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Pac air/eau Vers des plages d’utilisation plus étendues

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Pac air/eau Vers des plages d’utilisation plus étendues

Les composants intérieurs sont soigneusement calorifugés dans les caissons monoblocs, et leur implantation compacte facilite l’emploi de tracers antigel.

© (Doc. France-Air.)

Réservées au résidentiel neuf individuel, les pompes à chaleur air/eau, grâce à de récents progrès techniques, deviennent adaptées à la rénovation, ainsi qu’aux régions à climats rigoureux.

Les besoins des installations neuves ou des installations existantes rénovées, calculés pour fonctionner avec des chauffages basse température (et conformes à la RT 2005), sont actuellement couverts par un matériel type pompe à chaleur. Un appoint électrique ou, en cas de rénovation, la conservation de la chaudière, permettent de disposer d’une sécurité. Il est possible, au moyen d’un ballon tampon, de faire fonctionner plusieurs circuits avec des émetteurs différents (donc avec des lois de température départ/retour différentes) à partir de la même pompe à chaleur (Pac). Les Pac air/eau sont employées en construction neuve sous forme d’alimentation de planchers chauffants, (températures de fonctionnement départ et retour 40/35), et de ventiloconvecteurs (50/40), ou de radiateurs basse température (45/35). Plus couramment en rénovation, pour les radiateurs ou les batteries chaudes (60/40).

Faible surface extérieure pour être implantées

Mais dans l’existant ancien, les systèmes de chauffage installés étaient souvent calculés pour fonctionner à des températures d’eau chaude élevées (90-70, puis 70-55 dans les années 80). La taille des émetteurs (plutôt des radiateurs) était dimensionnée en conséquence. Les Pac ont pour leur part un domaine d’emploi où la température obtenue est souvent de 35-50 °C (en moyenne et au maximum de 65 °C). Il était alors nécessaire de procéder au remplacement des radiateurs. Mais si la rénovation du bâti (isolation plus performante, fenêtres double-vitrage) est effectuée simultanément, cela ne s’imposait plus car la puissance nécessaire diminue. Et de récents progrès techniques, le système Zubadan ou Injection flash, permettent de conserver la fourniture de puissance initiale par – 15 degrés extérieur, en produisant encore de l’eau de chauffage à 55 degrés. Il n’y a désormais pratiquement plus de limite d’emploi de Pac en rénovation.

Il faut enfin considérer que nombre d’installations calculées avec ce système de température 90-70 voient la limite de longévité de leurs radiateurs atteinte un jour ou l’autre, permettant un nouveau dimensionnement des émetteurs lors de leur remplacement. Enfin, avantage non négligeable en milieu urbain dense, les Pac air/eau, contrairement aux systèmes eau/eau, ne nécessitent qu’une faible surface extérieure pour être implantées.

Monobloc ou local technique

Grâce à une énergie d’appoint électrique, la Pac air/eau capte dans l’air l’énergie à basse température qui s’y trouve et la restitue à un système de chauffage à eau. Cette énergie est captée par un circuit primaire, traitée puis restituée par un système d’échange et de compression-détente (la machine elle-même) au circuit de chauffage que l’on veut réchauffer, la partie intérieure, ou dite secondaire du système.

Les Pac air/eau sont de deux types :– L’ensemble du système est situé dans un caisson à l’extérieur du bâtiment à traiter, avec la pompe à chaleur proprement dite et le module hydraulique complet. Le relais avec l’installation de chauffage s’effectue alors par une tuyauterie d’eau chaude ;– seule la partie captage avec l’échangeur entre l’air et le liquide frigorigène est extérieure. Dans ce cas, c’est une tuyauterie de liquide frigorigène qui reliera le caisson à la Pac située alors dans un local technique à l’intérieur du bâtiment.

Dans le premier cas, le matériel est dit monobloc. Dans les deux cas, la distance entre le caisson et l’habitation sera la plus courte possible, et le tube soigneusement calorifugé, en mousse noire synthétique. Les diamètres dépendent de la puissance traitée, mais en général pour un pavillon et une puissance de 15 kW ils seront de diamètre 26/34 fer noir (1 pouce) pour de l’eau chaude et de diamètres 3/8 – 5/8 cuivre pour du liquide frigorigène. Le poids total d’un caisson avec un module hydraulique complet est de l’ordre de 120 kg. Il est implanté sur un socle en béton de 10 cm d’épaisseur sur des plots antivibratiles. Ses dimensions moyennes sont de l’ordre de 1,60 m de hauteur par 1,40 m de largeur. Il est carrossé en général avec des tôles vissées sur une armature métallique et peintes époxy. Elles doivent être largement démontables afin de permettre la maintenance. En cas d’une installation « tout extérieure », il faudra prévoir des commandes à distance. La taille du local technique à implanter dans les locaux varie en fonction de la présence d’un ballon d’ECS ou non, mais il faut prévoir environ 6 m2 pour un pavillon de 120 m2. Avec une Pac air/eau, le système de captage, appelé circuit primaire, est réduit à sa plus simple expression puisqu’il consiste à faire passer sur une batterie d’échange l’air extérieur au moyen d’un ventilateur hélicoïde.

Une machine thermodynamique

La/les batteries d’échange ou échangeurs sont de type à ailettes aluminium tube cuivre, et il y circule le fluide frigorigène qui va absorber la chaleur de l’air. Son équivalent avec une Pac eau/eau est le réseau complet de captage enterré.

La Pac proprement dite, située donc en local technique ou dans le caisson extérieur monobloc, est un appareil thermodynamique constitué d’un circuit fermé étanche dans lequel circule ce fluide. Celui-ci change d’état (liquide ou gazeux) en fonction de quatre composants qu’il emprunte dans son circuit en boucle :

• Le premier composant est constitué par cette batterie d’échange sur l’air extérieur (le captage). La chaleur prélevée dans l’air est transmise au liquide frigorigène sans contact direct par les ailettes. Ce liquide devient alors gazeux en se réchauffant. On dit qu’il se vaporise. Cette partie est appelée l’évaporateur.

• Ensuite, le compresseur, deuxième composant du système, comprime ce fluide frigorigène gazeux, ce qui permet d’élever sa température en même temps que sa pression.

• Puis le condenseur, troisième composant, permet de céder la chaleur de ces gaz au système de chauffage de l’habitation mais toujours sans contact direct, par le biais d’un deuxième échangeur. Ces gaz redeviennent liquides mais restent comprimés. De l’autre côté de cet échangeur, circule l’eau de chauffage qui sera prise en charge par le module hydraulique.

• Enfin, le détendeur, quatrième composant, abaisse la pression du liquide frigorigène. ­Celui-ci est alors prêt à repasser dans le premier composant, l’évaporateur, ou capteur. Le cycle est effectué et se répète à l’infini suivant la demande.

En inversant le cycle, et en faisant tourner la machine « à l’envers », on peut donc extraire la chaleur de la maison plutôt que de lui en fournir, ce qui permet de rafraîchir les locaux quand on dispose d’un plancher chauffant adapté au rafraîchissement. Son calcul doit cependant être soigneux afin d’éviter toute condensation.

Le cœur de la Pac est son compresseur. Sur les Pac actuelles, il est de type Scroll. Hermétique, il est plus durable et silencieux que les anciens compresseurs à piston. Les compresseurs Scroll ont véritablement démocratisé la Pac en permettant son emploi domestique sans nuisances sonores (l’équivalent d’un réfrigérateur). Les toutes petites puissances emploient d’autres types de compresseurs, le rotatif cylindrique Rotary, et le bicylindrique Twin rotatifs, encore plus durables. De ce fait, sur les machines de type air/eau, la source sonore qui devient prédominante et à prendre en compte est plutôt celle du/des moteurs des ventilateurs. Le niveau sonore est d’environ 46 d(B)A avec un champ libre de 5 m. Il faut éviter au maximum toute réverbération dans ce rayon lors de l’implantation du caisson.

Le module hydraulique proprement dit, servant à la partie interne du système de chauffage, est constitué d’un échangeur à plaque (avec le circuit frigorigène circulant de l’autre côté), d’une pompe de circulation de type monobloc à rotor noyé, d’un système de régulation à une ou plusieurs zones et d’un vase d’expansion. Sont adjoints les thermomètres, manomètres et vannes d’isolement, purgeurs et autres accessoires. Très important, un réservoir tampon assure la réserve et la souplesse nécessaires.

Il est d’environ 250 l pour un pavillon. Ce module hydraulique peut être conçu pour permettre la production d’ECS. Celle-ci aura alors un ballon de production distinct du ballon tampon et un appoint électrique de secours. Quand le module hydraulique (sauf les ballons tampons et ECS situés en local technique) est implanté à l’extérieur dans le caisson avec la Pac, tous ses composants seront soigneusement calorifugés. Il est aussi équipé de tracers, et d’une sécurité antigel. L’eau sera glycolée à 30 % pour – 15 °C extérieur.

Les liquides frigorigènes employés pour les petites puissances sont principalement le R410 A et le R407 C. Celui-ci est composé de 23 % de R 32, 25 % de R 125 et de 52 % de R 134, ce qui lui permet de travailler à des pressions basses et d’améliorer les COP. Cependant, la puissance délivrée baisse. Le R410A, composé de 50 % de R 32 et de 50 % de R 125, travaille à des pressions plus élevées, mais les deux liquides sont comparables en souplesse et en efficacité. C’est le R407C qui est utilisé pour remplacer le R22 dans les matériels anciens.

Un progrès technique significatif

Avec un système Inverter standard, qui est une régulation progressive du compresseur, le rendement et la souplesse se sont améliorés. Toutefois, la puissance chaude fournie diminue avec la température extérieure et la température ambiante chute lors des phases nécessaires de dégivrage. Les plages de fonctionnement sont réduites pour les régions froides. C’était jusqu’à récemment le point noir et la limite d’emploi des Pac air/eau. L’emploi de ces matériels était encore limité dans les régions est de la France et dans les zones montagneuses. D’où la fabrication plus récente des Pac « basse température ». Arrivées sur le marché il y a quelques années, elles fonctionnent principalement par réinjection de liquide directement à l’entrée du compresseur, mais la puissance absorbée par celui-ci augmente alors, d’où une baisse du COP. En réinjectant plutôt des vapeurs de gaz de liquide frigorigène dans le compresseur, le COP reste stable et la puissance permet d’augmenter la plage d’utilisation en autorisant le fonctionnement à des températures plus basses.

Nouvelle technique : réinjection de mélange gaz et liquide

Ces pompes à chaleur sont équipées d’un séparateur gaz/liquide. Cependant, le compresseur, alimenté de cette manière, ne peut pas augmenter sa vitesse, pour compenser la baisse du fluide à cause de la température de refoulement qui devient trop élevée (130 °C). Ce qui limite la puissance délivrée. Et reste que les puissances fournies chutent encore de manière significative à des points de fonctionnement extrêmes, et des appoints électriques parfois importants restent nécessaires dans les régions froides, d’où une altération significative des COP. Ailleurs, demeure le problème du rendement et des puissances apportées par temps froid.

Une nouvelle technique, le ­Zubadan, mise au point et brevetée par le fabricant Mitsubishi Electric, permet maintenant de réinjecter sous forme d’injection « flash » un mélange de gaz et de liquide, sans les séparer directement, entre les spirales hélicoïdes d’un compresseur Scroll. Synthétiquement, l’injection de gaz ne dégrade pas le COP et l’injection de liquide permet la montée en puissance. On adjoint une bouteille de réserve entre la sortie du compresseur et l’organe de détente. Trois détendeurs électroniques optimisent l’évaporation, la condensation ainsi que la température de refoulement.

Cette nouvelle technique permet de produire de l’eau chaude aux environs de 50 degrés par – 25 °C extérieur, et 55 °C par – 15, avec un COP qui maintient une valeur supérieure à 2 (2 kW restitués pour 1 kW fourni) et sans perte de puissance. Enfin, la montée en puissance est deux fois plus rapide qu’avec un système Inverter standard, et les dégivrages nécessaires sont moins fréquents. Cette technique ouvre l’emploi des Pac air/eau en rénovation de résidentiel. Elles sont maintenant raccordables directement sur des systèmes de chauffage fonctionnant avec des radiateurs classiques, exactement comme avec des radiateurs dimensionnés en « basses températures » branchés sur des Pac eau/eau.

Reste que la gamme de puissance de ces nouveaux matériels qui l’emploie reste modeste, de l’ordre de 15 kW, et donc réservée encore au pavillonnaire ou petit tertiaire.

Mais la technique est au point, et son emploi proche à des puissances plus élevées, quand les matériels seront disponibles sur le marché, pérennisera définitivement la place des Pac air/eau dans le paysage énergétique.

TABLEAU : Marques et caractéristiques des produits

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