Refroidir avec une pompe à chaleur: tour d'horizon des possibilités
Afin de réduire davantage l'utilisation des combustibles fossiles, la pompe à chaleur est la solution idéale pour assurer une climatisation efficace, tant pour répondre aux besoins de chauffage que pour assurer le refroidissement. Cette technologie est désormais au point et s'est avérée être une solution confortable et durable pour le chauffage et la climatisation des locaux. Cet article présente un aperçu des différents modèles et possibilités, de leur combinaison avec des systèmes de diffusion de chaleur, ainsi que des dernières évolutions du marché.
Refroidir avec une pompe à chaleur: le principe de fonctionnement inversé
La pompe à chaleur est devenue un système de climatisation polyvalent capable de chauffer et de refroidir les habitations, ainsi que de fournir de l’eau chaude sanitaire (ECS). C’est pourquoi une seule installation remplace de plus en plus souvent la combinaison classique composée d’une chaudière, d’un climatiseur et d’un chauffe-eau.
Le principe de fonctionnement repose sur un cycle thermodynamique dans lequel la chaleur est transférée, via un fluide frigorigène, d’une source vers un système de diffusion. Le compresseur de la pompe à chaleur constitue, dans ce processus, un maillon essentiel pour le chauffage et le refroidissement actif. En mode chauffage, la pompe à chaleur extrait la chaleur de l’air extérieur, du sol ou des nappes phréatiques et l’amène à une température utilisable pour le logement. Pour la production d’eau chaude sanitaire, la température est encore augmentée.
Pour le refroidissement, le processus est inversé. Dans ce cas, la pompe à chaleur extrait la chaleur de l’habitation et la rejette dans l’air extérieur ou dans le sol. Les systèmes géothermiques permettent même de recourir au refroidissement passif, dans lequel seules les pompes de circulation sont en activité et le compresseur n’a pas besoin de fonctionner. Seules les pompes à chaleur géothermiques présentent cet avantage de pouvoir également refroidir de manière passive. Les sources verticales sont à privilégier par rapport à un réseau de captage horizontal.
Sol-eau, air-eau ou air-air?
Pour le chauffage, le refroidissement et la production d'eau chaude sanitaire, ce sont surtout les pompes à chaleur air-eau et sol-eau qui conviennent. Sur le marché résidentiel, le refroidissement passif suffit généralement pour une pompe à chaleur sol-eau, ce qui contribue également à la régénération de la source (de chaleur) lorsqu’il faut à nouveau chauffer. Contrairement aux systèmes refroidis par l’air, le refroidissement actif avec une pompe à chaleur géothermique ne contribue pratiquement pas à l’effet d’îlot de chaleur urbain, car la chaleur évacuée est stockée dans le sol plutôt que rejetée dans l’air extérieur.
Pour les applications résidentielles, les pompes à chaleur air-eau sont aujourd’hui de loin les plus populaires grâce à leur installation relativement simple et à leur coût d’investissement limité.
Bien qu’il soit possible d’intégrer plusieurs techniques dans une même installation, les architectes estiment qu’il est d’autant plus important de prévoir suffisamment d’espace dans le local technique et les gaines. Pour l’eau chaude sanitaire produite par une pompe à chaleur, un ballon de stockage est toujours nécessaire, mais les appareils, les capteurs et les tuyauteries occupent eux aussi une certaine place.
Les pompes à chaleur air-air sont excellentes pour le chauffage et le refroidissement, mais ne produisent généralement pas d’eau chaude sanitaire. Les pompes à chaleur air-air ou les climatiseurs offrent toutefois les puissances de refroidissement les plus élevées et réagissent très rapidement. Elles fonctionnent selon le principe de l’expansion directe, dans lequel le fluide frigorigène absorbe directement la chaleur de l’air intérieur.
Grâce à de basses températures d’évaporation, elles permettent un refroidissement très intense tout en déshumidifiant. Elles sont donc particulièrement adaptées aux chambres à coucher et aux pièces exigeant un haut niveau de confort. Leurs avantages sont une régulation rapide, une puissance de refroidissement élevée et une installation relativement simple. Les inconvénients sont ici aussi la consommation électrique, les unités intérieures visibles, la circulation d’air, le nettoyage périodique des filtres et l’absence d’intégration hydraulique avec d’autres systèmes de diffusion.
Puissances de chauffage et de refroidissement requises
Les puissances de chauffage et de refroidissement requises sont déterminées à l’aide d’un calcul des pertes thermiques et de la charge de refroidissement. La puissance de chauffage est calculée sur base des pertes par transmission à travers l’enveloppe du bâtiment et des pertes dues à la ventilation à la température extérieure de référence. La norme NBN EN 12831-1 s’applique à cet effet. Pour le refroidissement, on tient compte des apports solaires, des charges thermiques internes, de la ventilation et des pertes par transmission. Dans les logements modernes, la charge de refroidissement est souvent comprise entre 20 et 40 W/m², tandis que la puissance de chauffage se situe généralement entre 30 et 60 W/m². Un dimensionnement correct est essentiel pour garantir le confort, le rendement et la durée de vie.
Quels systèmes de diffusion choisir pour le refroidissement?
Dans les applications sol-eau et air-eau, un système de diffusion est nécessaire. Celui-ci sert à transférer la chaleur, mais aussi le froid, vers la pièce.
Radiateurs
Le refroidissement à l'aide de radiateurs classiques est pratiquement irréalisable. Les radiateurs sont conçus pour des températures d’eau élevées et présentent des surfaces d’échange thermique relativement réduites. Pour fournir une puissance de refroidissement suffisante, l’eau devrait être fortement refroidie, ce qui entraînerait une condensation quasi immédiate à la surface du radiateur.
De plus, la convection naturelle est limitée. La puissance de refroidissement reste donc faible, tandis que le risque de problèmes d’humidité devient important. C’est pour ces raisons que les radiateurs ne sont pas utilisés pour le refroidissement actif.
Chauffage par le sol et par les murs
Le chauffage par le sol et mural peut en revanche être utilisé pour le refroidissement. Dans ce cas, de l’eau froide, généralement entre 16 et 20 °C, circule dans les conduites. Le système absorbe la chaleur de la pièce par rayonnement et, dans une moindre mesure, par convection.
La principale contrainte est le point de condensation. Lorsque la température de surface descend en dessous du point de rosée de l’air intérieur, de la condensation se forme sur le sol ou le mur. Pour éviter cela, on utilise généralement un système de surveillance du point de rosée. La température d’alimentation est maintenue en moyenne au-dessus de 18 °C. Dans des cas exceptionnels, par exemple en présence de parquet, des capteurs mesurent la température et l’humidité relative et augmentent automatiquement la température de l’eau en cas de risque de condensation. La capacité de refroidissement reste donc limitée. Dans la pratique, le refroidissement par le sol fournit environ 20 à 40 W/m². Le refroidissement mural peut atteindre des puissances légèrement supérieures, car un mur est moins rapidement perçu comme désagréablement froid.
Les avantages sont un confort élevé, un fonctionnement silencieux et un excellent rendement. Les inconvénients sont la capacité de refroidissement limitée, la réaction plus lente et la dépendance au point de rosée.
Ventilo-convecteurs
Les ventiloconvecteurs associent un échangeur de chaleur à un ventilateur. Ils peuvent ainsi fournir des puissances de refroidissement nettement supérieures à celles du chauffage au sol.
Dans le cas du refroidissement sans condensation, la température de l’eau reste supérieure au point de rosée. Le système fonctionne alors de manière similaire au refroidissement par le sol, mais avec des puissances plus élevées grâce à la circulation d’air forcée.
Dans le cas du refroidissement avec condensation, la température de l’eau est abaissée, par exemple à 7 à 12 °C. Cela entraîne la formation de condensation sur l’échangeur de chaleur, qui est évacuée via un bac de récupération et un système d’évacuation des condensats. La puissance frigorifique augmente ainsi considérablement et l’air est en outre déshumidifié.
Les ventilo-convecteurs permettent d’atteindre sans difficulté des températures ambiantes comprises entre 23 et 25 °C, même pendant les chaudes journées d’été. Parmi leurs inconvénients, on peut citer la présence de ventilateurs et la consommation d’électricité qui en découle, les nuisances sonores éventuelles, ainsi que la nécessité d’un système d’évacuation des condensats et d’un entretien périodique.
Zonage
Les habitations modernes sont de plus en plus souvent climatisées et chauffées par zones. Le bâtiment est alors divisé en zones de confort distinctes, chacune disposant de sa propre régulation.
Il est tout à fait possible de ne climatiser que certaines pièces, par exemple les chambres, tandis que d’autres ne sont pas activement climatisées. On trouve également des combinaisons où les chambres sont climatisées, mais pas les salles de bains.
Cependant, le chauffage et le refroidissement simultanés au sein d’un même circuit hydraulique sont complexes. Une pompe à chaleur classique produit, à un moment donné, soit de l’eau chaude, soit de l’eau froide. Le chauffage et le refroidissement simultanés nécessitent des circuits hydrauliques distincts ou des systèmes spécifiques avec récupération de chaleur. C’est pourquoi cette solution n’est pas utilisée dans les logements.
Pendant les entre-saisons, il peut arriver qu’un jour, il y ait un besoin de chauffage, tandis que le lendemain, un refroidissement soit nécessaire dans le bâtiment. Afin de concilier le confort des occupants et l’efficacité énergétique, il est important de discuter avec le maître d’ouvrage du moment où la pompe à chaleur doit basculer d’un mode à l’autre.
Il est préférable de ne pas se baser uniquement sur la température extérieure, mais de tenir également compte de la température intérieure, ainsi que des durées de dépassement et de sous-dépassement. La durée de dépassement signifie que la température extérieure doit être dépassée pendant X temps avant que le refroidissement ne démarre. Vous pouvez choisir ce délai vous-même en concertation avec le client; on opte souvent pour une durée comprise entre 0 et 12 heures. La durée de sous-dépassement est le contraire.
La régulation s’effectue via des thermostats, des vannes de zone, des distributeurs séparés ou des ventilo-convecteurs individuels. Dans les systèmes air-air, chaque unité intérieure dispose de sa propre régulation. D’un point de vue hydraulique, on travaille généralement avec deux à quatre zones. Une répartition courante comprend les pièces à vivre, les chambres, les salles de bains et éventuellement un bureau.
Un zonage très poussé augmente le confort et limite la consommation d’énergie inutile. En contrepartie, cela implique des coûts d’investissement plus élevés, une régulation plus complexe et un risque accru de déséquilibre hydraulique lorsque trop de zones se ferment simultanément.
Configurations possibles
Les combinaisons les plus intéressantes sur le plan technique pour le chauffage et le refroidissement sont les systèmes qui associent de basses températures de départ à une capacité de refroidissement suffisante.
Dans les logements neufs, on opte le plus souvent pour une pompe à chaleur air-eau associée à un chauffage par le sol dans l’ensemble du logement. Lorsqu’une capacité de refroidissement supplémentaire est souhaitée, on ajoute des ventilo-convecteurs ou des unités air-air dans les chambres.
Dans les rénovations, on retrouve souvent des radiateurs existants. Comme ceux-ci ne sont pas adaptés au refroidissement, on opte alors régulièrement pour une solution hybride: des radiateurs pour le chauffage d’une part, et des ventilo-convecteurs ou des climatiseurs dans une installation distincte dédiée spécifiquement au refroidissement d’autre part.
Sur le plan hydraulique, on utilise généralement un ou plusieurs circuits. Un seul circuit suffit lorsque tous les systèmes de diffusion fonctionnent à des températures similaires. Plusieurs circuits sont nécessaires dès lors que différents régimes de température coexistent, par exemple un chauffage au sol au rez-de-chaussée et des ventilo-convecteurs à l’étage.
La régulation du chauffage et du refroidissement s’effectue via la commande de la pompe à chaleur, complétée par une régulation en fonction des conditions météorologiques, des thermostats d’ambiance, des groupes de mélange et des contrôleurs de zone.
Les configurations courantes sont les suivantes:
- chauffage par le sol au rez-de-chaussée et à l'étage
- chauffage par le sol au rez-de-chaussée avec des ventilo-convecteurs à l'étage
- radiateurs au rez-de-chaussée avec des ventilo-convecteurs à l'étage
- chauffage par le sol au rez-de-chaussée avec des unités air-air à l'étage
- des ventilo-convecteurs dans toute la maison
Exemples concrets
Un exemple d'application efficace pour les logements neufs consiste à équiper l'ensemble de la maison de circuits de chauffage par le sol, de préférence pilotés par une pompe à chaleur sol-eau. Une solution moins coûteuse consiste à combiner ce système avec une pompe à chaleur air-eau monobloc. La régulation par zone peut s’avérer utile lorsque les pièces changent de fonction, par exemple lorsqu’un enfant quitte la maison et qu’une chambre est transformée en bureau.
Lors de rénovations, il est possible de conserver les radiateurs et de les raccorder à une pompe à chaleur si ceux-ci délivrent suffisamment de chaleur même à basse température. Pour assurer le refroidissement en été, il est alors préférable de combiner ce système avec des unités air-air à l'étage, qui permettent de rafraîchir rapidement les chambres pendant les périodes de forte chaleur.
Innovation et évolutions
Le principal défi actuel réside dans la transition des fluides frigorigènes. Des fluides frigorigènes naturels présentant un faible PRG (potentiel de réchauffement global) sont nécessaires, mais posent également de nouveaux défis. C’est pourquoi le R290 (propane) est de plus en plus utilisé dans les installations, car il s’agit d’un fluide stable, très adapté à cette application et présentant un faible GWP de 3.
Merci à Bosch Home Comfort, Daikin, Nathan, Vaillant