Le premier terme sera toujours la source froide (la ou on capte la chaleur) et le deuxième terme sera l’endroit ou on restitue les calories (source chaude) :
- AIR – AIR
- AIR – EAU
- SOL – EAU
- EAU – EAU
Les monoblocs (Windows ou climatiseur fenêtre)
Un climatiseur monobloc est un système d’air conditionné composé d’une seule pièce : tout les éléments sont intégrés dans un cadre dont un côté se trouve à l’intérieur du local et l’autre à l’extérieur.
Fonctionnement : Le fonctionnement du climatiseur monobloc repose sur un échangeur de chaleur, un réfrigérant et un ventilateur intégré. En mode refroidissement, l’unité intérieure aspire l’air chaud de la pièce et la transmet ensuite à l’échangeur de chaleur. Le réfrigérant passe ensuite à l’état gazeux et extrait la chaleur de l’air intérieur en s’évaporant.
Le climatiseur monobloc évacue la chaleur résiduelle vers l’extérieur et diffuse l’air refroidi dans la pièce. Pour le chauffage, ce processus est inversé.
Avantages du climatiseur monobloc :
- Son principal avantage réside dans son installation ne nécessitant pas de travaux sur un circuit frigorifique donc sans l’intervention d’un expert
- Le prix est avantageux
- Ils sont réversibles
Inconvénients du climatiseur monobloc :
- Un climatiseur monobloc s’installe dans la paroi intérieure d’un mur extérieur, autrement dit, vous ne pouvez pas l’installer n’importe où, contrairement aux unités intérieures d’un climatiseur salit qui peuvent être accrochées à tous les murs
- Le monobloc est plus bruyant; En effet, comme toutes les pièces sont réunies dans un seul cadre, celui-ci produit plus de bruit qu’un climatiseur split. Lorsque les éléments les plus bruyants d’un climatiseur se trouvent dans l’unité extérieure, ils occasionnent logiquement moins de nuisances sonores
- La puissance de refroidissement est limitée. Un climatiseur monobloc a généralement une faible capacité et n’est donc pas adapté aux grandes pièces. Autrement dit, il ne peut refroidir ou chauffer qu’une seule pièce, contrairement à un climatiseur split. Il permet d’installer plusieurs unités intérieures dans différentes pièces.
Les climatiseurs Bi-Bloc (Split-System)
Un split système et un climatiseur bi-bloc de type climatiseurs air/air. Une partie du climatiseur est extérieur: le compresseur et le condenseur, et une partie est intérieure : l’unité intérieure (c’est l’évaporateur qui émet du froid). Les deux parties, extérieure et intérieure, sont reliées par un cordon ombilical, câble et liaisons frigorifiques isolées, et fonctionnent ensemble.
Le split system est la clim individuelle la plus répandue et la plus simple. Pour un cout relativement peu élevé, l’installation d’un salit system peut être réalisée pour une pièce de la maison. Attention néanmoins que par exemple, pour un commerce avec un salit system de 10 kW et une cassette intérieure, le prix du devis sera nettement plus élevé.
Les compétences de l’installateur pour mettre en oeuvre un split-system sont celles d’un technicien certifié (agrément frigoriste). Quelques notions d’électricité sont obligatoires pour raccorder électriquement le split réversible à partir d’une protection séparée du tableau électrique. L’installateur veillera également à l’évacuation des condensats avec un réseau avec pente min 1% et suffisamment dimensionné (diamètre mini 20 mm).
Le problème que l’on peut avoir sur les unités extérieure est que l’on a de la condensation qui va s’y mettre mais on continue à refroidir et donc on a du givre qui peut se former dessus. Pour dégivrer l’évaporateur il peut soit avoir des résistances électriques ou bien si on est sur du AIR-AIR on va pendant un très cour instant inverser le cycle.
L’inversion de cycle
Les climatiseurs (PAC) sont réversibles (mode froid ou chaud) grâce à l’utilisation d’une vanne 4 voies (vanne d’inversion). Attention en région wallonne si c’est réversible alors il n’y a pas de primes.
Exercice 27 : schéma fonctionnement mode froid et chaud.
Climatiseurs multi-split
Un climatiseur multi-split est un système 2 en 1 qui remplace votre système de chauffage tout en apportant la climatisation dans plusieurs pièces de la maison. Chaque unité intérieure fonctionnant en parfaite autonomie, vous pouvez régler la température voulue par pièce pour un confort sur-mesure.
Avantages du multi-split :
- un gain de place sur l’extérieur (un groupe pour plusieurs unités intérieures)
- installation simple et rapide
- consommation réduite; température homogène = inverter
- différents types d’appareils intérieurs, consoles, muraux, gainables, plafonniers, cassettes 1 voie ou 4 voies
- le panachage des puissances qui permet une meilleure adaptation aux locaux à climatiser
Inconvénients du multi-split :
- esthétique de la pose de tuyauterie
- toutes les units intérieures fonctionneront dans le même mode chaud ou froid
- en cas de panne (fuite de gaz, électrique, électronique,…) tout le système est en panne
- le prix est souvent plus élevé que l’équivalent en mono-split
Pompes à chaleur AIR – AIR
Avantages :
- Coût d’installation peu élevé : les unités sont faciles à installer
- Facilité d’intégration au bâtiment : beaucoup de solutions envisageables
- Réversibilité du système : chauffage et climatisation
- Faible inertie du système : l’air a une faible chaleur massique donc la mise en T° est assez rapide
Inconvénients :
- Manque de confort : acoustique, déplacement d’air, stratification de l’air
- Performance énergétique limitée : à cause de la T° de soufflage élevée, le COP est moyen
- Pas de solution ECS : les systèmes ne proposent pas d’inclure un ballon d’eau chaude sanitaire
- Faible inertie du système : lors des cycles de dégivrage, la T° du local peut s’abaisser rapidement
Du fait de la réversibilité les PAC Air-Air sont surtout employée dans le secteur tertiaire. En résidentiel le inconvénients condamneront leur utilisation à des applications saisonnières ou d’appoint.
Pompes à chaleur AIR-EAU
Une pompe à chaleur AIR-EAU utilise l’air extérieure comme source d’énergie pour chauffer l’eau du circuit de chauffage et de l’eau sanitaire de votre logement. Elle fonctionne selon un cycle thermodynamique : un fluide frigorigène capte les calories de l’air extérieur, les comprime pour augmenter leur température, puis restitue cette chaleur à l’eau via un condenseur, avant de repartir se charger en calories.
Avantages :
- économique : une PAC air-eau est performante et réduit les factures d’énergie. Le coefficient de performance (COP) indique le rapport entre l’énergie produite et celle consommée : un COP de 4 signifie qu’elle produit 4 kWh de chaleur pour 1 kWh d’électricité consommé.
- écologique : elle utilise une ressource gratuite et renouvelable, l’air, et est une solution plus respectueuse de l’environnement
- polyvalente : elle peut être utilisée pour le chauffage des radiateurs, des planchers chauffants, et pour la production d’eau chaude sanitaire
Points à considérer:
- température extérieure : la performance d’une PAC air-eau est légèrement diminuée par les températures très basse. Un système de chauffage d’appoint peut être nécessaire lors des jours les plus froids
- émetteurs de chaleur : la PAC est plus efficace avec des émetteurs basse température comme les planchers chauffants.
Production d’ECS – Eau Chaude Sanitaire
Estimation des besoins en ECS : 50 litres/personne/jour donc pour un ménage composé de 4 personnes : 200 litres/jour. Le V40 est le volume d’eau disponible pour une utilisation à 40°C (douche, bien, robinet SDB).
Il faut préférer un ballon de 200L chauffé à 65°C ou un ballon de 300L chauffé à 50°C? Le mieux sera le deuxième choix car on chauffera cette plus d’eau, mais avec un meilleur rendement.
- un stockage de 200L à 65°C nous donnera 400 litres d’eau mitigée à 40°C
- un stockage de 300L à 50°C nous donnera également 400 litres d’eau mitigée à 40°C
Exercice 28 : COP ECS thermodynamique.
PAC et plancher chauffant
Le plancher chauffant est un système basse température, qui est bien adapté pour une pompe à chaleur.
Un plancher chauffant fonctionne en diffusant une chaleur douce et homogène grâce à un réseau de tubes d’eau chaude (hydraulique) ou de câbles électriques installé dans la chape au sol. Cette chaleur est transmise à la pièce principalement par rayonnement et par conduction thermique, créant un confort uniforme sans zones froides ni sensations de sol froid, contrairement aux radiateurs. Le système est encadré par un isolant et recouvert d’une chape qui agit comme diffuseur de chaleur
Avantage :
- confort : diffusion d’une chaleur douce et homogène dans toute la pièce sans zones froides ni courant d’air
- esthétique : le système est invisible, libérant les murs et permettant une décoration plus libre
- écologie et économie : la chaleur est diffusée à basse température, ce qui permet des économies d’énergie par rapport à des radiateurs classiques
- polyvalence : le plancher chauffant peut aussi servir à refroidir l’air en été si l’eau froide circule dans les tuyaux, créant ainsi un système réversible. Attention qu’on parle de plancher rafraichissant mais ce n’est pas une climatisation, ça donne juste un semblant de fraicheur.
Les tuyaux sont en polyéthylène réticulé, c’est un type de polyéthylène ayant subi une réticulation, dans le but d’améliorer certaines propriétés, et particulièrement la résistance aux hautes températures, ce qui permet l’utilisation du PER en réseau d’eau chaude et froide sanitaire ou en réseau de chauffage.
Puissance d’émission :
- pour calculer la quantité d’énergie transférée ou dégagée sous forme de chaleur, on utilise la relation suivante :
Q = C x M x ΔT
- Q = représente la quantité d’énergie transférée en Watt
- C = représente la capacité thermique de l’eau = 1,163 KWh/m2/°
- M = représente le débit d’eau en kg
- ΔT = représente la variation de température en Kelvin
Le pas de pose (distance entre tuyau) va déterminer le débit d’eau et le detlaT dans le sol et donc, avec la température d’eau, la puissance d’émission.
PAC à chaleur basse température et haute température
Il existe des pompes à chaleurs haute et basse température, la différence réside dans a technologie permettant de produire :
- de l’eau à basse température pour alimenter des émetteurs basses températures comme les planchers chauffant
- de l’eau à plus haute température pour produire des émetteurs haute températures comme des radiateurs.
Les pompes à chaleur haute températures sont a déconseiller car elles ont un COP catastrophique, le KWh reviendra plus cher que pour une chaudière à mazout.
PAC hybride
Dans un même dispositif on va ajouter les 2 meilleurs solutions en termes de production de chaleur.
Elles associent une pompe à chaleur électrique et une chaudière, généralement à gaz, pour créer un système de chauffage biénergie. Un régulateur intelligent détermine la source d’énergie la plus rentable en fonction des prix de l’électricité et du gaz, optimisant ainsi le confort, les économies d’énergie et les performances environnementales de l’installation.
Fonctionnement :
- le composant principal : une unité extérieure capte les calories de l’air (PAC air-eau) et une chaudière gaz (parfois au fioul) sont intégrées dans un même système
- le régulateur intelligent : un gestionnaire d’énergie analyse en continu les prix des énergies et la demande de chaleur
- choix de l’énergie : le système privilégie l’énergie la moins chère à l’instant T, en passant de la PAC électrique à la chaudière gaz et vice-versa, pour assurer le meilleur équilibre entre économie et écologie
- installation : le système comprend des coupleurs hydrauliques et électriques, une sonde de température extérieure et une unité intérieure installée à proximité de la chaudière existante
Chauffe eau thermodynamique
La source froide peut être constituée d’un capteur aérothermique statique ou ventilé ou d’un capteur enterré dans le sol. Dans tous les cas, l’évaporateur capte l’énergie de l’air et le condenseur, placé autour ou dans le ballon, réchauffe l’ECS. Une résistance électrique d’appoint est nécessaire pour faire monter la température d’eau périodiquement (cycle anti-légionellose).
Pour un chauffe)eau thermodynamique (CET), la prise et le rejet d’air dépendent du type d’installation : sur air ambiant, l’appareil capte l’air de la pièce où il est installé (un local de plus de 20 m3, hors gel et non chauffé idéalement), et rejette l’air froid dans cette même pièce, nécessitant une ventilation de la pièce. Sur air extérieur (ou via un VMC), il prélève et rejette l’air à l’extérieur, via des gaines et des grilles en façade ou sur toiture.
Coefficient de performance des chauffe-eau thermodynamique :
Norme EN 16147, elle fixe les conditions de test pour mesurer le COP des chauffe-eau thermodynamiques. Elle spécifie les température de l’air :
- 7°C pour l’air extérieur
- 15°C pour l’air ambiant
- 20°C pour l’air extrait
Et les températures de départ de l’eau (de 15°C à 52,5°C) auxquelles le COP est évalué. Cette normalisation permet de comparer les performances des différents modèles de manière fiable.
PAC pour piscine
Une PAC pour piscine utilise un échangeur de chaleur pour transmettre la chaleur à l’eau. C’est entre 10°C et 25°C que cette pompe à chaleur atteint son rendement le plus élevé. Dans la plupart des cas, l’eau de la piscine doit être chauffée jusqu’à environ 30°C. S’il fait très chaud, les rayons du soleil peuvent suffire pour chauffer l’eau de la piscine, mais cela n’est souvent pas nécessaire. Une pompe à chaleur offre donc l’une des solutions les plus efficaces et écologiques qui soient.
Pompes à chaleur SOL-EAU
Il s’agit principalement d’extraire la chaleur contenue dans la croûte terrestre afin de l’utiliser pour les besoins en chauffage. Les transferts thermiques peuvent aussi dans certains cas être inversés pour les besoins d’une climatisation. Les procédés d’extraction de l’énergie diffèrent suivant les solutions retenues par les constructeurs. Comme véhicule thermique on utilise de l’eau ou de l’eau avec un glycol ou directement le fluide frigorigène.
L’eau accumulée dans le sole provient principalement des précipitations et du rayonnement solaire, le flux de chaleur provenant des profondeurs est inférieur à 0,1 W/m2, il est donc négligeable. Il est alors recommandé de ne pas installer les capteurs sous des surfaces bâties ou scellées. Certaines exceptions existent, notamment si le système géothermique prévoit une recharge du sol. Il est alors possible de disposer des capteurs sous les bâtiments. Une attention particulière sera portée aux températures de fonctionnement afin de ne pas endommager la structure du bâtiment, en effet des températures trip froides pourraient endommager les fondations. On a un meilleur COP car la source froide est à une température plus élevée.
Capteurs horizontaux
- Les capteurs horizontaux sont des tubes en polyéthylène qui sont installés en boucles enterrées horizontalement à faible profondeur (de 0,60m à 1,20 m). Dans ces boucles circule en circuit fermé de l’eau additionnée d’antigel. La longueur totale des tubes d’un capteur horizontal dépasse plusieurs centaines de mètres.
- Ils sont positionnés en boucles distantes d’au moins 40 cm, pour éviter un prélèvement trop important de la chaleur du sol. Dans le cas contraire, il y aurait risque de gel permanent du sol. On estime la surface de capteur nécessaire de 1,5 à 2 fis la surface habitable à chauffer. Pour une maison de 150 m2, le capteur occupera entre 225 et 300 m2 du terrain.
- Les capteurs horizontaux doivent respecter certains principes de pose. Pelouse, massifs et fleurs et buissons peuvent cohabiter avec le capteur horizontal enterré. La surface au-dessus du capteur doit être perméable (pas de terrasse ou de construction) et ne pas être traversée par des réseaux d’eau (risque de gel). Le terrain ne doit pas être trop pentu, pour ne pas avoir à faire de remblai. Un sol rocheux est moins favorable qu’un sol meuble.
Exercice 29 : dimensionnement capteurs horizontaux.
Capteurs verticaux :
- les capteurs verticaux aussi appelés sondes géothermiques, sont constitués de 2 tubes en polyéthylène, formant un U, installés dans un forage et scellés dans celui-ci par du ciment. On y fait circuler en circuit fermé de l’eau additionnée de liquide antigel
- deux sondes géothermiques de 50m de profondeur conviennent généralement pour chauffer une maison de 120m2 habitables. L’emprise au sol est minime par rapport à des capteurs horizontaux.
- les sondes géothermiques sont plus délicates à poser que les capteurs horizontaux; il est nécessaire de faire appel à une entreprise de forage qualifiée (le bureau de recherches géologiques et minières – BRGM – gère une liste de foreurs engagés dans une démarche qualité : Qualiforage) et de respecter les procédures administratives concernant la protection des sous-sols.
Exercice 30: dimensionnement captage vertical
Pompes à chaleur EAU – EAU
Une pompe à chaleur sur nappe phréatique (PAC eau-eau) est un système de chauffage géothermique qui utilise les eaux souterraines pour capter la chaleur. Elle fonctionne grâce à deux puits de forage, l’un pour l’extraction de l’eau et l’autre pour sa réinsertion après refroidissement, offrant ainsi un chauffage et une production d’eau chaude sanitaire très efficaces et constants, mais nécessitant un terrain suffisamment grand pour les forages.
Les différentes zones de captages sont disponibles sur le site Walonmap.
