sa chaleur de l’air (p.ex. une pompe à chaleur air-eau et air-air). Dans un tel système de pompe à chaleur, l’air est envoyé par-delà l’évaporateur de la pompe à chaleur. L’évaporateur est constitué d’un système de tubes dans lequel circule un liquide de refroidissement. L’air circule par-delà ce système de tubes et la chaleur de l’air fait s’évaporer le liquide de refroidissement dans les conduites. Le liquide de refroidissement évaporé se dirige vers le compresseur, qui comprime la vapeur. La vapeur comprimée augmente fortement en température et cette chaleur est restituée dans le condenseur à l’installation de chauffage (à l’eau pour une pompe à chaleur air-eau et à l’air pour une pompe à chaleur air-air). La vapeur s’y condense et est ensuite amenée à une pression plus basse par la soupape d’expansion, puis le processus peut recommencer.

Facteurs qui influencent le rendement de la pompe à chaleur

La performance de la pompe à chaleur s’exprime par son coefficient de performance (COP). Celui-ci indique combien de kW d’énergie thermique délivre 1 kW d’électricité (p.ex. un COP de 3 signifie qu’on peut produire 3 kW d’énergie thermique avec 1 kW d’énergie électrique). Plus le COP est élevé, plus la pompe à chaleur est performante.

Plus la température d’évaporation et la température de condensation sont proches, plus la pompe à chaleur est efficace et plus le COP est élevé. Concrètement, cela veut dire que plus la différence entre la température de l’air amené et la température ambiante ou température d’eau chaude sanitaire désirée est petite, plus la pompe à chaleur est performante.
Avec des températures d’air inférieures à 7 °C, le rendement de la pompe à chaleur baisse fortement par e.a. la formation de glace et les cycles de dégel nécessaires.
De nombreux appareils ne fonctionnent pas par temps de gel et doivent alors fonctionner avec une résistance de chauffage. Dès lors, l’efficacité du système baisse.
Il faut une amenée d’air suffisante pour garantir un bon fonctionnement de la pompe à chaleur. Plus le volume d’air qui passe par l’évaporateur, est grand, plus l’évaporation est efficace (plus de contact entre l’air et le liquide de refroidissement). Le peu de chaleur résiduelle qui subsiste encore dans un système D après l’échange de chaleur entre le flux d’air rejeté et aspiré, est parfois dévié vers le système de pompe à chaleur (voir encadré). Il ne reste que peu de chaleur dans l’air, mais le débit d’air est bel et bien élevé.

Récupérer la chaleur résiduelle du système D par une pompe à chaleur

Sur un système D avec récupération de chaleur, l’air expulsé contient encore une certaine chaleur résiduelle, même après avoir transmis son énergie au flux d’air aspiré (dans p.ex. un échangeur de chaleur à plaques ou un volant thermique). Cette chaleur résiduelle (et dans les systèmes capables de refroidir et de chauffer, également le froid résiduel) est déviée dans certains systèmes vers la pompe à chaleur. Dans la pompe à chaleur, cette chaleur (ou ce froid) est valorisée et restituée à l’air amené qui est envoyé vers les espaces de vie ou d’autres locaux occupés. Il n’y a pas d’inconfort ou de plaintes de courants d’air à cause d’un air de ventilation trop froid et la température de l’air d’amenée est stable tout au long de l’année. On obtient un rendement thermique supplémentaire de 100% avec un supplément de consommation limitée du compresseur.

Pourquoi l’utilisation de l’air de ventilation est-elle intéressante

L’air de ventilation issu des locaux humides est guidé vers le système de pompe à chaleur, au lieu d’être dévié vers l’extérieur.

L’air de ventilation extrait contient encore pas mal de chaleur (en moyenne 18 °C) qui est perdue autrement.
L’air rejeté a une humidité relative élevée (songez à l’air rejeté de la salle de bains). L’air humide contient plus de chaleur (parce que l’eau retient mieux la chaleur que l’air).
La température de l’air de ventilation évacué est assez constante tout au long de l’année, contrairement à l’air extérieur, et approche mieux la température de l’intérieur que l’air extérieur.

warmteterugwinning — Comparaison de la récupération de chaleur et d’humidité avec un échangeur de chaleur à enthalpie par rapport aux autres échangeurs de chaleur. Grâce à la récupération de chaleur de l’échangeur de chaleur à enthalpie, l’énergie de l’air rejeté est récupérée en hiver, de telle sorte que le chauffage d’appoint via la pompe à chaleur n’est que limité. Ceci permet d’obtenir une économie de 8,2 kW

PossibilitEs de COMBINAison avec le systEme C

Pour eau chaude sanitaire et chauffage

Mette en service un système de ventilation C et un système de pompe à chaleur pour le chauffage uniquement ne se fait pas en Belgique. La combinaison est engagée pour la production de l’eau chaude sanitaire (avec un ballon à pompe à chaleur), ou pour l’approvisionnement en eau chaude sanitaire et le chauffage (avec une pompe à chaleur). La raison en est que la demande de chaleur n’existe pas toute l’année. La demande d’eau chaude sanitaire existe bel et bien toute l’année (donc, l’air de ventilation peut être utilisé toute l’année). Le profil d’utilisation de la pompe à chaleur dans la production d’eau du robinet et la ventilation évolue en grande partie en parallèle. Si la demande de ventilation est plus élevée dans des locaux humides, parce qu’on prend un bain ou une douche, la demande de chaleur de la pompe à chaleur pour ramener l’approvisionnement en eau du robinet à température est également accrue.

En combinaison avec un ballon à pompe à chaleur

Cette combinaison est surtout intéressante dans les rénovations, par exemple si la pose de nouvelles fenêtres et l’isolation/étanchéité à l’air améliorée rendent un système de ventilation nécessaire. Au lieu d’extraire son air de l’extérieur ou du local où il se trouve, le ballon à pompe à chaleur utilise, s’il est combiné avec un système de ventilation C, l’air de ventilation extrait pour la production d’eau chaude sanitaire. L’air évacué traverse l’évaporateur, se refroidit et est ensuite évacué vers l’extérieur du ballon à pompe à chaleur via un autre conduit d’air. Le principe de fonctionnement est identique à celui dans une pompe à chaleur ordinaire. Le liquide de refroidissement s’évapore dans l’évaporateur, est comprimé dans le compresseur et la chaleur produite est restituée dans le condenseur. Le condenseur restitue la chaleur à l’eau dans le réservoir ballon (par exemple, via un échangeur à serpentin). Comme chauffage d’appoint et/ou pour lutter contre la légionelle, ces appareils sont munis d’une résistance électrique. Le ballon à pompe à chaleur peut être combiné avec des collecteurs solaires thermiques (si deux échangeurs de chaleur sont présents). En été, on peut passer aux collecteurs thermiques, la pompe à chaleur pouvant assurer le chauffage d’appoint (ou étant éventuellement débranchée complètement). La combinaison avec des panneaux PV est aussi possible pour produire l’électricité nécessaire à la pompe à chaleur.

En combinaison avec une pompe à chaleur avec réservoir ballon

Une pompe à chaleur peut aussi être raccordée sur le conduit d’extraction de la ventilation. Le principe de fonctionnement est à nouveau identique. Un ventilateur aspire l’air des locaux humides du bâtiment et l’envoie par-delà l’évaporateur. L’évaporateur récupère la chaleur de l’air et l’air refroidi par l’évaporateur est expulsé via un conduit d’air séparé. La pompe à chaleur se charge du chauffage des locaux (à basse température) et de l’approvisionnement en eau chaude sanitaire. Il existe deux circuits de condenseur séparés, un pour le sanitaire et un pour le chauffage. Un système hybride (p.ex. une pompe à chaleur associée à une chaudière externe ou une résistance électrique) peut être engagé comme chauffage d’appoint/protection contre la légionelle aux moments où la quantité de chaleur demandée excède la chaleur produite. La pompe à chaleur peut être combinée avec des collecteurs solaires thermiques et des panneaux PV.

warmteterugwinning — On doit vérifier qu’un débit d’air suffisant est garanti pour un bon fonctionnement de la pompe à chaleur. Ventiler plus que nécessaire n’est pas une solution. Il vaut mieux aspirer à l’intérieur un air extérieur complémentaire

SystEme D avec pompe A chaleur

Comme relevé, on peut aussi brancher un système de ventilation D sur une pompe à chaleur (pompe à chaleur air-eau/air-air/air-eau-air, cette dernière avec unités split). Ceci offre quelques avantages. Etant donné qu’un système D assure l’amenée dans les locaux secs, on peut aussi simplement refroidir et chauffer via ces conduits d’amenée. Bien sûr, cette capacité de refroidissement est limitée, vu que les débits de ventilation sont calculés à l’aide de la norme NBN D 50.001. On peut opter pour une adaptation des conduits d’amenée afin de prévoir un plus grand débit et de pouvoir refroidir et/ou chauffer davantage. Ce n’est pas toujours la meilleure méthode de travail.

Dans de tels cas, on peut aussi toujours opter pour des systèmes de chauffage de l’air. Le but est quand même d’offrir un confort accru dans l’habitation.

Cela signifie qu’on peut assurer un chauffage supplémentaire à l’aide de la pompe à chaleur et, au besoin, aussi le refroidissement. Dans cette histoire, l’augmentation du confort prime sur le refroidissement. Un chauffage supplémentaire via l’air d’amenée est agréable, mais pas toujours nécessaire, songez par exemple aux chambres. Dans de tels locaux, une amenée d’air chaud supplémentaire n’est pas toujours (aussi) agréable. Une chambre froide dans les périodes chaudes de l’année, par contre, est bel et bien perçue comme agréable. Un système D vous offre le choix entre différents échangeurs de chaleur:

échangeur à plaques;
volant thermique;
système twin coil;
échangeur à enthalpie.

Si l‘on veut coupler un système D à une pompe à chaleur, la dernière option est probablement l‘une des meilleures solutions sur le marché.

Echangeur de chaleur à enthalpie

Cet échangeur à chaleur est construit comme un échangeur de chaleur, avec la grande différence que les plaques ne sont pas réalisées en plastique ou en métal, comme c’est le cas sur de nombreux échangeurs de chaleur, mais en cellulose (de papier). L’avantage est d’échanger la chaleur aussi bien tangible que latente à l’air frais. Etant donné qu’on redonne aussi en partie l’humidité à l’air frais insufflé dans les locaux secs, on n’aura pas besoin de prévoir une humidification complémentaire pendant les périodes de faible humidité de l’air (hiver). Un autre avantage est de pouvoir construire la machine de façon complètement différente, car on n’a plus besoin d’évacuation de la condensation. Un tel système D peut donc être placé sous des angles de 45°, 90° et 180°, ce qui procure passablement des avantages techniques.

By-pass sur le système D

Tous les systèmes de ventilation disponibles sur le marché belge sont proposés avec un by-pass été. Cette fonctionnalité permet au système de ventilation de souffler de l’air frais dans le bâtiment, sans que cet air passe par l’échangeur de chaleur. Ce principe est mieux connu comme free cooling.

Bien entendu, on utilisera cette fonction lors de l’accouplement à une pompe à chaleur, afin de ne pas toujours avoir besoin de cette même pompe à chaleur pour insuffler de l’air frais dans l’habitation. La charge frigorifique est donc aussi nettement inférieure.

Durant le ‘free cooling’, l’air chaud est éliminé du bâtiment par le moteur d’extraction intégré dans le système D. Dans la plupart des cas, il s’agit d’une fonction automatique qui veille à obtenir toujours une ventilation optimale en fonction de la situation dans les locaux spécifiques.

Nécessité d’une isolation

Etant donné que l’on conditionne l’air d’amenée selon les désirs de l’utilisateur, tous les conduits d’amenée doivent être isolés. Ceci induit un certain supplément de coût et influence le positionnement des conduits. Il est important d’inclure aussi ce diamètre plus grand dans l’implantation des conduits. Cette étape est cruciale, car le risque de condensation est grand.

Un système C combiné avec une pompe à chaleur n’a pas besoin de cette isolation supplémentaire. En effet, l’amenée provient d’une grille de fenêtre.

Rénovation?

A moins d’être confronté à une rénovation en profondeur, combiner un système D avec une pompe à chaleur est tout un défi. Le choix d’un système C est la meilleure alternative dans un tel cas. La construction par empilement, dans laquelle est souvent prévue une gaine centrale avec par-dessus l’extraction des cellules humides, un système avec pompe à chaleur pour les appartements peut aussi être implémenté. La gaine de ventilation existante est utilisée pour orienter l’évacuation de l’air vicié chaud vers la pompe à chaleur. Celle-ci se charge, à son tour, de la production d’eau chaude. Il existe donc aussi des solutions pour de tels blocs d’appartements plus anciens qui permettent d’endiguer la consommation d’énergie, sans trop grandes adaptations.

warmteterugwinning — Un échangeur de chaleur à enthalpie est construit comme un échangeur à plaques, avec la différence que les plaques ne sont pas en plastique ou en métal, comme c’est le cas sur les changeurs de chaleur, mais en cellulose

Points d’attention

Ne ventilez pas plus que nécessaire

Combinez le système de pompe à chaleur avec un système de ventilation C à la demande (la majorité de systèmes C fonctionnent aujourd’hui à la demande). Le débit d’évacuation est réglé de façon intelligente par emplacement (via des mesures de capteurs de CO2, humidité, COV, etc.). Ceci permet de limiter le débit de ventilation (et les pertes de ventilation) quand il n’y a aucune présence ou quand la qualité de l’air est sous contrôle.

Uniquement l’air de ventilation ou aussi l’air extérieur?

On doit examiner au cas par cas si le débit d’air suffisant est garanti pour un bon fonctionnement de la pompe à chaleur (par exemple, 300 m³/h). Ventiler plus que nécessaire pour atteindre un débit suffisant annihile le fonctionnement économe en énergie. Il vaut mieux aspirer à l’intérieur de l’air extérieur complémentaire (l’air intérieur et l’air extérieur se mélangent) pour garantir une amenée d’air suffisante pour la pompe à chaleur. Ceci a une influence directe sur le rendement de la pompe à chaleur. Etant donné que le système fonctionne à la demande et qu’une contamination ne sera pas toujours constatée, on a besoin de davantage d’air extérieur pour le bon fonctionnement de la pompe à chaleur.

Une chaufferie de taille suffisante

Lorsque différentes techniques sont combinées, le local technique requis grandit vite. Tenez-en compte.

Chauffage basse température

Les pompes à chaleur, donc aussi si elles sont combinées avec des systèmes de ventilation, sont toujours combinées avec un chauffage à basse température.

Evacuation de la condensation

Le refroidissement de l’air dans l’évaporateur libère de l’eau de condensation. Il faut prévoir une évacuation de la condensation.

Installation

Pour les dispositions hybrides (par exemple, une pompe à chaleur combinée avec une chaudière), les fabricants disposent le plus souvent d’une disposition plug-and-play. Tant la pompe à chaleur que la chaudière doivent être réglées de façon individuelle, le réglage mutuel est préprogrammé en usine. Avant, nous voyions une pompe à chaleur avec tout autour un caisson dans lequel aboutissait l’air de ventilation évacué. Maintenant, il existe suffisamment de systèmes de pompe à chaleur sur le marché pour lesquels le conduit d’extraction peut être branché directement sur la pompe à chaleur.

Entretien

A l’instar d’une chaudière, une pompe à chaleur et un système de ventilation reçoivent un entretien tous les deux ans.