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Optimiser une chaudière fioul avec le couplage d’une pompe à chaleur

Publié le 27 avril 2018

En France, environ 19 % des ménages se chauffent au fioul (1). La hausse régulière du prix de ce combustible fossile alourdit d’avantage, chaque année, le budget que doivent consacrer les ménages à leur chauffage. De plus, dans le contexte environnemental actuel prenant en compte les émissions de CO2, les énergies renouvelables sont appelées à devoir se substituer aux énergies fossiles telles que le fioul.

Sans entraîner de perte de confort, il existe un moyen efficace de réduire d’environ 30% sa facture énergétique globale et de réduire son impact environnemental : il suffit d’installer une pompe à chaleur (PAC) en relève d’une chaudière existante.

L’objectif du couplage ?

L’objectif ne vise pas à substituer totalement la PAC à la chaudière, mais de faire fonctionner la chaudière et la PAC prioritairement ou simultanément pour satisfaire l’optimum économique et technique.

Promotelec vous informe

Diverses aides financières facilitent grandement cette opération, comme le crédit d’impôt pouvant atteindre 30 % des dépenses effectives.

La pompe à chaleur ayant une forte diminution de son coefficient de performance (COP)(2) avec les basses températures, l’objectif est d’utiliser la chaudière durant ces périodes pour permettre d’assurer les besoins de chaleur.

En pratique, pour une température extérieure supérieure à ≥-5°c, la pompe à chaleur peut fonctionner seule pour assurer les besoins en chaleur. En dessous de ces températures, la chaudière vient épauler la PAC en fournissant le complément d’énergie nécessaire.

Attention, le raccordement d’une pompe à chaleur à une chaudière existante ne s’improvise pas, et il doit être précédé d’un diagnostic thermique, d’une analyse de l’installation de chauffage et plus particulièrement de son dimensionnement et de son fonctionnement. Il faudra également procéder à l’examen des conditions d’implantation de la PAC et de son unité extérieure.

Les sources de chaleur pour la PAC

Selon la source que l’on souhaite utiliser, le matériel et le coût de l’installation ne sera pas le même.

Il existe des PAC puisant de la chaleur via la géothermie, les nappes phréatiques, ou l’air.

Source de chaleur Les moins Les plus
Géothermie - Coût ;
- Captage horizontale : nécessite grande surface de terrain occupé par le captage.
- Performances annuelles élevées grâce à la faible fluctuation de la température du sol.
- Pas de nuisances sonores sur l’environnement.
Nappes phréatiques - Coût lié aux forages ;
- Démarches administratives ;
- Pompe de relevage qui réduit les performances.
- Performances annuelles élevées grâce à la faible fluctuation de la température ;
- Pas de nuisances sonores sur l’environnement.
Air extérieur - Esthétisme de certaines installations ;
- Nuisances sonores du groupe extérieur.
- Coût ;
- Peu de contrainte d’installation.

L’équipement le plus représenté reste les systèmes fonctionnant sur air extérieur, la baisse des performances liées aux basses températures étant compensé par l’utilisation de la chaudière en relevé, ce système présente ainsi un optimum cout d’investissement et économie de fonctionnement.

Déterminer la puissance de la PAC

Le choix de la puissance de la pompe à chaleur à installer dépend essentiellement de deux facteurs

  • Les déperditions de l’habitation à équiper
  • Les conditions de fonctionnement de l’installation

Les déperditions de l’habitation :

L’estimation rigoureuse des déperditions thermiques implique le plus souvent de recourir au bilan thermique à l’issue d’un diagnostic. Il reste toutefois admis en première approximation de les déduire à partir de la consommation moyenne annuelle de fioul antérieure pour bien maîtriser les habitudes de confort souhaitées. Une correction sera appliquée, le cas échéant, pour tenir compte du gain procuré par les travaux d’amélioration entrepris. Dans le cas où la production d’ECS est confondue avec celle du chauffage, déduire un ratio de 10 L de fioul par an et par m2 habitable. Ainsi, il est aisé d’obtenir de la conversion suivante le niveau représentatif des déperditions.

Les déperditions de l’habitation

Les conditions de fonctionnement de l’installation :

Les conditions d’intégration d’une PAC dans une installation existante impliquent aussi de connaitre la température de départ d’eau de chauffage pour s’assurer que l’installation peut dispenser toute l’énergie produite par la PAC. Les PAC ayant un meilleur rendement lorsqu’elles fonctionnent à basses températures.  L’installation d’une PAC est le plus souvent compatible quand l’installation est équipée avec des radiateurs « surdimensionnés » ou avec un plancher chauffant.

Un dimensionnement proche de 70 % des déperditions

Compte tenu de ce qui précède mais également du coût des équipements, la PAC doit être dimensionnée le plus souvent pour couvrir environ 70 % des déperditions. Ce rapport est établi entre la puissance utile de la PAC au point d’essai nominal et les déperditions totales. Bien entendu, des puissances supérieures peuvent être envisagées à condition toutefois d’augmenter la capacité en eau de l’installation par un ballon tampon. Cette mesure permet de limiter les cycles courts de fonctionnement préjudiciables à la PAC.

 

Savoir s’adapter à l’installation hydraulique

Tout d’abord, il faut veiller à réduire au minimum les longueurs de tuyauterie servant au raccordement de la PAC afin de limiter les pertes thermiques. Toutes les PAC voient leurs performances décroître avec l’augmentation de la température de la source chaude : il est plus difficile de céder de la chaleur à un milieu chaud que froid.

Par ailleurs, contrairement à une chaudière à combustible qui peut monter la température d’eau à près de 90°C, une PAC voit sa limite haute se situer à environ 55°C. Certaines PAC permettent d’envisager une température d’eau de 70 °C (PAC dites à « haute température »).

Pour ces raisons, il est indispensable que la PAC soit raccordée à l’endroit où la température de l’eau de l’installation est minimale(3). Toutefois, il existe une autre contrainte : l’écart de température entre l’entrée et la sortie d’eau de chauffage de la PAC. Cette dernière est en effet conçue pour fonctionner avec un écart de 5 à 7 °C, alors que l’installation existante travaille avec un écart de l’ordre de 15 à 20 °C.

Montage en série sur le retour d’eau

C’est le montage le plus simple. En revanche, il ne permet pas d’optimiser tous les paramètres. Pour limiter l’écart de température entre l’entrée et la sortie d’eau de chauffage de la PAC, le débit d’eau dans l’installation de chauffage doit le plus souvent être augmenté. Cette mesure qui implique de prendre en compte les pertes de charge de la PAC peut appeler le remplacement de la pompe de circulation.

Schéma type d’une installation PAC en relève de chaudière fioul (montage en série)

Schéma type d’une installation PAC en relève de chaudière fioul (montage en série)

Montage en parallèle sur le retour d’eau

Adaptable au plus grand nombre de cas, ce montage permet d’optimiser tous les paramètres. La pompe de circulation installée sur la boucle de la PAC permet d’assurer le débit d’eau nécessaire pour garantir l’écart de température entre l’entrée et la sortie d’eau de 5 à 7 °C. Les pertes de charge de la PAC sont ici sans influence sur les réglages initiaux de l’installation. L’accélérateur principal de circulation d’eau chaude sera maintenu en fonctionnement pendant toute la saison de chauffage. L’accélérateur propre au circuit PAC peut être asservi à son fonctionnement.

Réseau hydraulique entre la pompe à chaleur et le circuit

La liaison entre la pompe à chaleur et le circuit de retour de l’eau chaude doit être réalisée en tuyaux souples ou manchons isolants pour éviter la transmission de vibrations (mécaniques ou hydrauliques) au reste de l’installation. Si l’installation existante est munie de vannes thermostatiques sur la totalité des radiateurs, le circuit devra comporter une vanne de décharge ou un bouclage.

Choisir un bon dispositif de régulation

Pour en tirer la quintessence d’une PAC en relève de chaudière, le dispositif de régulation doit impérativement donner la priorité de fonctionnement à la PAC.

Thermostat d’ambiance à deux étages

Le premier étage pilote la PAC. Tant que la température souhaitée peut être obtenue par la PAC, seule cette dernière est appelée à fonctionner. Le second étage pilote la chaudière. Lorsque la puissance délivrée par la PAC devient insuffisante, la température souhaitée baisse très légèrement (environ 0,5 °C) et le second étage du thermostat commande automatiquement l’enclenchement de la chaudière. Dès lors, la PAC fonctionne simultanément avec la chaudière.

Régulateur proportionnel

Ce type de matériel est destiné à adapter en continu la température d’eau de chauffage en fonction de la température extérieure à partir de la loi des températures d’eau de l’installation. La priorité de fonctionnement de la PAC peut être assuré par :

  • la prise en compte d’une seconde loi d’eau décalée d’environ 3°C pour piloter la chaudière ;
  • ou un relais à seuils agissant dans un premier temps sur la PAC et dans un second sur la chaudière.

Nota : dans les deux cas, la PAC fonctionne selon un mode tout ou rien. En revanche, une vanne motorisée peut demeurer et maintenir une boucle « chaude » au niveau de la chaudière.

Autres aspects techniques à ne pas négliger

Compléter l’installation électrique

Avant toute installation, il faut s’interroger sur les capacités du branchement en place et de ses évolutions possibles. En effet, l’installation d’une PAC peut entrainer une modification de la puissance électrique souscrite ou un changement de branchement qui, de monophasé, devrait devenir triphasé. Un sous-tableau spécialisé, issu du disjoncteur de branchement ou du tableau principal de l’installation, sera consacré à l’alimentation électrique de la pompe à chaleur. Il comportera un dispositif de protection (contre les courts-circuits et les surcharges) et de sectionnement approprié, conformément aux prescriptions de la norme NF C15-100 (disjoncteur différentiel 30 mA …).

Dissocier la production d’eau chaude sanitaire

Dans le cas où la chaudière produit l’eau chaude sanitaire à partir d’un ballon, il est permis de le conserver et d’installer en série un chauffe-eau électrique ou bien encore de le supprimer totalement.

Le recours à un chauffe-eau électro-solaire, tirant parti de l’énergie gratuite fournie par le soleil, contribuera à réduire encore davantage la note énergétique.

Ne pas oublier l’aspect maintenance

Pour maintenir dans le temps les performances de l’installation et le confort prévus, il est indispensable de souscrire un contrat de maintenance. Il doit comporter des vérifications régulières des circuits aérauliques, hydrauliques et électrique.

Trois domaines de fonctionnement peuvent donc être définis :

  • Teq < température extérieure : fonctionnement PAC seule
  • Ta < température extérieure < Teq : fonctionnement PAC + chaudière. Pendant cette phase, la PAC fonctionne en régime permanent, la chaudière étant seulement appelée pour fournir l’appoint
  • température extérieure <Ta : fonctionnement chaudière seule. Cela concerne le plus souvent les températures inférieures à – 10 °C.

Teq : température extérieure d’équilibre au-dessus de laquelle la PAC suffit à couvrir à elle seule les besoins de chauffage. Ta : température extérieure d’arrêt de la PAC consécutive à une température extérieure plus basse que la température de fonctionnement de la PAC, ou une température de retour d’eau du réseau de chauffage trop élevée.

1) COP = puissance calorifique restituée
                       puissance absorbée

2) Source : chiffres QuelleEnergie 2016

3) La pression du fluide frigorigène augmente lorsque la température s’élève au niveau du condenseur. Des limitations de pression conduisent donc à des limitations de température de condensation qui dépendent de la nature du fluide frigorigène. Pour les PAC courantes, la température maximale de condensation est de 60 °C, soit une température d’eau en sortie de condenseur de l’ordre de 55 à 57 °C.

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