Les pompes à chaleur

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Elle transfère de l'énergie d'un milieu à un autre

Source : ef4.

Une pompe à chaleur (PAC) est une machine dont le but est de valoriser la chaleur gratuite présente dans l’environnement : celle présente dans l’air extérieur, les rivières, le sol. En effet, tout corps, même "froid" contient une quantité importante d’énergie qui peut être récupérée. Pratiquement, grâce à un fluide décrivant un cycle thermodynamique, la pompe à chaleur retire de la chaleur à une source dite "froide" et la rejette dans une source dite "chaude". Ce transfert fait appel à un processus forcé, puisque chacun sait que la chaleur se déplace de façon naturelle d'une zone chaude vers une zone froide. C'est pourquoi, la PAC doit être entraînée par un compresseur qui lui amènera l'énergie nécessaire à son fonctionnement. A titre d'exemple,  pompe à chaleur à placer sur la toiture d'un atelier industriel.

Il est important de préciser que l'on parle ici d'appareils réalisant un transfert, et non une création de chaleur. L'objectif visé - le coefficient de performance - se situe autour de 3 unités de chaleur fournies à la source chaude par unité injectée au compresseur. Cela signifie que pour un kWh consommé et payé, on en reçoit 3 gratuitement

Mais la PAC est un producteur de chaleur "dynamique" : contrairement à une chaudière, une PAC voit ses performances varier selon les conditions d'utilisation. Elle aura ainsi de très bonnes performances de chauffage ... en été alors que ce n'est pas en cette période que le besoin de chauffage est présent ! La tâche la plus difficile pour le projeteur, consiste à prendre en considération ce comportement dynamique et à équiper l'installation de telle manière que les conditions limites de fonctionnement ne soient pas dépassées.

Un boom commercial

Il s'agit d'une technologie qui bénéficie d'un fort regain d'intérêt ces dernières années après un premier boom (et une déception...) lors de la crise pétrolière des années 70. Le marché est en pleine expansion :

Statistiques du marché des pompes à chaleur tous modèles confondus entre 2005 et 2009 dans quelques pays européens.

Source : EHPA Outlook 2009,  Heat Pump Statistics.

Un outil "propre" ?

La PAC permet d'utiliser l'énergie électrique à bon escient. La pompe à chaleur s'inscrit-elle alors dans la démarche "développement durable" ? Il convient de nuancer la réponse.

La pompe à chaleur en tant que telle est une machine intéressante dans la mesure où un kWh payé au niveau mécanique (pour faire tourner le compresseur), on produit 3 à 4.5 kWh d'énergie thermique (suivant la technologie utilisée et la qualité de la mise en oeuvre). Néanmoins, toute la question de l'impact environnemental d'une pompe à chaleur se trouve dans la façon de produire ce kWh mécanique. La majorité des PAC utilisent de l'énergie électrique pour réaliser ce travail moteur. Les performances environnementales d'une PAC sont donc directement liées aux performances environnementales de l'électricité que l'on utilise. Prenons différents cas de figure :

• Dans le cas, plutôt marginal à l'heure actuelle, où l'électricité serait produite par des énergies purement renouvelables, comme des éoliennes ou panneaux photovoltaïques, l'impact d'une PAC est remarquable dans la mesure où elle multiplie l'efficacité des énergies renouvelables pour la production thermique, et globalement, l'impact environnemental est nul. Dans ce cas de figure, il n'y a pas lieu de nuancer le propos : les PACs ont un impact positif.

• Si l'on consomme l'électricité du réseau électrique belge, les performances environnementales des PAC sont alors à nuancer. A l'heure actuelle, la production électrique est largement dominée par les centrales nucléaires. Celles-ci réalisent autour de 60 % de le production électrique. Le restant de la production est essentiellement réalisé par des centrales travaillant avec les combustibles fossiles (gaz et charbon). Les centrales nucléaires sont caractérisées par des émissions d'équivalent CO₂ relativement moindres que les centrales classiques (quoi que cet argument est parfois remis en cause). Du coup, si on fait un bilan global, travailler avec des PAC et l'électricité du réseau émet moins de CO₂ que de brûler du gaz ou du mazout localement dans la chaudière de chaque habitation. Néanmoins, gros bémol, il reste la problématique des déchets nucléaires. Même si à court terme, la gestion ou du moins, l'entreposage des déchets nucléaires, est gérable, à long terme, cela peut engendrer de gros soucis. Si on s'intéresse à la consommation en combustible fossile, la PAC combinée à l'électricité du réseau est intéressante comparée à la combustion directe dans l'habitat uniquement si la pompe à chaleur à de bonnes performances, c'est-à-dire si l'on travaille avec du bon matériel, bien conçu par rapport au bâtiment et bien installé. En fait, les centrales utilisent 2 à 2.5 kWh de combustible fossile pour générer 1 kWh électrique. En intégrant les pertes du réseau électrique, il faut que la PAC produise plus de 3 kWh thermiques sur base de ce kWh électrique pour que le bilan environnemental soit intéressant.

Conclusion, l'intérêt environnemental de placer une pompe à chaleur est dépendant de la qualité de l'électricité qui est utilisée pour alimenter la PAC. Dans le cas du réseau électrique belge actuel, l'intérêt d'une PAC est présent sur les émissions de CO₂ mais, en ce qui concerne la consommation en énergie primaire, uniquement si les performances thermiques des PAC sont optimisées.

Types de pompes à chaleur

 

 Source : ef4.

Les pompes à chaleur sont désignées en fonction des fluides caloporteurs dans lesquels baignent les échangeurs de chaleur de l'évaporateur et du condenseur. Attention, il s'agit bien du fluide caloporteur au niveau de l'évaporateur et du condenseur et qui n'est pas toujours équivalent au type de source chaude ou froide (l'air, l'eau ou le sol). En effet, on peut trouver intercalé, entre le condenseur et la source chaude, ou entre l'évaporateur et la source froide, un circuit intermédiaire. Prenons à titre d'exemple, les PAC Saumure/eau. On trouve du coté évaporateur de l'eau glycolée, eau glycolée dans un circuit qui parcourt ensuite le sol afin d'en extraire la chaleur. Du coté condenseur, on trouve un circuit d'eau qui, par exemple, alimente un circuit de chauffage par le sol pour se décharger de son énergie.

Les principaux types de PAC

Désignation	Évaporateur	Condenseur	Boucle intermédiaire : source froide/évaporateur	Boucle intermédiaire : condenseur/source chaude
PAC Eau/ Eau	Eau	Eau	Non	Oui
PAC Air/ Eau	Air	Eau	Non	Oui
PAC Saumure/ Eau	Saumure	Eau	Oui	Oui
PAC Air/ Air	Air	Air	Non	Non
PAC Sol/Sol	Sol	Sol	Non	Non

Exemple de désignation abrégée : Type : Eau/ Eau Température entrée évaporateur : 10 °C Température sortie condenseur : 45 °C Désignation abrégée : W10/W45 L'expression W10/W45 signifie que la source froide est une eau à 10 °C et la source chaude une eau à 45 °C. C'est sous cette forme que les fournisseurs désignent leurs produits. Une source de chaleur telle une nappe phréatique ou une eau de surface sera désignée par "eau", l'air atmosphérique ou des rejets gazeux par "air", un mélange eau-glycol qui circule dans le circuit fermé entre une source de chaleur et l'évaporateur par "saumure". De ce fait, les pompes à chaleur puisant l'énergie du sol seront parfois désignées sous le terme de "saumure".

Les systèmes les plus répandus sont les systèmes Air/Eau puis Saumure/Eau dont la source de chaleur est souterraine. Les pompes à chaleur Eau/Eau sont souvent soumises à autorisation et sont donc moins courantes en Belgique.

Principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur

     

Source : ef4.

Le principe de fonctionnement est le même que celui de la machine frigorifique mais l'application travaille en sens inverse.

Cette fois, l'objectif consiste à extraire la chaleur gratuite d'un milieu extérieur : l'eau d'une rivière, l'air extérieur, l'eau d'une nappe souterraine, ... (on parle de "source froide"). Physiquement, l'air extérieur à 0 °C contient beaucoup d'énergie puisque sur l'échelle des températures absolues, l'air se situe en réalité à 273 K !

Schéma du principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur.

L'évaporateur est à l'extérieur et la température du fluide frigorigène sera environ 5 à 8 °C inférieure à la température de la source froide. L'énergie thermique captée sera "remontée" à un niveau de température utilisable (pour le chauffage d'une maison, par exemple) via le compresseur : le condenseur est donc à l'intérieur.

Bien sûr, on choisira un émetteur de chaleur à une température la plus basse possible (par exemple, chauffage à air chaud, chauffage à eau chaude par serpentin dans le sol, ...). L'écart de température entre l'entrée et la sortie du compresseur doit être en effet le plus faible possible pour limiter le travail du compresseur.

Exemple. Refroidir l'eau d'une rivière initialement à 10 °C pour assurer le chauffage d'une habitation par de l'air à 35 °C. Le fluide frigorigène passera à 6 °C dans la rivière et à 40 °C dans l'échangeur de chauffage de l'air du bâtiment.

Différents coefficients de performance

SC = source de chaleur (source de froide),   Acc = accumulateur.

L'évaluation de la performance instantanée

On peut déduire le rendement d'une PAC (appelé "", indice de performance) sur base du rapport entre l'énergie thermique utile délivrée au condenseur par rapport à l'énergie électrique fournie (et payée) au compresseur.

 = chaleur au condenseur/travail du compresseur = Q2 / W.

Par exemple, si, à un moment de mesure donné, les températures des sources chaudes et froides d'une certaine PAC sont telles qu'elle transmet via son condenseur une puissance de 3 kW alors qu'au même moment son compresseur requiert une puissance de 1 kW, on pourra dire que son indice de performance vaut 3 kW / 1 k W = 3 pour ces conditions de température.

Ce rapport peut être obtenu ou déduit du catalogue du fournisseur, à partir de mesures qu'il aura effectuées dans des conditions standards.

L'évaluation de la performance instantanée, auxiliaires compris

Cette fois, on parle d'un coefficient de performance "COP".

C'est la norme européenne EN 255 qui définit le coefficient de performance en lieu et place de l'indice de performance présenté ci-dessus. Pour le calculer, en plus de la puissance du compresseur, on devra prendre en compte la puissance des dispositifs auxiliaires qui assurent le bon fonctionnement de la pompe à chaleur : le dispositif antigel, la commande/régulation et les installations mécaniques (pompe, ventilateur).

Toutefois, ces mesures ne concernent que les éléments rattachés à la pompe à chaleur et sont indépendantes de l'installation de chauffage, de l'accumulateur, etc. La norme fixe des conditions de mesures standardisées très précises qui ne correspondent aux situations réelles que dans certaines circonstances particulières. Il ne faut pas perdre cela de vue lorsque l'on travaille avec le COP pour estimer les performances d'une PAC.

Reprenons l'exemple de PAC ci-dessus. Dans les conditions imposées par la norme EN 255, la puissance mise à disposition au condenseur ne sera peut-être pas 3 kW mais 3,2 kW pour une température de sortie du condenseur identique. De plus, la puissance absorbée par l'ensemble des équipements à prendre en compte ne sera peut-être pas de 1 kW mais de 1,1 kW. Le coefficient de performance vaudra alors 3,2 / 1,1 = 2,9.

L'évaluation de la performance annuelle, auxiliaires compris :

Le coefficient de performance annuel ("COPA") est l'indice le plus important dans l'examen d'une installation de pompe à chaleur. Toutes les quantités d'énergie produites et injectées pendant une année y sont comparées les unes aux autres. Il ne s'agit plus ici d'une valeur théorique calculée à partir de puissance installées, mais d'une mesure réelle sur site de la quantité d'énergie consommée et fournie. C'est le coefficient de performance annuel qui donne vraiment idée du "rendement" et de l'efficacité de l'installation.

Imaginons que notre PAC exemple fasse maintenant partie de toute une installation de chauffage. Les variations de température des sources froides et chaudes, les pertes par émission du réseau de distribution, la consommation d'un chauffage d'appoint, etc... font que 13 000 kWh* de chaleur sont produits sur une année, tandis que les consommations globales s'élèvent à 6 200 kWh* d'énergie électrique. On dira alors que le COPA de cette installation vaut 13 000 kWh / 6 000 kWh = 2,17.

*Ces valeurs ne servent qu'à illustrer la définition du COPA. Il ne s'agit pas d'une quelconque moyenne d'installations existantes ou du résultat d'une étude de cas.

L'évaluation théorique de la performance annuelle :

Il s'agit du Facteur de Performance Saisonnier ("SPF").

Alors que le COPA est le rapport entre les valeurs mesurées sur un an de l'énergie calorifique donnée utilement au bâtiment et de l'énergie (souvent électrique) apportée à l'installation, le SPF est le rapport de ces mêmes quantités d'énergie fournies et apportées en un an calculées de façon théorique sur base du COP instantané à différentes températures.

Il s'agit donc bien d'une valeur théorique mais prenant en compte les variations de température de la source froide et non pas d'une valeur mesurée en situation réelle comme le COPA. De plus, le SPF décrit une PAC tandis que le COPA décrit une installation complète. On ne tiendra donc pas compte pour le calcul du SPF des pertes de l'accumulateur par exemple, ou d'un mauvais réglage d'un dispositif de dégivrage, qui augmenteraient la quantité d'énergie demandée au compresseur et donnerait une valeur finale moins avantageuse mais plus réelle. On calculera le SFP comme ceci :

où,

• Q_demandée est la quantité d'énergie demandée à la PAC durant la période de chauffe [kWh/an].
• P(T_ext) est la puissance à apporter lorsque la température de la source froide est T_ext (par exemple les déperditions thermiques d'une maison selon la température extérieure) [kW].
• t(T_ext) est le temps durant lequel la température de la source froide est T_ext [h/an].
• COP(T_ext) est le coefficient de performance de la pompe à chaleur lorsque la température de la source froide est T_ext.

Un rendement qui dépasse 100 % !?

Quel bilan énergétique de la PAC ?

Qu'est-ce qui coûte dans l'exploitation d'une installation de pompe à chaleur ?

• pas l'énergie de la "source froide" : elle est gratuite,
• mais bien l'énergie électrique du compresseur.

D'où la notion de rendement donné par "", l'indice de performance :

 = chaleur au condenseur/travail du compresseur = Q2 / W.

Or Q2 = Q1 + W = chaleur captée à la source froide + énergie développée par le travail du compresseur (loi de conservation des énergies).

Dès lors, Q2 est toujours plus grand que W et est toujours nettement plus élevé que 1.

Est-il normal de rencontrer une machine dont le "rendement" dépasse 100 % ?

En réalité, il ne s'agit pas ici d'une machine de conversion, de transformation d'énergie comme une chaudière (c'est-à-dire transformation d'énergie chimique en chaleur), mais bien d'une machine qui transfère une quantité d'énergie thermique d'un seuil de température à un autre. L'indice de performance n'est donc pas un rendement (de conversion) mais une évaluation de la performance du transfert.

Si l'écart entre les 2 seuils de température augmente, l'efficacité ( ou COP) diminue.

Quel est le "" théorique d'une pompe à chaleur ?

Puisque W = Q2 - Q1, on écrit encore :  = Q2 / (Q2 - Q1)

Si l'on considère un travail sans pertes, les lois de la thermodynamique établissent le lien entre l'énergie contenue dans un fluide (Q) et la température absolue de ce fluide (T), si bien que l'on admettra sans démonstration l'expression suivante du COP théorique :

théorique = T2 / (T2 - T1) [T étant exprimé en Kelvin]

Où :

• T2 = température de condensation [K].
• T1 = température d'évaporation [K].

Il faudra donc une température d'évaporation maximale et une température de condensation minimale. Attention cependant à ne pas confondre les températures T1 et T2 du fluide frigorigène avec celles des sources chaudes et froides, même si, par voie de conséquence, le coefficient de performance instantané est d'autant meilleur :

• que la température de la source de chaleur (= la "source froide") est élevée,
  
  
• que la température du réseau de chauffage est basse (T2 proche de T1).

Alors que l'on ne peut guère influencer la température de la source de chaleur (la source froide), celle au départ du chauffage sera définie par le projeteur ! Par conséquent, il aura tendance à choisir un chauffage par le sol ou un chauffage à air chaud.

Exemple d'une pompe à chaleur AIR - AIR Soit T°ext = 0 °C (= 273 °K) et T°chauff. = 40 °C théor = (273 + 40) / (40) = 7,8 ! En théorie, la pompe fournira 8 x plus d'énergie au condenseur que d'énergie demandée au compresseur ! ... (les 7/8 de la chaleur étant captés dans l'air extérieur).

Et quel COP pratique ?

En pratique, plusieurs éléments vont faire chuter la performance :

• Il existe un écart de température entre le fluide frigorigène et les sources.
  Par exemple : si T°ext = 0 °C, T°évaporateur = ... - 8 °C... Et si T°chauff. = 40 °C, T°condenseur = ... 48 °C... D'où  = (273 + 48) / (56) = 5,7.
  Le coefficient de convection entre l'eau et l'évaporateur étant nettement meilleur que le coefficient de convection entre l'air et l'échangeur, on aura tendance à privilégier les PAC eau/eau et eau/air. Encore faut-il avoir une rivière au fond de son jardin ou une nappe phréatique sur laquelle il est possible de puiser (autorisation obligatoire). En général, il faudra se résoudre à prendre l'air extérieur comme source froide.

• Or dans ce cas, si la T°ext < 5 ° C, alors T°fluide évaporateur = 0 °C. Dès lors, du givre apparaît sur les ailettes, la glace bouche l'échangeur extérieur, d'où nécessité de dégivrer (soit un courant électrique est envoyé sur l'échangeur pour faire fondre la glace, soit le cycle est inversé et des gaz chauds sont envoyés dans l'évaporateur).
  Avec la consommation de dégivrage, l'indice de performance moyen diminue fortement.

• Lorsque la température de l'air extérieur descend sous 0 °C, le compresseur a de plus en plus de mal à fonctionner : la puissance délivrée au condenseur de la pompe à chaleur devient très faible et il faut parfois ajouter des résistances de chauffage électrique directe à l'installation . Paradoxe malheureux, c'est quand il fait très froid que l'habitation demandera le plus de puissance et que la pompe à chaleur lui en donnera le moins!

• Il y a nécessité de faire fonctionner les ventilateurs des sources froides et chaudes, d'où une consommation électrique supplémentaire de ces auxiliaires.

Exemple. Voici les spécifications techniques d'un climatiseur réversible présent sur le marché. En hiver, ce climatiseur peut fournir de la chaleur au local : il fonctionne alors en mode "pompe à chaleur". Unité intérieure FHYB35FJ Unité extérieure RY35D7 Puissance frigorifique kcal/h 3 100 Btu/h 12 300 kW 3,60 Puissance calorifique kcal/h 3 500 Btu/h 14 000 kW 4,10 Puissance absorbée rafraîchissement kW 1,51 chauffage kW 1,33 On y repère : l'efficacité frigorifique, E.F., ou COPfroid (coefficient de performance en froid) puissance frigorifique / puissance absorbée = 3,6 kW / 1,5 kW = 2,4  l'indice de performance au condenseur, puissance calorifique (au condenseur) / puissance absorbée = 4,1 kW / 1,3 kW = 3,2 Attention ! Ce coefficient est obtenu dans des conditions très favorables ! En petits caractères, le fabriquant précise qu'il s'agit de valeurs obtenues pour 7 °C extérieurs... Cette performance va s'écrouler en période plus froide. En réalité, c'est le rendement moyen saisonnier qui nous intéresse... mais celui-ci n'est jamais donné puisqu'il dépend des conditions d'exploitation.

Pompe à chaleur sur boucle d'eau

Plusieurs pompes à chaleur sont connectées sur une boucle d'eau commune.

• En été, elles fonctionnent en machine frigorifique dont le condenseur est refroidi par la boucle d'eau. Celle-ci se refroidit elle-même via une tour de refroidissement posée par exemple en toiture.
  
  
• En hiver, elles fonctionnent en pompe à chaleur dont la boucle d'eau constitue la source "froide". Celle-ci est elle-même réchauffée par une chaudière placée en série sur la boucle.
  
  
• En mi-saison, ce système prend tout son sens : si simultanément des locaux sont refroidis et d'autres réchauffés, la boucle qui les relie permet le transfert d'énergie entre eux, avec une performance URE remarquable.

Ce système est optimalisé s'il dispose en plus d'un système pour stocker la chaleur et la restituer à la demande, en différé.

Ces PAC/climatiseurs sont constitués de deux parties :

• Une partie traitement de l'air du local composée principalement d'un filtre, d'un échangeur Air/fréon et d'un ventilateur de soufflage.
  
  
• Une partie circuit frigorifique constituée d'un compresseur, d'une vanne 4 voies d'inversion de cycle, d'un échangeur Eau/fréon raccordé à la boucle d'eau, d'un détendeur capillaire.

Suivant les cycles de fonctionnement, les échangeurs Eau/fréon et Air/fréon sont tour à tour le condenseur ou l'évaporateur du circuit frigorifique; ce basculement est rendu possible par la vanne 4 voies d'inversion de cycle canalisant les gaz chauds sous pression, en sortie du compresseur, vers l'un ou l'autre des échangeurs dans lesquels le fluide frigorigène sera alors condensé en abandonnant ses calories à l'eau ou l'air.

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Les plafonds rayonnants froids

Domaine d'application

Les plafonds rayonnants froids font partie des équipements de refroidissement des locaux.

Généralement, de l'eau froide à + 15°C circule au dessus du faux plafond (par ex, serpentins d'eau fixés au dessus de la plaque métallique du faux plafond). Les occupants recevront une composante de rayonnement froid (en réalité, ils émettront de la chaleur vers ce plafond), et l'air du local sera lui aussi refroidi.

1. Plaque métallique perforée
2. Elément refroidissant
3. Laine minérale dans une feuille PE
4. Plaque carton-plâtre

Ces systèmes ont beaucoup de qualités (absence de bruit et de courants d'air, encombrement nul, faible consommation énergétique,... ) mais aussi un gros défaut : une puissance frigorifique limitée ! (60 à 120 W/m²). Le rapport "puissance frigorifique/prix" ne ferait pas le bonheur de Test-achats !

C'est une technique nouvelle qui vient des pays nordiques : l'été, les chaleurs de Copenhague ne ressemblent pas vraiment à celles de Marseille !

Ce produit étant à la mode, la Belgique voit son parc de plafonds rafraîchissants s'agrandir d'année en année, principalement dans les bureaux mais aussi dans le secteur des commerces. Il faut dire qu'il répond bien aux besoins de nos régions, besoins limités en refroidissemement, ceci pour autant que les apports solaires soient maîtrisés (faible surface vitrée ou protections solaires efficaces).

Cette technique s'adapte à la construction nouvelle (pour des bâtiments conçus de façon à limiter les apports solaires et les apports de chaleur internes), mais aussi en rénovation grâce au fait de ne pas devoir percer des parois pour le passage de gainages d'air volumineux et de pouvoir réutiliser l'installation de chauffage existante.

Cette technique de rafraîchissement est également appréciée dans l'hôtellerie pour son silence !

Fonctionnement

Apport de froid

Les plafonds froids rayonnants sont des émetteurs statiques à paroi sèche. Les échanges de chaleur se font de deux façons différentes 

• Échange par convection avec l'air ambiant: un minimum de 40 % de la puissance totale émise.
  
  
• Échange par rayonnement avec les parois, meubles, personnes,... : un maximum de 60 % de la puissance.

Apport de chaleur

L'appoint de chaleur en hiver reste un problème même si, en construction nouvelle, le bâtiment étant bien isolé, la demande de chaleur en hiver est limitée. Il est envisageable d'apporter cette chaleur :

• soit en alimentant en eau chaude les plafonds situés près des façades (près des baies vitrées),
  
  
• soit via un circuit de radiateurs complémentaires,
  
  
• soit grâce à des batteries terminales de réchauffe alimentées en eau chaude et placée en façade,
  
• soit grâce à des batteries électriques placées placées sur le conduit d'air de chaque bureau. Mais il faut un débit d'air minimum pour limiter les températures de pulsion.

Technologies

Il existe plusieurs technologies différentes :

La dalle froide ou dalle active :

Le principe consiste à faire circuler dans la dalle de plafond, un serpentin dans lequel transite l'eau froide.

C'est un système peu coûteux à l'investissement (car directement inclus lors de la construction de la dalle).

La puissance frigorifique est faible (60 W/m²).

>  Avantages : il est possible de réaliser un stockage nocturne de frigories dans la dalle ! Cette technique présente dès lors les avantages du système de stockage frigorifique dans des bâches d'eau glacée (production de frigories au prix du kWh de nuit, diminution de la puissance frigorifique installée, ...)

>  Inconvénients : l'inertie du système rend la régulation très difficile... Y aura-t-il du soleil demain ?  Faut enclencher le refroidissement cette nuit ? De plus, la décharge du froid est indépendante des besoins réels. La température ambiante du local varie dans la journée en fonction des charges du local...

Les faux plafonds à ailettes clipsables : (procédé FRENGER)

La circulation d'eau se fait dans des tuyaux (cuivre, acier, polypropylène, aluminium,...) sur lesquels sont clipsés des plaques (métalliques, plafonnage,...) formant ainsi un faux plafond. Ces plaques peuvent être perforées, afin d'en faire un plénum de pulsion de l'air neuf.

Dans une variante (chaque constructeur ayant développé son propre produit !), des tubes plats sont sertis sur des plaques métalliques.

La puissance frigorifique de ces plafonds atteint 100 W/m2. Son inertie est très faible et donc la régulation de la température ambiante sera aisée.

Un inconvénient : c'est le serpentin qui assure la fonction portante du plafond, ce qui n'est pas l'idéal, à terme (on peut imaginer qu'un montage fait d'usine est plus fiable). Le faux- plafond se présente alors sous forme de lamelles juxtaposées.

Les faux plafonds à répartiteur de froid transversal

Pour favoriser le refroidissement du faux plafond, certains fabricants ont imaginé de fixer des lames métalliques transversalement à la circulation de l'eau froide dans les tubes en cuivre. La puissance de refroidissement en est améliorée.

Exemple de plafonds-froids "bidirectionnels".

Les faux plafonds à tube intégré dans un profilé aluminium :

Ici, l'essentiel consiste à faire communiquer au mieux le froid entre le tube et l'entièreté du plafond métallique ! Un tube intégré à un profilé aluminium permet une excellente conduction du froid (en réalité, de la chaleur), si bien que la différence de température entre l'eau et la surface métallique est seulement de l'ordre de 1°C. Des puissances de 100 à 130 W/m2 actif sont atteintes.

Attention : de telles puissances sont atteintes pour un écart de 10° entre la température moyenne de l'eau (16°C) et la température de l'ambiance (26°C), càd dans des conditions extrêmes.

Le matelas de laine minérale disposé au dessus ou dans les panneaux de plafond permet une limitation des pertes vers le haut et un traitement acoustique du local (par absorption).

Si une lame d'air est conservée entre le panneau et lematelas isolant, une circulation de l'air est possible et donc l'échange convectif avec les tuyaux froids est amélioré.

Le montage est facilité, mais le prix d'achat est augmenté.

Les plafonds à effet convectif renforcé

Afin de favoriser l'effet convectif, des ailettes sont serties sur les tuyauteries. L'idée consiste à créer un effet d'écoulement d'air, de cheminée froide le long de ces ailettes. Cette fois, deux tiers de la puissance est communiquée par convection. La puissance frigorifique est maximale (130 W/m2 et plus) pour autant que le faux plafond reste à claire-voie.

Les faux plafonds à nattes capillaires

Des nattes capillaires (à imaginer avec des diamètres du type spaghetti ! ... de l'ordre de 2,5 mm de diamètre intérieur) en matériau de synthèse sont parcourues par l'eau glacée.

Il s'agit généralement de polypropylène (obtenu par polymérisation du propylène, CH6)

On rencontre ce système :

• Incorporé dans des modules de faux plafonds : la natte est déposée sur un bac/panneau métallique perforé, recouverte d'une couche d'isolant, puis superposée d'une 2ème plaque métallique qui comprime le tout de telle sorte que le contact entre la natte et le panneau soit favorisé. Une fixation par charnière permet un accès aisé à l'espace technique situé au-dessus de chaque module. Le plastique n'est pas rigide et les contacts sont donc partiels mais ceci est compensé par la totalité de la surface qui entre en jeu (multiplicité des tubes).
  
  
• Fixé sur les parois du local (plafond en plaque de plâtre, murs,...), puis recouvert d'un enduit de type crépi ou d'un revêtement de finition classique. C'est alors l'ensemble de la paroi qui devient rayonnante. C'est une technique qui se prête bien à la rénovation d'anciens locaux.

Ce système présente une très faible inertie (contenance en eau de l'ordre de 40 gr/m^² seulement) et permet donc une régulation aisée de la température ambiante.

Le risque de voir les tubes capillaires se boucher est réel, aussi il est généralement recommandé d'utiliser de l'eau déminéralisée.

La puissance frigorifique est faible, comprise entre 50 et 70 W/m².

Remarques.

1° De nombreux fabricants proposent leurs produits sur le marché :

• des fabricants de faux plafonds qui ont développé la fonction "thermique",
• des fabricants de matériel thermique qui ont développé la fonction "faux plafond" !

Il est indispensable que les deux fonctions soient totalement maîtrisées et proposées avec des matériaux de qualité.

2° Un plafond froid ne s'achète pas sur "catalogue" et une installation ne peut se concevoir sans qu'un  Ingénieur Conseil n'intègre tous les besoins et exigences du Maître de l'Ouvrage et de l'Architecte.

L'Entrepreneur réalisant un tel système doit en prendre la responsabilité globale tant au point de vue installation (faux plafond) que performance (confort).

Systèmes réversibles : chauffage et rafraîchissement

Un plafond froid peut fonctionner en mode chauffage en période hivernale, mais avec un certain inconfort.

Le réseau de tuyauterie sera alimenté soit en "2 tubes réversibles" (pas moyen, dans ce cas, de faire simultanément du chaud et du froid), soit en 4 tubes, système offrant plus de souplesse.

Le schéma ci-dessous montre l'installation 2 tubes (réseau chaud/froid, dans/sous le plafond) et propose de la coupler avec une ventilation/refroidissement par déplacement, technique complémentaire très efficace pour les occupants. Elle propose aussi la formule d'insertion des tubes dans la structure du bâtiment (augmentation de l'inertie).

Installation

Pose

La pose est généralement délicate car tout défaut dans la planéité d'un faux plafond est directement visible, surtout si la lumière est rasante. Les réceptions d'installation donnent généralement lieu à des discussions tendues entre architecte et installateur !

Risques de condensation

Il ne doit pas y avoir de condensation sur le plafond froid ! Sous peine d'avoir de l'eau sur les papiers de la secrétaire !

Ce procédé est donc à proscrire dans tous les milieux présentant un taux d'humidité élevé (cuisines, sanitaires avec douches, buanderies, ...)

La température de l'eau doit être limitée (généralement un régime 15° - 17°), l'air neuf sera particulièrement sec et diverses mesures de régulation seront prises.

Apport d'air neuf

De l'air neuf hygiénique sera pulsé, de façon distincte au refroidissement des faux plafonds.

Une pulsion de l'air neuf à basse température permet de réduire la puissance frigorifique à vaincre par le plafond.

La déshumidification de cet air neuf en centrale contribue à l'assèchement de l'air des locaux et diminue les risques de condensation.

Une pulsion de l'air neuf au ras du plafond (avec recherche de l'effet Coanda) n'augmente pas l'effet convectif et donc pas la puissance frigorifique.

Par contre, une pulsion en partie basse des locaux, associée à une reprise en partie haute, présente les avantages de confort et d'efficacité énergétique du système de ventilation par déplacement.

Espace nécessaire

La hauteur minimale nécessaire est fonction de l'ensemble des équipements à placer dans le faux plafond. Au cas où seule la fonction thermique est présente, la hauteur minimale requise est de 55 mm.

Préparation de l'eau glacée

On utilisera soit un groupe d'eau glacée spécifique, soit un réseau du circuit principal.

Deux cas particuliers existent cependant :

Les plafonds réalisés par des nappes capillaires, qui requièrent une alimentation en eau déminéralisée. Un circuit spécifique, avec son propre échangeur à plaque en acier inoxydable, sera réalisé sur la boucle d'eau glacée du bâtiment.

Les installations qui peuvent bénéficier d'une source froide naturelle (nappe phréatique, rivière, lac,...), qui profiteront d'une eau de refroidissement en boucle ouverte. Un échangeur, spécialement traité pour résister à la corrosion et au colmatage, permettra le refroidissement à la source froide. Pour fournir l'appoint en plein été, le système est épaulé par un groupe frigorifique (placé en parallèle et dont le condenseur est raccordé à cette même source froide).

Régulation

Le circuit des panneaux est alimenté au régime aller - retour de 15°C - 17°C, généralement.

Contrôle de la condensation

Différentes dispositions seront prises pour limiter le risque de condensation :

• limitation de la température de départ de l'eau pour les réseaux intégrés dans la dalle de plafond,
  
  
• contrôle de l'humidité relative à proximité du plafond et coupure de la circulation d'eau, pour les réseaux en faux plafonds,
  
  
• contrôle des conditions extérieures pour anticiper les fluctuations d'humidité à l'intérieur du local.

Dans un bâtiment avec fenêtres ouvrantes, l'alimentation du plafond en eau doit pouvoir être interrompue par un contact de feuillure.

Schéma de principe

La régulation de l'alimentation en eau des panneaux vise classiquement au maintien de la température de consigne, mais aussi au contrôle de l'absence de condensation sur les tuyauteries.

Sur base de la mesure de la température de l'air ambiant et de son humidité relative, le régulateur détermine le point de rosée de l'ambiance et limite la température de l'eau à un niveau de 1 à 1,5°C supérieur à ce point de rosée, par action sur une vanne trois voies.

Cette protection peut également être assurée par un détecteur de condensation placé à la surface du tube d'entrée: si l'humidité relative de l'air à la surface du tube approche de la condensation, un contact est actionné; la vanne est fermée et, éventuellement, la pompe est arrêtée.

Cette pompe peut également être mise à l'arrêt.

• si la température ambiante est inférieure à sa consigne,
  
  
• si le contact de feuillure placé sur les ouvrants des châssis signale une fenêtre ouverte.

Montage

Lorsque plusieurs panneaux doivent être mis en parallèle, on peut prévoir une disposition similaire à la mise en parallèle de radiateurs :

Comme dans les raccordements bitubes, on peut améliorer l'équilibrage de l'installation par un montage en Tickelman :

Chaque circuit présente alors une perte de charge similaire et donc un débit d'alimentation similaire.

Solution proposée par un constructeur de matériel de régulation

1. Boitier d'ambiance comprenant la mesure de la température d'ambiance et le potentiomètre de réglage de la consigne (que l'on peut aussi limiter dans une plage de +/- 2 K autour d'une valeur de base réglée d'avance)
2. Hygrostat limiteur pour le contrôle de la condensation, actionnant le circulateur.
3. Sonde d'applique pour le contrôle de la température effective à l'entrée du réseau.
4. Régulateur numérique (liaisonnable à la GTC par bus 2 fils), agissant sur le circulateur et sur la vanne deux voies motorisée.
5. Vanne motorisée électro-thermique modulant le débit suite au signal chrono-proportionnel reçu du régulateur.

Solution intégrant la commande de radiateurs

Avec le même matériel, le schéma ci-dessous signale que le régulateur peut également gérer le chauffage statique en hiver, la commande de l'éclairage et la réponse d'un contact de fenêtre.

Avantages

• Le confort est meilleur que dans les systèmes traditionnels (par ventilo-convecteurs par exemple).
  
  
  1. Parce que l'apport de froid par rayonnement est plus stable (inerte) et mieux réparti spatialement que l'apport de froid par air,
  2. parce qu'il conserve "la tête au frais",
  3. parce que le confort est renforcé par l'absence de courant d'air froid, puisque le débit d'air est limité au débit hygiénique,
  4. parce ces mouvements d'air limités entraînent peu de déplacement de poussières dans les locaux.
     
     
• La séparation entre la fonction ventilation des locaux (air neuf hygiénique) et l'apport thermique (apport de froid) est un gage de bonne régulation.
  
  
• L'air neuf ne sera pas recyclé, évitant ainsi les risques de contamination liés au recyclage de l'air ("sick buildig syndrom").
  
  
• L'absence de bruit est un confort non négligeable (fonctionnement statique, faible débit d'air neuf pulsé).
  
  
• La préparation d'eau glacée à une température "élevée" de 15°C environ permet la sélection d'une machine frigorifique avec un excellent coefficient d'efficacité frigorifique (ou "COP frigorifique"). cette propriété est perdue si la même machine frigorifique est utilisée pour préparer l'air neuf déshumidifié ...
  
  
• Cette température élevée permet d'imaginer, durant une bonne partie de l'année, un refroidissement direct de l'eau glacée dans les tours de refroidissement en toiture, en by-passant ainsi la machine frigorifique. Cette technique est généralement appelée "free-chilling". La consommation liée au froid se résume à l'alimentation des pompes de circulation ! La présence d'une source d'eau froide naturelle peut également être mise à profit (rivière, lac, ...)
  
  
• Le transport du froid vers les locaux par de l'eau glacée (pompe) est environ dix fois moins énergétique que le transport par de l'air froid (ventilateurs des systèmes "tout air").
  
  
• Le confort apporté par le rayonnement froid au dessus des occupants permet une augmentation de 2°C de la consigne de température ambiante des systèmes traditionnels (température max = 26°C ou 27°C, au lieu des 24 ou 25°C habituels pour des ventilos ou des poutres froides, par exemple). Il s'en suit une réduction de la puissance frigorifique nécessaire.
  
  
• Les coûts d'exploitation énergétiques sont plus faibles que dans le cas des systèmes traditionnels (ventilo-convecteurs par exemple). Une étude de cas réalisée par Tractebel Development Engineering précise ce facteur. On épargne la consommation des ventilateurs des ventilo-convecteurs, mais on augmente un peu la consommation des pompes de distribution de l'eau puisque qu'un delta T° aller-retour de 2 à 3 K est réalisé contre 5 à 6 K pour les ventilos.
  
  
• Une économie supplémentaire provient du fait qu'une part de la consommation des ventilos-convecteurs est donnée en chaleur latente sur l'air (la température de la boucle d'eau glacée est inférieure à la température de rosée de l'ambiance et l'humidité de l'air se condense, parfois inutilement). Ce fait ne se produit pas avec les plafonds, ... sauf si c'est l'air neuf qui est fortement déshumidifié...
  
  
• La régulation est en partie auto-adaptative : une augmentation des charges du local provoque une augmentation de sa température et donc une augmentation de la puissance de refroidissement.
• L'entretien semble réduit.
  
  
• L'encombrement au sol est nul !
  
  
• Le système ne demande que le percement de trous pour le passage de tuyauteries d'eau. En rénovation de bâtiments, on évite ainsi l'encombrement des gainages d'air de grandes dimensions... De plus, il est possible de récupérer l'ancienne installation de chauffage.
  
  
• Le système requiert une hauteur de faux plafond inférieure à celle d'un système tout air.
  
  
• Le traitement des zones internes par ce système est moins encombrant que par la climatisation en VAV ou par ventilo-convecteurs.

Inconvénients

• La puissance frigorifique reste très limitée par rapport aux systèmes traditionnels. On dit parfois que c'est un système placé pour vaincre les apports internes (bureautique, éclairage, occupants). Ceci sous-entend que les apports solaires des vitrages soient limités :
  
  
  • soit par la conception du bâtiment créant des ombres portées,
  • soit par la mise en place de protections solaires extérieures,
  • soit par le placement de stores intérieurs clairs combinés à des vitrages performants,
  • soit par la configuration des lieux (bureaux paysagers, salles profondes).
    
    
• Le coût d'installation est fort élevé, surtout en rapport à la puissance frigorifique fournie.
  
  
• Ce coût est notamment lié à la régulation assez sophistiquée, notamment pour éviter tout risque de condensation.
  
  
• Le chauffage en hiver reste non résolu ! Plusieurs solutions sont possibles :
  
  
  • soit le chauffage par le plafond (mais inconfortable),
  • soit un chauffage par le plafond limité aux premiers panneaux situés en façade (confortable mais limités en puissance),
  • soit un chauffage traditionnel par radiateur (solution généralement appliquée en rénovation puisque l'on peut récupérer l'installation existante).

• La tenue dans le temps (problèmes hydrauliques, manque de performance dans les circuits mal éventés, ...) de ce type de produit reste une grande inconnue, vu le peu de recul que nous avons sur ce type d'installation. Ce risque peut être limité par un suivi de réalisation très rigoureux.

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