Fonctionnement d’une installation de pompe à chaleur air-eau

Suite à l’audit énergétique d’un logement, le client nous a autorisé à documenter le fonctionnement de sa pompe à chaleur. Cette installation est l'occasion d'évoquer les différents organes qui composent une installation de pompe à chaleur air/eau, complétant notre guide sur la pompe à chaleur air-eau.

Schéma tiré du catalogue Thermador, fournisseur de pièces pour circuit de chauffage

Chaque installation de pompe à chaleur est unique, en revanche il existe des obligations édictées par QualiPac qui s'impose aux professionnels RGE.

Ici nous sommes dans cette maison de 200m2 construite en 2010 et située en région parisienne. La pompe à chaleur installée à la construction alimente en eau chaude 2 planchers chauffants, l'un situé au rez-de-chaussée et l'autre au 1er étage. La production d’eau chaude sanitaire se fait séparément, grâce à un ballon d’eau chaude thermodynamique.

Groupe extérieur : la pièce maîtresse de la pompe à chaleur

C’est à travers cet équipement que le fluide caloporteur va récupérer la chaleur présente dans l’air ambiant. En effet l'unité extérieure renferme le compresseur qui tel une pompe à vélo comprime l'air pour créer de la chaleur transmise au gaz frigorigène très réactif à la chaleur qui est ensuite acheminé à l'intérieur jusqu'à l'unité intérieure. 

Dans notre exemple il s’agit d’une PAC Air-Eau de la marque Sanyo d'une puissance électrique d’entrée de 5,9 kW. Avec un COP de 3 par grand froid, cette pompe à chaleur peut donc théoriquement délivrer environ 17,5kW de puissance calorifique, ce qui on le verra, semble être le bon dimensionnement au vue de ce logement.

Évaporateur situé à l'extérieur

Plaque signalétique de l’unité extérieure

Deux autres éléments sont intéressants sur cette plaque :

• Alimentation électrique en triphasée : ici ce modèle de pompe à chaleur est alimenté via une installation électrique en triphasé (et non monophasé comme dans la plupart des logements), ce qui correspond au type de tableau électrique installé dans le logement (une pompe à chaleur c'est aussi une affaire d'électricien et pas seulement de chauffagiste, le professionnels doit donc respecter la norme NF C 15-100).
• Le fluide frigorigène utilisé est de type R410A (qui tend aujourd'hui à disparaître en raison de son potentiel de pollution). Chauffé par le compresseur, une liaison frigorigène emmène ce gaz jusqu'à l'unité intérieure. Après avoir réchauffé l’eau au niveau de l'unité intérieure (échangeur à plaque), ce gaz redescend en température afin d'aller de nouveau puiser des calories dans l'air extérieur.

Quelle fonction de l'unité intérieure ?

La liaison frigorifique amène le fluide directement à l'unité intérieure qui se compose de trois éléments principaux : 

• La résistance électrique : la pompe à chaleur située à l'extérieur n'est pas toujours capable de produire l'intégralité de la chaleur demandée par les occupants par grand froid. Pour cela une unité intérieure dotée d'une résistance est ajoutée dans l'unité intérieure. Lorsque votre pompe à chaleur ne semble plus capable de produire seule la chaleur demandée, cet appoint électrique se met en route entraînant un supplément de consommation significatif.
• Échangeur de chaleur : afin de récupérer la chaleur du fluide
• Vase d'expansion : il a pour but d'évacuer le surplus de pression et l'excès de volume d'eau, afin d'éviter d'endommager l'unité intérieure moins résistante que la tuyauterie qui elle absorbe des pressions élevées

On retrouve dans notre installation ces trois éléments en rouge le vase d'expansion, à droite le condenseur :

Concernant l'unité intérieure sa taille indique généralement si votre PAC intègre également la production d'eau chaude sanitaire et son stockage avec un ballon généralement de 200L environ au travers duquel circule un serpentin venant réchauffer l'eau. A noter que la production d'eau chaude est généralement prioritaire sur le chauffage.

Dans notre exemple la pompe à chaleur n'assure pas la production d'eau chaude sanitaire, celle-ci étant assuré par un chauffe-eau thermodynamique indépendant. 

Ballon tampon ou bouteille de découplage : quelle utilité? 

Malgré l'absence de production d'eau chaude, l'installation dispose d'un ballon tampon, à quoi peut-il servir ? 

• Cas 1 - PAC sans Inverter pour allonger sa durée de vie : le ballon tampon est indispensable pour garantir la durée de vie des pompes à chaleur non équipées de la technologie Inverter. En l'absence de cette technologie la PAC fonctionne en tout ou rien (soit elle est à pleine puissance, soit elle est arrêtée), ce qui use le compresseur. Pour y remédier, un ballon tampon d'un volume de 10L/kW permet de faire fonctionner la PAC le temps de remplir le ballon tampon donc durant un temps prolongé.
  Attention, même avec une technologie Inverter il reste intéressant de garder ce que l'on appelle une bouteille d'environ 25L environ permettant de dégivrer la PAC en plein hiver sans interrompre la production de chauffage (les calories pour le dégivrage sont puisées dans la bouteille plutôt que d'inverser le cycle thermodynamique).

• Cas 2 - plusieurs circuits de chauffage : dans le cas de notre installation il existe deux circuits de plancher chauffant, au Rdc et à l'étage, qui chacun ont leur propre température de chauffage (les chambres sont moins chauffées). C'est d'autant plus utile si vous combinez un plancher chauffant et des radiateurs où l'eau doit circuler à une température supérieure. 
  Les vannes 3 voies présentes sur la photo sont des petits systèmes électroniques qui permettent de fermer plus ou moins l’arrivée d’eau froide et d’eau chaude (la troisième voie est le mélange des deux). Cela permet de contrôler avec une grande précision la température de départ d’eau chaude pour chacun des circuits d'eau. 

• Cas 3 - d'autres sources de production de chaleur : c'est le cas notamment si vous souhaitez vous équiper de panneaux solaires thermiques par exemple dont la chaleur devra être stockée dans un ballon tampon afin de produire du chauffage ou de l'eau chaude sanitaire.

Au delà de ces différentes fonctions cet équipement a une utilité pour éviter les pannes. En effet cette bouteille de découplage, aussi appelée bouteille de mélange ou de séparation va permettre de diminuer la pression de l'eau sur le circuit primaire qui peut endommager les équipements, grâce à un purgeur (un dégazeur peut être ajouté). C'est également un équipement utile pour l'élimination des boues en permettant la décantation (un pot à boue est également souhaitable), afin de désencrasser le circuit de chauffage.  

Régulation et programmation de la température ambiante

Au delà du bon choix des équipements, une pompe à chaleur performante doit être bien configurée et paramétrée.

Réglage de la température de l'eau : la loi d'eau

Un bon réglage signifie une bonne régulation. Pour les pompes à chaleur air/eau, la régulation dépend de ce que l'on appelle la loi d'eau : la température de chauffage de l'eau dépend directement de la température extérieure. L'installateur va définir lui même cette loi d'eau sur votre unité intérieure : si 10°C à l'extérieure l'eau est chauffée à 32°C, si -10°C à l'extérieure l'eau est chauffée à 40°C...

Réglage d'une loi d'eau sur une pompe à chaleur Viessman

Dans notre installation exemple, le fonctionnement est plus rudimentaire avec les trois systèmes suivants, où les boîtiers de commande permettent de distinguer la température en fonction des différents circuits (le Rdc et l'étage). 

Programmation de la température intérieure en cas d'absence et la nuit

Le réglage d'une loi d'eau pourrait à elle seule définir la température intérieure. Toutefois il reste important que cette régulation repose sur l'analyse d'une température intérieure afin de gérer des plages d'abaissement de température, ce qui permet des économies d'énergie.

Dans notre installation un thermostat d’ambiance est aussi installé au rez-de-chaussée afin de contrôler la température ambiante depuis le salon.

Cependant, attention à ne pas changer la température trop brusquement et avec un grand écart car cela pourrait déclencher l’appoint électrique et entraîner une surconsommation. Nous recommandons donc de laisser la programmation gérer le système avec plusieurs modes réglables. Idéalement, il ne faut pas qu’il y ait un écart de plus de 2°C entre le mode éco et le mode confort.
 

Sonde d'ambiance

Circuit de distribution (température basse)

La température de l’eau circulant dans le plancher chauffant est bien plus basse que pour un système avec des radiateurs à eau, ce qui explique en partie le fait que l’appoint électrique ne soit jamais utilisé. Dans le cas de cette installation, l’eau circule aux alentours de 44°C là où elle circule aux alentours de 60-70°C pour un système avec radiateurs.
Au 1er étage, une nourrice, qui se situe dans une des chambres, est accessible et permet de contrôler les différents “petits” planchers chauffants :

Nourrice située dans une des chambres

Ceci est un paramètre manuel à modifier uniquement si vous vous y connaissez. Cela permet, par exemple, de couper le circuit l’été.