Comment bien dimensionner et installer une pompe à chaleur hybride?

Une pompe à chaleur hybride, dans laquelle la pompe à chaleur est assistée par un second générateur de chaleur, peut être une bonne solution pour les bâtiments présentant d'importantes pertes de chaleur. Pour garantir un fonctionnement efficace et fiable, un dimensionnement correct et un système hydraulique bien conçu sont essentiels. Mais à quoi faut-il faire attention lors du dimensionnement et de l'installation du système?

Pourquoi une pompe à chaleur hybride?

Une pompe à chaleur hybride combine une pompe à chaleur et une chaudière. La pompe à chaleur (généralement un modèle air-eau ou sol-eau) fournit la majeure partie de la puissance de chauffage. Une chaudière (généralement au mazout ou au gaz) assure (en partie) la production d'eau chaude et intervient lorsque la demande de chaleur est trop importante ou que la température extérieure est trop basse. Les avantages:

• Coût d'investissement plus faible: par rapport à une pompe à chaleur tout électrique, la pompe à chaleur peut être plus petite, ce qui réduit l'investissement initial.
• Adaptation aux bâtiments existants: les systèmes hybrides fonctionnent également dans les bâtiments présentant des pertes de chaleur plus importantes ou un système de distribution conventionnel, dans lesquels une solution tout électrique n'est pas toujours envisageable.
• Modifications limitées de l'enveloppe du bâtiment: lorsqu'il est difficile d'apporter des modifications importantes à l'isolation ou au système de distribution (par exemple, dans les bâtiments classés), une solution hybride peut être techniquement et économiquement intéressante.
• Fiabilité et confort: la chaudière gère les pics de demande et les froids extrêmes, assurant le confort même lorsque les températures extérieures sont basses.
• Réduction des émissions de CO₂: bien qu'un combustible fossile soit toujours utilisé, la consommation d'énergie globale et les émissions de CO₂ diminuent considérablement par rapport à un système de chaudière classique (jusqu'à 75% d'émissions de CO₂ en moins).

Pour quelles applications?

Lorsque le chauffage tout électrique avec une pompe à chaleur n'est pas possible en raison d'une perte de chaleur excessive du bâtiment, une pompe à chaleur hybride peut être une solution.

C'est le cas, par exemple, dans les bâtiments où une isolation complète est difficile, voire impossible, comme dans un bâtiment classé ou une ancienne ferme, ou lorsque les moyens financiers pour isoler ne sont pas suffisants pour le moment, comme dans les bâtiments scolaires, par exemple.

Quelques situations possibles:

Par exemple: Le bâtiment est bien isolé, mais la chaudière de chauffage central est ovétuste. Le propriétaire souhaite conserver les radiateurs existants. Un nouveau système hybride avec une nouvelle chaudière fossile, une pompe à chaleur et une chaudière pourrait alors être une solution.

Exemple: Le bâtiment est moins bien isolé, mais la chaudière est encore assez récente. Le système de chauffage et d'eau chaude existant peut être conservé, complété par une nouvelle pompe à chaleur.

Trois types de pompes à chaleur hybrides

Il existe trois types de pompes à chaleur hybrides.

Dans un système bivalent alternatif, la chaudière prend complètement le relais de la pompe à chaleur lorsque celle-ci ne peut plus atteindre la température d'arrivée souhaitée (c'est le point de bivalence, c'est-à-dire la température extérieure à laquelle la pompe à chaleur ne peut plus couvrir à elle seule les besoins en chauffage). La pompe à chaleur s'arrête et la chaudière prend en charge la totalité de la puissance demandée.

Exemple: une pompe à chaleur de 8 kW peut amener le bâtiment à une température de confort jusqu'à environ 0 °C de température extérieure. Lorsqu'il fait plus froid à l'extérieur (-5 °C) et que le bâtiment a besoin de 15 kW, la pompe à chaleur s'arrête et la chaudière fournit la pleine puissance.

Dans un système bivalent parallèle, la pompe à chaleur et la chaudière fonctionnent simultanément. La pompe à chaleur continue donc d'apporter sa contribution même lorsque la température extérieure est plus basse, tandis que la chaudière n'intervient que pour compenser le manque de puissance.

Exemple: à -5 °C, la pompe à chaleur fournit encore 6 kW et la chaudière complète les 9 kW restants. De cette manière, la pompe à chaleur reste le plus possible en service et la chaudière n'intervient que de manière limitée.

Dans un système bivalent partiellement parallèle, la pompe à chaleur ne chauffe que lorsque les températures extérieures sont douces; lorsque les températures sont modérément froides, la pompe à chaleur et la chaudière fonctionnent ensemble et lorsque les températures extérieures sont très basses, la chaudière prend complètement en charge le chauffage.

Exemple: une pompe à chaleur de 8 kW peut encore chauffer le bâtiment seule à des températures douces. Si la température extérieure tombe à environ 0 °C et que la demande de chaleur passe à 10 kW, par exemple, la pompe à chaleur continue de fonctionner et la chaudière prend le relais avec 2 kW. S'il fait encore plus froid et que le bâtiment a besoin d'environ 15 kW à -7 °C, la régulation arrête la pompe à chaleur et la chaudière prend le relais à pleine puissance (15 kW).

Le fonctionnement bivalent en parallèle partiel est le plus intéressant dans la plupart des applications de rénovation, car la pompe à chaleur est utilisée au maximum lorsqu'elle fonctionne efficacement, et la chaudière n'est utilisée que lorsque des températures plus élevées sont requises dans le système de distribution, en dehors de la plage de température de la pompe à chaleur.

Tout commence par un calcul des déperditions de chaleur

Pour déterminer la puissance (kW) nécessaire pour chauffer confortablement le bâtiment (= demande de pic de chaleur), il faut effectuer un calcul normalisé des pertes de chaleur conformément à la norme NBN EN 12831. Il s'agit de calculer la perte de chaleur du volume entièrement protégé, à une température intérieure de 20 °C et à une température extérieure de -7 °C. Il s'agit de la somme des éléments suivants: la température intérieure de 20 °C et la température extérieure de -7 °C. Il s'agit de la somme des éléments suivants:

- les pertes par transmission (à travers le toit, les murs, le sol, les portes et les fenêtres)

- les pertes par infiltration (pénétration de l'air froid par les fissures et les interstices)

- les pertes par ventilation (perte de chaleur par ventilation contrôlée).

Dans les nouveaux bâtiments et les rénovations énergétiques majeures, le calcul des pertes de chaleur est généralement déjà disponible, car il est requis pour le PEB. Le rapporteur PEB effectue le calcul, l'installateur reçoit la capacité nominale et la pompe à chaleur ou la chaudière est choisie sur cette base.

Il existe des outils de calcul des pertes de chaleur des bâtiments existants, proposés par les fabricants, les distributeurs et les organisations sectorielles.

Buildwise, par exemple, a développé deux outils à cet effet:

- Standard Heatload, est un fichier Excel qui permet d'effectuer des calculs détaillés conformément à la norme NBN EN 12831.

- Application Heatload Web, fournit une estimation rapide en ligne sur la base des données PEB ou de la consommation d'énergie du bâtiment.

Maintenant que la demande de pic de chaleur de la maison est connue, la puissance de la pompe à chaleur et de la puissance de la chaudière peut être déterminée.

La chaudière existante peut-elle être conservée?

Il convient tout d'abord de déterminer si la chaudière existante peut être conservée ou non.

Dans certains cas, la chaudière existante peut être conservée. Toutefois, il est important de vérifier si la chaudière peut encore fonctionner dans des conditions optimales lorsqu'elle est associée à une pompe à chaleur.

Dans quels cas la chaudière existante est-elle moins adaptée?

• La chaudière est nettement surdimensionnée: De nombreuses installations plus anciennes ont une puissance de chaudière bien supérieure à la perte de chaleur réelle du bâtiment (notamment pour récupérer rapidement la baisse nocturne le matin). Lorsqu'une pompe à chaleur prend en charge une partie de la demande de chaleur, la chaudière démarrera et s'arrêtera (commutera) trop souvent en raison de la puissance excessive.
• La chaudière ne peut pas moduler assez profondément: En fonctionnement bivalent (partiellement) parallèle, la chaudière ne doit parfois combler qu'un petit déficit et n'ajoute donc qu'une puissance limitée, par exemple 2 à 3 kW. Si la chaudière ne peut démarrer qu'à partir de 10 kW, par exemple, le problème de la commutation se pose à nouveau. Il est alors essentiel de disposer d'un dispositif doté d'une large plage de modulation. Une chaudière qui commute provoque une température de commutation dans l'ensemble de l'installation et a donc un impact négatif sur l'efficacité de l'ensemble de l'installation, y compris la pompe à chaleur.
• La chaudière est trop vieille: est-il encore judicieux de l'inclure dans un système hybride pendant de nombreuses années?
• La régulation ne permet pas une bonne coopération entre la pompe à chaleur et la chaudière.
• La chaudière ne correspond pas au concept hybride choisi: par exemple, en fonctionnement bivalent alternatif, la chaudière doit conserver suffisamment de puissance pour fournir à elle seule la totalité de la demande de chaleur à des températures froides. Si la chaudière est trop petite ou pas assez fiable, elle ne peut pas assumer ce rôle.

Il est préférable de choisir une pompe à chaleur et une chaudière de la même marque dans un système hybride, car avec des appareils de la même marque, l'interconnexion entre les deux générateurs de chaleur a déjà été techniquement élaborée, testée et documentée par le fabricant. Lorsque cela n'est pas possible, la compatibilité des deux appareils doit être soigneusement vérifiée (par exemple, si la chaudière accepte un signal externe de validation ou de modulation, si la pompe à chaleur peut transmettre les points de consigne corrects, etc.)

Éviter l'abaissement nocturne
L'abaissement nocturne semble logique (régler plus froid la nuit pour économiser de l'énergie) mais est souvent moins efficace. En effet, le matin, l'installation doit rapidement compenser l'abaissement de température, ce qui nécessite une puissance supplémentaire et des températures de départ plus élevées. Le rendement baisse et, dans de nombreux cas, la consommation d'énergie est même plus élevée que si la température de confort était simplement maintenue constante durant la nuit.

Quelle est la puissance requise pour la pompe à chaleur et la chaudière?

La pompe à chaleur d'une installation hybride n'est généralement pas dimensionnée pour répondre à la deamnde complète de pic de chaleur du bâtiment.

Pour obtenir une indication de la capacité requise d'une pompe à chaleur dans une installation hybride, une formule a été établie.

Capacité de la pompe à chaleur en kW = (puissance requise par m² x superficie des pièces à chauffer en m² x facteur bêta) / 1.000

Par exemple, 75 W x 200 x 0,4 / 1.000 = 6.000 W

ou plus simplement: capacité de la pompe à chaleur en kW = (demande totale de chaleur de la maison en kW x facteur bêta)

Par exemple, 15 kW x 0,4 = 6 kW

Dans une installation hybride, où une chaudière de chauffage central intervient lorsque la demande de chaleur est élevée, l'ISSO recommande d'utiliser le facteur bêta 0,4. Qu'est-ce que cela signifie concrètement?

Le facteur bêta est un facteur qui détermine la part des besoins de chaleur couverte par la pompe à chaleur. Avec un facteur bêta de 0,4, cela signifie qu'à la température extérieure de référence (p. ex. -10 °C), la pompe à chaleur couvre 40% de la puissance de chauffage. Bien que cette part semble relativement limitée durant le jour le plus froid, la pompe à chaleur peut couvrir en moyenne environ 91% de la demande de chaleur annuelle de la maison. Pendant les périodes les plus froides, la chaudière du chauffage central intervient pour fournir la puissance restante, ce qui correspond à environ 9% de la demande de chaleur annuelle.

La chaudière comble alors le besoin d'énergie restant.

En fonctionnement alternatif bivalent ou partiellement parallèle, la chaudière doit pouvoir fournir à elle seule la totalité de la demande de chaleur sous le point de bivalence. La puissance de la chaudière reste pratiquement égale à la demande de pic de chaleur du bâtiment.

En fonctionnement bivalent parallèle, la pompe à chaleur continue d'apporter sa contribution même lorsque les températures extérieures sont plus basses. La chaudière doit fournir uniquement la puissance résiduelle pendant les périodes de pointe. Dans ce cas, la puissance de la chaudière peut souvent être réduite.

Exemple:

La puissance de crête du bâtiment est de 15 kW.

- Pompe à chaleur avec couverture de puissance de 30 à 50% (petite pompe à chaleur)
- Puissance nominale en watt-crête de la pompe à chaleur ≈ 6 kW
- Puissance en watt-crête de la pompe à chaleur à -7 °C ≈ 4,5 kW
- La chaudière doit fournir ≈ 10,5 kW (15 - 4,5)
- Choix d'une chaudière de 12 kW avec une bonne modulation

- Pompe à chaleur avec couverture de puissance 50-70% (pompe à chaleur moyenne)
- Puissance nominale en watt-crête de la pompe à chaleur ≈ 9 kW
- Puissance en watt-crête à -7 °C ≈ 6,8 kW
- La chaudière doit fournir ≈ 8,2 kW (15 - 6,8)
- Choix d'une chaudière de 10 kW avec une bonne modulation

- Pompe à chaleur avec couverture de puissance >70% (presque tout électrique)
- Puissance nominale en watt-crête de la pompe à chaleur ≈ 12 kW
- Puissance en watt-crête à -7 °C ≈ 9 kW
- la chaudière doit fournir ≈ 6 kW (15 - 9)
- choix d'une chaudière de 8 kW, souvent principalement pour l'eau chaude sanitaire/l'appoint; la modulation reste cruciale.

Testez les différentes options les unes par rapport aux autres

Le choix d'une installation plutôt qu'une autre est souvent un exercice d'équilibre entre plusieurs facteurs. Il est donc utile de mettre côte à côte quelques solutions possibles et de les comparer selon les critères suivants:

• l'investissement
• la consommation d'énergie
• le rendement annuel de la pompe à chaleur (SCOP)
• les émissions de CO₂
• le confort apporté
• le délai d'amortissement

C'est ensuite au client de décider quels sont les facteurs les plus importants.

Comment produire de l'eau chaude sanitaire?

Dans le cadre de la prévention de la légionellose, l'eau chaude sanitaire est régulièrement désinfectée thermiquement. Il s'agit de chauffer périodiquement l'eau du réservoir de stockage à au moins 60 °C. Dans la pratique, les pompes à chaleur ne peuvent parfois atteindre cette température élevée que de manière limitée ou avec une efficacité moindre.

Dans un système hybride, il existe donc plusieurs possibilités:
- La chaudière se charge entièrement de la préparation de l'eau chaude en se raccordant directement au chauffe-eau ou au ballon de stockage.
- La pompe à chaleur se charge du préchauffage, par exemple jusqu'à 45 °C (où le COP reste favorable), tandis que la chaudière se charge du post-chauffage et du cycle de légionellose.

Cette disposition peut être complétée par une résistance électrique alimentée par l'énergie solaire.

Considérations relatives à l'installation

Disposition hydraulique correcte

La considération la plus importante lors de l'installation d'une pompe à chaleur hybride est la disposition hydraulique de la pompe à chaleur et de la chaudière l'une par rapport à l'autre. Pour contrôler l'efficacité de la pompe à chaleur, il est essentiel que la chaudière n'affecte pas négativement le fonctionnement de la pompe à chaleur. Cela peut se produire lorsque la chaleur des deux appareils se mélange de manière indésirable, ce qui fait que la pompe à chaleur fonctionne moins ou s'arrête trop tôt.

Dès lors, les systèmes hybrides fonctionnent avec un ballon tampon. On distingue un ballon tampon parallèle et un ballon tampon en série.

Dans le cas d'un ballon tampon parallèle, la pompe à chaleur et la chaudière sont couplées hydrauliquement au même ballon tampon. Dans ce cas, la chaleur produite par la chaudière risque de se retrouver dans la zone du ballon tampon où la pompe à chaleur émet également sa chaleur. Par conséquent, la température augmente trop rapidement localement et la pompe à chaleur "pense" que la demande de chaleur est déjà couverte et s'arrête prématurément. Pour éviter cela, il est essentiel de raccorder correctement les tuyaux: la chaudière est généralement raccordée au ballon tampon par le haut, tandis que la pompe à chaleur est plus susceptible de se raccorder et de se déconnecter au milieu du ballon.

Une meilleure alternative est souvent un ballon tampon en série. Dans ce cas, le ballon tampon est incorporé hydrauliquement dans le circuit de la pompe à chaleur, généralement du côté du retour. La chaudière n'est plus raccordée directement au ballon tampon, mais se trouve en série derrière la pompe à chaleur. Dans ce cas, la pompe à chaleur fournit d'abord la chaleur de base. Ce n'est que lorsque la température de départ souhaitée n'est pas atteinte que la chaudière se réchauffe davantage. De cette manière, la pompe à chaleur reste utilisée au maximum et la chaudière n'intervient qu'en cas de besoin.

Attention aux débits excessifs!

Lors de l'installation, un point d'attention important est de veiller à ce que les pompes de circulation soient correctement réglées. Le débit de la pompe à chaleur et de la chaudière doit correspondre aux spécifications d'usine. Si une pompe de circulation fonctionne trop vite et fait circuler un débit d'eau trop important dans la pompe à chaleur ou si une chaudière de 10 kW a un débit qui correspond à une puissance de 30 kW, cela nuit à l'efficacité de ces appareils.

Dans les installations plus grandes, il est donc conseillé de prévoir des dispositifs d'équilibrage, tels que des vannes de réglage, un séparateur hydraulique, un ballonr tampon, une soupape d'étranglement ou des régulateurs de pression différentielle, afin d'assurer une distribution correcte de l'eau et un fonctionnement hydraulique stable.

Attention au contrôle

Aujourd'hui, le contrôle des installations hybrides est généralement basé sur la température extérieure, la température de départ et la demande de chaleur du bâtiment.

Dans les installations domestiques, le régulateur est généralement:

• un contact de déclenchement (marche/arrêt): l'inconvénient est que la chaudière doit encore être réglée séparément à une certaine température de départ. La régulation reste donc moins sophistiquée
• ou un signal 0-10V (régulation modulante): ici, la pompe à chaleur envoie une petite tension continue correspondant à une température de consigne souhaitée. La chaudière ne doit être configurée qu'une seule fois pour comprendre cette échelle.
  Exemple:
  3V = température de départ basse
  6V = température de départ plus élevée
  10V = demande maximale

Le contrôle basé sur le COP, les prix dynamiques de l'électricité ou les émissions de CO₂ n'est pas encore une norme aujourd'hui, mais commence à émerger. Par exemple, lors d'une journée d'hiver ensoleillée avec des prix d'électricité bas, il peut être intéressant de stocker temporairement plus de chaleur dans la maison via le chauffage par le sol ou de stocker de l'énergie dans le ballon tampon et d'augmenter la température du chauffe-eau sanitaire. Ces applications nécessitent un régulateur capable de traiter les prix actuels et les données du réseau via l'internet.

Dans les bâtiments plus grands, le contrôle est souvent pris en charge par un système de gestion du bâtiment. Ce système peut contrôler de manière encore plus spécifique via des systèmes de communication tels que Modbus, où les points de consigne, les températures et les modes de fonctionnement sont échangés numériquement.

Importance de la surveillance

Les systèmes hybrides ne sont pas des installations "prêtes à l'emploi". Une mise en service et un suivi adéquats sont essentiels.

Trop souvent, un système est parfaitement construit sur le plan hydraulique, mais n'est pas suffisamment réglé. Un débit de pompe trop élevé ou une régulation mal réglée peuvent réduire sensiblement le rendement de la pompe à chaleur.

C'est pourquoi les fabricants recommandent souvent un suivi en ligne du système au cours de la première période hivernale. La plupart des fabricants proposent des plateformes en ligne peu coûteuses et sécurisées avec des enregistreurs de données. Ceux-ci permettent aux techniciens et aux fabricants de surveiller les performances, d'ajuster les réglages, de détecter les pannes plus rapidement et d'effectuer des optimisations à distance.

Le rendement et la fiabilité opérationnelle des installations hybrides s'en trouvent considérablement accrues.

Entretien annuel

Il est fortement recommandé d'établir un contrat de service pour les installations hybrides. Une inspection annuelle de la pompe à chaleur est recommandée et comporte notamment:
- le nettoyage de l'évaporateur et des conduits d'air
- la vérification du fonctionnement et de l'efficacité (COP/SCOP)
- la vérification des débits, des réglages de la pompe et des différences de température (ΔT)
- la vérification de l'évacuation correcte de l'eau de condensation sous l'évaporateur 
- la vérification du circuit de réfrigérant et la détection des fuites éventuelles
- le test de la régulation et de la commutation entre la pompe à chaleur et la chaudière.

En outre, l'entretien du second générateur de chaleur reste également important. Une chaudière à gaz doit généralement faire l'objet d'un entretien semestriel (ou annuel dans le cas du mazout) conformément à la réglementation en vigueur, afin de garantir un fonctionnement sûr et efficace.