Chauffage et refroidissement collectifs dans les immeubles d'appartements avec systèmes réversibles

L'été caniculaire de 2025 met une fois de plus en évidence le besoin croissant de refroidissement dans les bâtiments. Les systèmes réversibles constituent une catégorie importante pour les immeubles d'appartements: il s'agit d'installations collectives capables de passer du chauffage au refroidissement par le biais d'un réseau de canalisations commun. Ces systèmes sont prometteurs sur le plan technique, mais ils sont peu utilisés aujourd'hui. La raison? L'absence de lignes directrices claires concernant le choix de la conception et le contrôle de la température. Stef Jacobs (Université d'Anvers) a étudié cette question en profondeur dans le cadre de sa thèse de doctorat.

appartement — Dans les immeubles d'habitation en particulier, les installations collectives offrent des économies d'échelle, une demande de chaleur plus stable et des possibilités d'intégration des énergies renouvelables, telles que les pompes à chaleur et les systèmes d'énergie du sol

Pompes à chaleur et installations collectives

Dans les immeubles d'appartements en particulier, les installations collectives offrent des économies d'échelle, une demande de chaleur plus stable et des possibilités pour intégrer des énergies renouvelables, telles que des pompes à chaleur et des systèmes de géothermie.

Les installations collectives relient plusieurs unités résidentielles à une source thermique commune par l'intermédiaire de grandes canalisations de distribution. Des exemples bien connus sont les réseaux de chaleur dans les villes et les zones résidentielles (voir figure 1), alimentés par la chaleur résiduelle de l'industrie, par exemple. À plus petite échelle également, un mini-réseau de chaleur dans des immeubles d'appartements peut améliorer les performances du système, la source de chaleur pouvant être une connexion à un réseau de chaleur plus important (comme la sous-station B.1 de la figure 1) ou une pompe à chaleur centrale.

Bien que les systèmes collectifs soient généralement conçus pour le chauffage, la demande de refroidissement augmente également. En l'absence de système de refroidissement collectif, les habitants ont souvent recours à des climatiseurs individuels, ce qui augmente la consommation d'énergie et l'effet d'îlot de chaleur urbain dans les villes. En outre, les possibilités de régénération d'un champ de BEO ne sont pas exploitées. Il est donc important de prendre en compte l'augmentation de la demande de refroidissement dès le départ, y compris lors de la conception et de la sélection de la commande des installations collectives. Les systèmes réversibles, qui alternent le chauffage et le refroidissement, offrent une solution à cet égard.

Figuur 1 — Fig. 1: À plus petite échelle, un mini-réseau de chaleur dans les immeubles d'appartements peut améliorer les performances du système, lorsque la source de chaleur peut être une connexion à un réseau de chaleur plus important (tel que la sous-station B.1)

Qu'est-ce qu'un système réversible?

Les systèmes réversibles sont des systèmes collectifs de chauffage et de refroidissement qui passent d'un niveau de température à l'autre, généralement entre le chauffage et le refroidissement. Ce basculement peut être centralisé ou décentralisé. Les variantes les plus connues sont les systèmes de basculement décentralisés: il existe différents circuits de distribution, chacun ayant son propre régime de température, et chaque logement peut choisir de se chauffer ou de se refroidir.

Il existe de nombreuses variantes, mais il est important de savoir qu'il y a toujours un compromis entre le coût et le confort thermique. Par exemple, les tuyaux de distribution représentent généralement une grande partie des coûts d'investissement, et le fait de distribuer continuellement des températures élevées nuit au COP de la pompe à chaleur centrale. Cet article se concentre sur les systèmes décrits dans la figure 2, où le nombre de tuyaux de distribution est limité et où il y a un basculement central entre les niveaux de température. Ces systèmes nécessitent donc un contrôle approprié de la température d'alimentation pour répondre à tous les besoins de confort des occupants. La production centrale est toujours basée sur une ou plusieurs pompes à chaleur.

Le concept A est un système à 4 tuyaux avec des circuits séparés pour le climat ambiant (chauffage et refroidissement) et l'eau chaude sanitaire (ECS). En théorie, ce système offre le meilleur confort pour l'eau chaude sanitaire, puisqu'elle est toujours disponible par le tuyau de circulation, mais à un coût très élevé (OPEX et CAPEX).

Compte tenu des coûts d'investissement élevés pour ces lignes de distribution centrales, deux variantes d'un combilus ont également été étudiées. Le concept B est un combilus (système à 2 tuyaux) avec des pompes à chaleur d'appoint dans chaque logement. En utilisant des pompes à chaleur d'appoint décentralisées, la température de distribution peut être facilement ajustée aux besoins de chauffage et de refroidissement des occupants, ce qui permet de découpler les besoins en eau chaude sanitaire. L'eau chaude sanitaire est produite localement et stockée dans un petit réservoir tampon (150 à 300 litres), la pompe à chaleur d'appoint tirant sa chaleur du combilus.

Enfin, le concept C propose une variante nouvellement étudiée du combilus, dans laquelle chaque appartement dispose de son propre réservoir de stockage d'eau chaude sanitaire (90 à 200 litres). Étant donné qu'il n'y a qu'une seule ligne d'alimentation, il y a un basculement central entre trois régimes de température, à savoir des températures élevées (pour recharger ces réservoirs d'eau chaude), des températures basses (pour le chauffage des locaux) et le refroidissement (en été).

Fig 2 — Fig. 2: Trois variantes de systèmes change-over

Pour chaque concept, il existe une tension entre le confort, l'efficacité énergétique et le coût. Une régulation optimale de la température d'alimentation est donc cruciale pour une bonne performance de la pompe à chaleur centrale et un confort suffisant pour l'utilisateur final.

Un réglage intelligent de la température est essentielle

Les pompes à chaleur fonctionnent mieux aux températures de départ les plus basses possibles. Pour le confort, c'est tout le contraire: l'eau chaude sanitaire nécessite au moins 40°C, et idéalement 55°C pour éviter la prolifération des légionelles. Le chauffage des locaux nécessite au moins 30°C, et le refroidissement requiert des températures inférieures à 20°C. Un contrôle intelligent est donc nécessaire.

Pour cette thèse de doctorat, on a donc développé des contrôles alternatifs de la température d'alimentation, regroupant les différentes demandes thermiques des occupants en fonction du niveau de température. Cela permet d'établir un calendrier dans lequel il y a des périodes de température élevée et des périodes de température basse.

Pour la transition entre le chauffage et le refroidissement des locaux, les résultats ont montré que la température extérieure moyenne journalière était déterminante: à 15°C, il faut passer au refroidissement. En cas de demande de chaleur ou de baisse de température, il est possible de revenir au chauffage. Dans le concept B, il est également possible de passer du refroidissement au chauffage, tant que les températures restent dans la plage de fonctionnement des pompes à chaleur d'appoint décentralisées.

En général, avec les pompes à chaleur d'appoint, la température de distribution optimale est déterminée par les unités de production centrales, car la capacité des pompes à chaleur d'appoint décentralisées est beaucoup plus faible. Même le fait de répondre à un prix variable de l'électricité (l'étude portait sur le prix du marché à un jour, avec des variations horaires) ne s'est pas avérée très rentable.

Le concept C avec des réservoirs de stockage décentralisés pour l'eau chaude sanitaire nécessite une régulation de la température plus sophistiquée pour répondre aux trois besoins de confort. La figure 3 illustre deux principes de régulation issus de la recherche doctorale. La commande de la figure 3a crée à l'avance un programme quotidien de régimes de température. Il peut s'agir d'un programme fixe lié à la demande de chaleur caractéristique du bâtiment, ou basé sur le prix variable de l'électricité, tel que le prix du marché du jour précédent, où, pendant les heures les moins chères, les réservoirs de stockage sont chargés avec une température de distribution centrale de 65°C.

La figure 3b montre la commande à 2 capteurs, où une température basse (pour le chauffage ou le refroidissement des locaux) est réglée lorsque tous les capteurs de température des ballons d'ECS ont atteint leur point de consigne. Lorsqu'un capteur situé en haut d'un réservoir est trop froid, une température de distribution élevée est déclenchée pour recharger tous les réservoirs de stockage en fonction de leur capteur de température inférieur. De cette manière, la recharge des réservoirs est groupée et le temps nécessaire à l'abaissement des températures tout au long de la journée est accordé, tout en garantissant le confort des eaux usées.

Habitation — Fig. 3: Les deux stratégies de contrôle pour maximiser le chargement groupé, avec a) le schéma d'horloge et b) le contrôle à 2 capteurs

L'implémentation de ces techniques dans les installations combilus permet de réaliser d'importantes économies d'énergie, jusqu'à 36%, en fonction de la source à haute température utilisée. En outre, il n'est pas nécessaire d'utiliser des sources de chaleur plus importantes, car les taux de charge peuvent être considérablement réduits grâce à la précharge.

Les économies réalisées en combinant la commande à 2 capteurs et la réponse au marché variable de l'électricité peuvent atteindre 46% par rapport à une commande à 2 capteurs axée sur le confort (qui n'exploite pas activement les périodes de prix bas). La figure 4 montre un exemple de schéma à 2 capteurs combinant l'exploitation optimale des prix bas et l'évitement des prix élevés. Des recherches plus approfondies sur la prévisibilité de l'utilisation de l'ECS pourraient permettre de réaliser des économies encore plus importantes, tout en garantissant le confort de l'ECS.

À cet égard, la recherche doctorale a également fait les premiers pas vers l'application de l'intelligence artificielle, afin de parvenir à une optimisation globale et objective de la température qui tienne compte de toutes les exigences et conditions limites. Une nouvelle stratégie d'apprentissage a été mise au point, qui se concentre d'abord sur la dynamique à court terme d'un système de changement, puis optimise le long terme. Cette méthode d'apprentissage a permis d'améliorer les performances d'apprentissage de 3 à 15% par rapport aux méthodes d'apprentissage conventionnelles.

Fig 4 — Fig. 4 Exemple de commande à 2 capteurs combinée à l'anticipation d'un prix variable de l'électricité. Pendant les 20% de moments les moins chers (P20), une température élevée est distribuée et tous les réservoirs de stockage sont chauffés (fuseaux horaires verts). Pendant les 20% de moments les plus chers de la journée (P80), les réservoirs ne seront jamais chauffés et une température basse sera toujours distribuée (fuseaux horaires rouges)

Quel est le meilleur système pour quel bâtiment?

Outre les options d'optimisation du contrôle, le choix du bon système pour un bâtiment spécifique est particulièrement important pour une performance optimale du système. Le choix optimal dépend fortement du profil de l'occupant, de la taille du bâtiment, des exigences de confort et de la priorité des coûts, entre autres, ce qui rend ce choix très complexe. Pour aider les concepteurs, le groupe de recherche EMIB de l'Université d'Anvers a mis au point une nouvelle méthode de sélection: le score KPI holistique. Ce score combine les performances techniques, les préférences des occupants et les simulations, et pondère des facteurs tels que le confort thermique et le coût (CAPEX & OPEX).

La figure 5 montre les principaux résultats du choix optimal pour différentes tailles d'immeubles (de 8 à 50 appartements) et quatre profils d'occupants différents. Le profil I représente un immeuble d'appartements avec des résidents principalement âgés, II avec des familles de 2 personnes, III avec des familles de 4 personnes, et IV représente un immeuble d'appartements de luxe avec une utilisation accrue d'eau chaude. Les résultats ont prouvé que lorsque seul le confort thermique compte, le système à 4 tuyaux (concept A) est le meilleur choix pour tous les profils d'occupants et toutes les tailles de bâtiments. Ce système offre le niveau de confort le plus élevé, avec une gêne minimale grâce au tuyau de circulation et de bonnes performances pour le chauffage et le refroidissement.

fig 5 — Fig. 5 Principaux résultats des choix de concepts optimaux. L'axe des y représente différentes tailles de bâtiments (8 à 50 logements) et l'axe des x le type de famille (I = résidents âgés, II = famille de 2 personnes, III = famille de 4 personnes, IV = utilisation d'eau chaude de luxe)

Si la réduction des coûts est primordiale, le concept B, le combilus avec pompes à chaleur d'appoint, est l'option la plus économique. Bien que le confort de l'ECS soit légèrement inférieur à celui des autres concepts, il reste dans des limites acceptables. Une puissance plus élevée de la pompe à chaleur d'appoint pourrait y remédier.

Le passage d'un concept axé sur le confort à un concept axé sur la réduction des coûts est progressif. Dans la gamme intermédiaire, le choix optimal dépend de la taille du bâtiment et du profil des occupants. Ainsi, le concept C (combilus avec des réservoirs de stockage décentralisés et une commande à 2 capteurs) apparaît comme une solution intermédiaire intéressante, en particulier pour les petits bâtiments dont la consommation d'eau chaude est centralisée. Grâce à la commande à deux capteurs, les coûts d'exploitation peuvent être réduits efficacement et les économies peuvent être accrues en tenant compte du prix du marché à un jour.

La méthode fournit aux concepteurs un outil d'information pour choisir le bon système et permet aux décideurs de formuler des recommandations sur mesure, par exemple pour les logements sociaux, les appartements de service ou les ménages.

Thermisch comfort — Le système à 4 tubes (concept A) offre le niveau de confort le plus élevé pour tous les profils d'occupants et toutes les tailles de bâtiments, avec une gêne minimale en matière d'ECS grâce aux tubes de circulation et de bonnes performances pour le chauffage et le refroidissement

Projet de suivi: projet TETRA ChangeOver

Étant donné le vif intérêt de l'industrie et le besoin de directives pratiques, le nouveau projet TETRA 'ChangeOver' débutera le 1er octobre 2025 (durée: 2 ans). Ce projet s'appuie sur la recherche doctorale et traduit les connaissances acquises en outils conviviaux et en recommandations concrètes pour les concepteurs, les bureaux d'études, les fabricants et les installateurs.

Plus de 30 entreprises ont déjà rejoint notre groupe d'utilisateurs, mais les nouveaux membres sont les bienvenus. Que les entreprises intéressées qui ont des questions spécifiques qu'elles aimeraient voir examinées ou qui connaissent ou ont des produits qui offrent des solutions à cet égard, n'hésitent pas à nous envoyer un mail.

Contact: Stef.Jacobs@uantwerpen.be; Ivan.Verhaert@uantwerpen.be
Les résultats du projet seront compilés sur www.warmtenet.info.

_{Plus d'informations?}

_{Thèse de doctorat de cette recherche: Jacobs Stef, Verhaert Ivan [promoteur], Hellinckx Peter [promoteur]. Concept and control optimization for collective heating and cooling in apartment buildings: contributions towards optimal supply temperature control and tailored selection recommendations. PhD thesis, University of Antwerp. 2025. https://doi.org/10.63028/10067/2136470151162165141}