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Comment optimiser le ballon ECS pour pompe à chaleur géothermique

Comment optimiser le ballon ECS pour pompe à chaleur géothermique

On peut optimiser le COP ECS de 40% pour une pompe à chaleur géothermique tout en améliorant le confort de chauffage de la maison

Sommaire

La bataille du COP ECS pour pompe à chaleur géothermique

Avec l'arrivée de la RE2020, le champs de bataille se déplace du chauffage vers l'ECS et les "auxiliaires" car mieux isoler les bâtiments, cela permet de réduire le chauffage mais pas l'ECS. Pour le RT2012, on avait une consommation à part égale entre chauffage, ECS et auxiliaire. Maintenant, par ordre croissant de dépenses, nous avons chauffage, ECS et auxiliaires. D'où l'importance de se focaliser sur la consommation de l'ECS. Suivant les options prises, la consommation peut varier de 40% pour une même technologie. Explications... 

L'impact des conditions moyennes annuelles sur le COP ECS

L'ECS contrairement au chauffage est soutiré en gros pour la même quantité toute l'année. 

La pompe à chaleur géothermique va utiliser alors une terre ayant une température moyenne annuelle comme l'aérothermie car la température de la terre est égal à la la température moyenne de l'air. Donc si on n'optimise pas la production d'ECS en géothermie, on aura un rendement du même ordre de grandeur contrairement au chauffage pour lequel on demande de l'énergie quand la température de l'air est inférieur à la température moyenne utilisée en géothermie. 

La durée d'arrêt du chauffage pour cause de production d'ECS

Avec l'amélioration des performances des maisons, les machines deviennent de plus en plus petites et cela peut commencer à poser problèmes pour le temps mis pour le chauffage de l'ECS. Pour cela, il devient difficile de descendre en dessous de 4 kw de puissance alors que dans certains cas, on aurait besoin de 2 à 3 kw seulement sauf à attendre des heures chauffage arrêté que l'ECS chauffe. 

Comment optimiser le COP d'une pompe à chaleur géothermique pour l'ECS

L'idée pour améliorer le COP de la pompe à chaleur géothermique

  • Le COP baisse avec l'augmentation de la température de l'eau chauffée donc il faut baisser la température de chauffage de l'ECS
  • Un ballon ECS n'a pas forcément besoin d'avoir toute l'eau chauffée à 55°c pour avoir de l'eau chaude
influence de la température de chauffage sur le COP de la pompe à chaleur géothermique
influence de la température de chauffage sur le COP de la pompe à chaleur géothermique

Le schéma montre que, à 55°c, le COP est d'ordre de 2,8 alors qu'il est de 4,5 pour un chauffage à 35°c avec un soutirage géothermique à 0/-3c, ce qui n'est pas très bon. 

2,8, c'est la valeur prise en compte dans les moteurs de calculs RT2012 et RE2020. Cette valeur est toujours sous estimée pour les pompes à chaleur géothermique. 

Maintenant si on pouvait utiliser un chauffage d'ECS permettant de chauffer à en moyenne 45°c, cela permettrait de passer de 2,8 à 3,8 à 0/-3c. Cela fait une amélioration de 40%. Avec un COP de 3,8 pour l'ECS, on est déjà meilleur qu'un chauffe-eau solaire traditionnel et qu'une pompe à chaleur aérothermique. 

Si on prend maintenant une température moyenne de la terre de 10°c sur l'ensemble de l'année, on pourra avoir un COP de 4,7. Soit 67% de mieux que les 2,8 prises dans les calculs. 

Le ballon ECS pour améliorer le COP de la pompe à chaleur géothermique

Pour permettre de chauffer à en moyenne 45°c, on va utiliser un ballon à production d'ECS instantané.

Le ballon production instantanée d'ECS

Au lieu d'utiliser un ballon avec un serpentin qui va porter l'ECS à 50 ou 55°c puis une résistance électrique qui poussera à 60°c de temps en temps pour éviter la légionellose, on va faire circuler l'eau potable dans un immense serpentin en inox annelé pour produire l'ECS et l'eau du ballon est de l'eau de chauffage. 

Pas besoin d'avoir 60°c en bas du ballon, une montée progressive de la température de l'eau dans lequel le serpentin baigne est suffisant pour sortir une eau à environ 47 -48°c qui est la norme de température de sortie d'eau avec protection anti-brûlure obligatoire sur les chauffe-eau. 

Ballon à production d'ECS instantané pour augmenter le COP de la pompe à chaleur géothermique
Ballon à production d'ECS instantané pour augmenter le COP de la pompe à chaleur géothermique

Ainsi on va chauffer le bas à 35° et le haut à 55°c, au milieu, il ya une zone à 45°c et le bilan est le suivant

  • On passe de l'eau de 10 à 35°c dans le bas du ballon (soit + 25°c avec un COP à 4,5 toujours pour un soutirage à 0/-3c)
  • On passe de l'eau de 35 à 50°c dans le haut du ballon (soit +15°c avec un COP à 2,8 toujours pour un soutirage à 0/-3c)

En moyenne, on va produire de l'ECS avec un COP à 45°c soit entre 3,8 (cas le plus défavorable) et 4,7 (moyenne annuelle)

Et la légionellose à 45°c ?

Et bien pas de problèmes, car elle ne se développe que dans les ballons dans lesquels l'"eau n'est pas courante". Dans le cas de notre serpentin, il n'y a pas de stockage, donc pas lieu d'avoir un développement ici

Oui mais la quantité d'ECS disponible est faible ?

Oui, elle est plus faible que dans un ballon ECS standard. Pour un ballon standard de 300 litres, on estime que la quantité disponible est d'environ 160 litres comme pour un chauffe-eau solaire standard ou un ballon de pompe à chaleur standard. C'est pour cela que l'on propose un ballon de 300 litres en lieu et place de ballons standards de 160 litres proposés avec les pompes à chaleur

Diminuer le temps de chauffage de l'ECS par la pompe à chaleur géothermique, chauffage arrêté

Ne pas arrêter le chauffage par la pompe à chaleur géothermique pendant le chauffage du bas du ballon

Normalement, "priorité à l'ECS" veut dire "arrêt du chauffage". C'est la cas pour la plupart des pompes à chaleur. 

SI on prend un ballon de 170 litres complètement froid et une pompe à chaleur de 4 kwh, il faut 2 heures... sans chauffage, encore pire pour un 300 litres. 

La parade pour ne pas arrêter le chauffage trop longtemps est d'utiliser le bas du ballon comme ballon tampon pour le chauffage et le préchauffage ECS. Rien besoin de faire: le mode chauffage utilise cette zone pour garder un "buffer" de 150 litres à 35°c et en plus, cela améliore le fonctionnement de la pompe à chaleur géothermique.

Utilisation du bas du ballon ECS en ballon tampon de chauffage
Utilisation du bas du ballon ECS en ballon tampon de chauffage
Pour 50% de la production d'ECS, le chauffage n'est pas arrêté

Arrêter le chauffage un minimum de temps pour chauffer le haut du ballon ECS à 50-55°c

Dans la partie supérieure du ballon, on ne va pas attendre qu'il soit froid mais plutôt, on va demander de chauffer de nouveau quand la température sera à environ 47°c. Donc on va passer 150 litres de 47 à 55°c maxi soit pour une PAC de 4 kw environ 20 minutes. 

Votre douche aura été réchauffée en 20 minutes, soit juste de temps de vous sécher et vous habiller...

Un exemple réel pour étayer le propos

Voici dans la réalité, ce qu'il se passe. Le graphique ci-dessous montre un cas réel "de test" avec une pompe à chaleur géothermique de 2,8 kw seulement, la moitié des murs géothermiques nécessaires et un ballon de 300 litres. Bref, un bon cas pour stresser une installation mais pas à installer chez vous?

  • Courbe bleue: température de notre bureau
  • Courbe verte: température de sortie PAC vers chauffage et ECS
  • Courbe noire: température de retour vers le mur géothermique
Durée de chauffe ECS pour pompe à chaleur géothermique
Durée de chauffe ECS pour pompe à chaleur géothermique

Ce graphique montre un début de chauffage ECS à 12:51 et une fin à 1:55 après une période de "pré circulation" opérée par la pompe à chaleur. Pour passer 300 litres de 45 °c à 52,7°c, il aura fallu 1 heure, chauffage arrêté.

Le graphique ci-dessous montre l'impact de l'optimisation de l'ECS sur te temps de réchauffage, pompe à chaleur arrêtée. 

Ainsi, on passe pour notre petite installation de 1 heure à 0,3 heures soit 20 minutes en

- changeant pour une PAC de 4,5 kw

- Chauffant à 55°c seulement le haut du ballon

Et le COP, pour cet exemple réel pour laquelle la terre est à environ 6-7°c autour du mur géothermique serait passé de 3,2 à 4,2. 

Impact de l'optimisation de l'ECS sur le temps d'arrêt du chauffage avec pompe à chaleur géothermique
Impact de l'optimisation de l'ECS sur le temps d'arrêt du chauffage avec pompe à chaleur géothermique

Impact de l'optimisation de l'ECS sur le COP de la pompe à chaleur géothermique
Impact de l'optimisation de l'ECS sur le COP de la pompe à chaleur géothermique

Pourquoi ne pas faire la même chose en aérothermie ?

Pour 2 raisons

  • La plupart des pompes à chaleur aérothermiques vendues en France sont des splits (bi-blocs) et on gère un circuit de gaz frigorigène qui est assez rigide à changer
  • La pompe à chaleur aérothermique dégivre l'hiver. Cela veut dire qu'elle se met à chauffer l'extérieur et refroidir l'eau de chauffage dans la maison. Je ne pense pas que vous ayez envie d'avoir de l'ECS froid pour cause de dégivrage, déjà que ce n'est pas agréable pour le chauffage. 

Comment cela fonctionne-t-il?

Les schémas étant un peu compliqué à lire, on va mettre en ligne des vidéos pédagogiques d'ici quelques jours.

Voici en mode animé le fonctionnement chauffage et ECS 35 et 50°c:

Ballon en mode chauffage et ECS
Ballon en mode chauffage et ECS

Et en mode clim + ECS simultané 4 tubes qui fait aussi l'objet d'un article

ECS et clim en mode 4 tubes
ECS et clim en mode 4 tubes

Concrètement voici le montage en video

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Questions fréquentes FAQ

FAQ

Peut-on rafraîchir et produire de l'ECS en même temps ?

On peut rafraîchir et produire l'ECS en simultané si on utilise une pompe à chaleur géothermique en mode 4 tubes

Peut-on produire une ECS avec un COP supérieur à 4 ?

Oui, on peut produire une ECS avec un COP > 4 en utilisant un ballon ECS optimisé permettant de chauffer l'ECS à 45°c en moyenne

Comment améliorer le COP ECS d'une pompe à chaleur géothermique?

Il suffit de chauffer le haut du ballon à 50°c et le bas seulement à 35°c. Cela permet un chauffage moyen à 45°c et donc d'augmenter le COP de 40%

Comment réduire le temps d'arrêt du chauffage d'une pompe à chaleur pendant la production d'ECS?

Il faut utiliser un ballon à production instantanée pour permettre le chauffage à 50°c du haut du ballon seulement. Cela permet de réduire par 2 le temps d'arrêt du chauffage

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