Pompes à chaleur pour la production d’ECS en logements collectifs neufs : les solutions classiques

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La RE2020 défavorise les solutions gaz naturel pour le chauffage et la production d’eau chaude. En revanche, elle pousse diverses techniques de pompes à chaleur en construction neuve. Si les Pac en maisons individuelles sont bien maîtrisées, ce n’est pas encore le cas des systèmes en immeubles collectifs neufs. Batirama a donc publié déjà cinq articles sur les pompes à chaleurs adaptées aux immeubles de logements collectifs neufs. Voici le sixième

Après avoir évoqué le remplacement des chaudières gaz en chaufferie par des pompes à chaleur air/eau, énuméré les avantages de la GMI (Géothermie de Minime Importance), dressé la liste des pompes à chaleur adaptées à la GMI, abordé la question de l’installations de pompes à chaleur air/eau individuelles en immeubles collectifs neufs, ce qui est beaucoup plus fréquent que nous l’imaginions, le cinquième article portait sur les pompes à chaleur à boucle d’eau en immeubles de logements collectifs neufs.

Le sixième article sur les pompes à chaleur en collectif neuf traite des Pac « classiques » spécialisées dans la production d’ECS. Il semble en effet que le couple ECS collective par pac et chauffage individuel tout électrique sera l’une des solutions possibles en construction neuve au sud de la Loire. Dans un prochain article, seront évoquées les Pac dont la source froide est composée de capteurs solaires ou bien de solutions de récupération de chaleur sur les eaux grises. Les Pac spécialisées dans la production d’ECS sont des machines particulières.

Pour commencer, elles doivent atteindre une température d’eau supérieure à 65°C. Ensuite, elles bénéficient d’un important ΔT entre la température d’eau froide – qui peut descendre à 11°C en hiver – et la température de départ d’ECS. Ensuite, elles peuvent être utilisées bien au-delà des immeubles collectifs neufs, partout où les besoins d’ECS sont importants : en hôtellerie, en résidence universitaires, dans les maisons de retraite, etc.

Des pompes à chaleur air/eau haute température

Il existe plusieurs technologies de pompes à chaleur pour la production d’ECS collective. La première est la Pac air/eau haute température. L’exemple classique est le système Hitachi Hidro S80 bibloc de Johnson Controls – Hitachi Air Conditioning Europe SAS. Le système Hidro S80 est d’abord constitué de Pac bibloc Yutaki S80, des groupes de 11, 14 et 16 kW de puissance nominale, capables d’atteindre une température de départ d’eau au primaire de l’échangeur de 80°C par -20°C à l’extérieur, sans l’appoint d’une résistance électrique.

La température de départ d’eau élevée est atteinte parce que les Yutaki S80 fonctionnent encore au R134a. La GWP (Global Warming Power) du R134a atteint 1430. Ce qui condamne ce fluide à court terme et pèserait lourd dans un calcul CO2 selon la méthode RE2020. Pour une liaison de 15 m, chaque système contient 1,9 kg de fluide. Hitachi ne prévoit pas de remplacer le R134a dans les deux ans qui viennent. ©Johnson Controls – Hitachi Air Conditioning Europe SAS

Les pompes à chaleur Yutaki S80 peuvent être associées en cascade jusqu’à 8 pompes et une puissance totale de 128 kW. Le contrôleur de cascade ATW-YCC-01 se charge du pilotage des pompes à chaleur, notamment la rotation des machines en fonction des appels de puissance. Ce contrôleur, connectable, concentre toutes les informations sur le fonctionnement des Pac qu’il supervise.

Les Pac Yutaki S80 acceptent jusqu’à 75 m de liaison frigorifique et un dénivelé de 30 m si les unités extérieures sont placées au-dessus des unités intérieures. Ensuite, Hitachi propose des ballons STG 1S à échangeur noyé et des ballons STG Puffer qui font office de primaire pour la production d’ECS. Les ballon STG 1S sont soit standards, soit en version Pac de 500 à 2000 l. Dans ce dernier cas, l’échangeur noyé est surdimensionné. Ce qui fournit aux pompes à chaleur le volume d’eau minimum de 40 ou 50 l, dont elles ont besoin pour fonctionner, sans nécessité d’un volume tampon.

Un ballon STG 1S Pac de 500 l, avec un échangeur noyé de 42 l, est capable de produire 1 614 l/h d’ECS à ΔT = 50K à partir d’un primaire à 80°C. Le ballon STG 1S Pac de 2000 l, avec un échangeur noyé de 85 l, parvient dans les mêmes conditions à une production d’ECS de 3 273 l/h. Le ballon accumulateur primaire STG Puffer, de 300 à 300 l, est pour sa part associé à un préparateur instantané STG IST – un échangeur à plaques - de 20 à 700 kW.

Il est également possible d’associer les ballons STG Puffer à un module thermique d’appartement pour la production simultanée d’ECS et de chauffage. Nous reviendrons sur cette solution dans un prochain article consacré aux architectures de distribution collective qui valorisent le mieux les qualités des pac en immeubles neufs.

Deux solutions Atlantic

Atlantic propose deux solutions de production d’ECS thermodynamique collective. La première, Hydragreen repose sur une Pac monobloc air/eau de 30 kW, cascadable jusqu’à 480 kW (16 groupes). Ces pompes à chaleur fonctionnent au CO2 (R744), dont le GWP = 1 et qui n’est pas soumis au règlement F-gaz. Le système Hydragreen possède déjà un Titre V pour la RT2012. Il en aura un autre pour la RE2020, lorsque les modalités de constitution ou de reconduite des Titres V auront été clarifiées.

Hydragreen fonctionne jusqu’à -25°C de température extérieure et conserve toute sa puissance jusqu’à -7°C. La distance maximale entre la pac et le ballon peut atteindre 100 m. Une unité de 30 kW associée à un ballon de 1500 l produit jusqu’à 8 000 l d’ECS à 65°C par jour. Le système parvient à un COP de 4,3 en mi-saison. Le CO2 est bien adapté à la production d’ECS. Il permet de produire de l’eau à 90°C pour assurer régulièrement des chocs thermiques anti-légionnelles. ©Atlantic

Les caractéristiques thermiques du CO2 font que la pompes à chaleur Hydragreen assure elle-même le maintien en température de la boucle collective d’ECS. Atlantic propose 6 modèles de ballon de 500 à 200 l. ©Atlantic

La seconde solution Atlantic pour la production thermodynamique d’ECS en collectif est le système Hydrapac 2, composé trois modèles de pompes à chaleur monobloc air/eau au R410A (2,5 kg par machine, GWP = 2100) de 11 à 16 kW, cascadables jusqu’à 48 kW, d’une station hydraulique et de ballons de stockage. Les pac atteignent un COP de 2,41 à 2,64, selon les modèles, à A7/W55 (température d’air de 7°C et température de départ d’eau de 55°C). Elles fonctionnent jusqu’à -25°C de température extérieure.

Hydrapac2 d’Atlantic peut assurer seule la production d’ECS et le réchauffage de boucle en construction neuve. ©Atlantic

Le CO2 est un bon fluide pour la production d’ECS

Atlantic n’est pas le seul fabricant à proposer des pac utilisant le CO2 pour la production d’ECS en collectif. Mitsubishi Electric propose lui aussi une solution : le système Yusen.

Yusen de Mitsubishi Electric se compose d’une pac QAHV de 40 kW de puissance nominale, d’un module MTHX2 de transfert thermique (échangeur à plaques inox soudées) et de régulation, de 1 à 3 ballons de stockage en série, à choisir parmi 7 modèles de 500 à 3000 l. ©Mitsubishi Electric

Fabriqués par le français Lacaze Energies, les ballons sont équipés d’une résistance électrique de secours. Les pompes à chaleur fonctionnent jusqu’à -25°C de température extérieure, maintiennent leur puissance à 35 kW par -7°C et produisent de l’ECS jusqu’à 90°C. Leur COP atteint 3,76 (A7/W70) pour une température extérieure de 7°C et une température de départ d’eau de 70°C. La distance maximale entre le pac et le module de transfert thermique atteint 50 m.

Le module de transfert thermique contient un échangeur à plaques de 56 kW afin de garantir une bonne performance énergétique. L’échangeur à plaques est démontable. Une bouteille tampon de 40 sur le primaire permet un bon fonctionnement de la pac. L’automate de régulation, connecté en ModBus/RJ45, gère la pompe à chaleur au CO2 et ses phases de dégivrage, gère les alarmes et le fonctionnement des résistances électriques de secours dans les ballons, intègre le retour du bouclage d’ECS et accepte une programmation horaire.

Pac air/eau + panneaux photovoltaïques

Auer de son côté propose la MégaPAC70 : des pac air/eau monobloc HRC70 utilisant le propane (R290, GWP = 3, non-soumis au règlement F-Gaz), cascadables de 11 à 140 kW, associées à 7 modèles de préparateurs d’ECS de 500 à 3000 l, à échangeur noyé. Huit modèles, de 5 à 35 kW de puissance unitaire, sont utilisables dans le système. La solution MégaPAC70 produit de l’eau à 65°C par -20°C de température extérieure, sans assistance d’une résistance électrique. Les systèmes sont pilotées par un pilote multifonction qui gère les pompes à chaleur, le préparateur sanitaire, le bouclage de la distribution d’ECS et le secours.

Auer dispose de deux modèles de pilotes. Le pilote MégaPAC gère jusqu’à 240 kW de puissance. Le Pilote 6P8 gère 7 à 35 kW de puissance. Le bouclage d’ECS est maintenu en température par un préparateur dédié – un ballon à stratification – alimenté par les pac et non par une résistance électrique. Les pompes à chaleur du système MégaPac70 sont des machines air/eau. Elles peuvent être installées sur le toit du bâtiment avec une liaison hydraulique de 100 m au maximum. Mais elles peuvent aussi être posées en local technique en utilisant des machines gainées. ©Auer

Auer insiste beaucoup sur un juste dimensionnement des systèmes MégaPAC70, parce que le surdimensionnement par rapport aux besoins d’ECS dégrade les performances. L’entreprise a publié un guide de dimensionnement MégaPAC70, accessible à partir de son espace prescription, réservé aux professionnels.

Les solutions MégaPAC70 et leurs pilotes de cascade sont conçus pour l’autoconsommation d’une production d’électricité photovoltaïque sur site. Le système stocke l’énergie PV produite sous forme de chaleur dans les ballons de façon à maximiser l’autoconsommation. ©Auer

Le prochain article sur la production thermodynamique d’ECS portera notamment sur les solutions de Solaronics, Héliopac, Giordano Industries et Biofluides Environnement. Tous ces matériels font appel soit à des capteurs solaires thermiques, soit à une récupération de chaleur sur les eaux grises.