PAC hybride

Introduction

La solution « PAC hybride » est l’association d’une chaudière gaz à condensation de puissance modulante et d’une pompe à chaleur (PAC) air/eau à compresseur électrique de petite puissance. Cette hybridation est pilotée de manière optimale par une régulation intelligente qui permet d’assigner en temps réel une priorité au générateur le plus performant selon un paramètre de régulation prédéfini (arbitrage selon la performance en énergie primaire de chaque équipement, ou encore le coût des énergies). Ainsi, les sources d’énergie utilisées sont privilégiées selon les besoins et les conditions de fonctionnement. Ce pilotage garantit un confort optimal et un rendement global élevé de la solution tout au long de l’année.

La PAC hybride se positionne très bien dans les différentes réglementations, tant en neuf qu'en rénovation :

• En construction neuve, la PAC hybride avec préchauffage ECS permet de respecter les différents seuils de la RE2020
• En rénovation, la PAC hybrides permet d’atteindre les étiquettes A ou B du DPE (avec rénovation de différents postes du bâti, selon optimum technico-économique) 

Une PAC hybride se compose de plusieurs éléments :

• Une chaudière gaz à condensation murale ou au sol (+ ballon ECS selon les produits) de 24 à 30 kW
• Une pompe à chaleur électrique (PAC) de petite puissance 

  généralement comprise entre :

  • 3 kW ≤P_elec ≤ 5 kW pour le neuf

  • 4 kW ≤P_elec < 6 kW pour la rénovation

• Un module hydraulique permettant l’échange thermique entre la PAC et la chaudière (pouvant être intégré ou non à la chaudière)
• Un système de régulation permettant d’optimiser le fonctionnement à l’utilisation de la technologie la plus performante à l’instant T selon :
  • Le rendement sur énergie primaire : la température de bascule est la température à laquelle le COP de la machine devient inférieur au coefficient d’énergie primaire. Ce type de régulation est retenu pour les installations en maison neuve.
  • Le coût des énergies : le COP de bascule est égal au ratio du coût de l’électricité et du gaz. Cette régulation est généralement choisie en rénovation pour permettre au client de réaliser les plus grandes économies.

En mode chauffage, la fonction hybride permet de gérer simultanément ou séparément la PAC et la chaudière à condensation gaz naturel, afin de satisfaire les besoins du logement en fonction des conditions climatiques et des besoins de chauffage. Le système de régulation donne la priorité au gaz naturel ou à l’électricité, en se basant sur les performances énergétiques (énergie primaire) de la PAC et de la chaudière à condensation. L’hybridation de ces deux équipements permet en toute circonstance d’assurer le confort de l’usager.

Lorsque le climat est clément et que les besoins thermiques du logement demeurent limités, la PAC assure seule le chauffage sur sa meilleure plage de COP (production calorifique de la PAC rapportée à la consommation électrique du compresseur et des auxiliaires). Dès lors que la puissance fournie par la PAC devient inférieure aux déperditions du bâtiment, la chaudière s’enclenche en mode appoint pour couvrir le juste complément des besoins de chauffage (en puissance ou en température). Ce fonctionnement simultané perdure jusqu'à atteindre une certaine température extérieure pour laquelle le rendement en énergie primaire de la chaudière devient supérieur à celui de la PAC (COP ˂ 2,3). A cet instant, la chaudière à condensation gaz naturel, dont le rendement est nettement moins tributaire des conditions extérieures, assure seule la totalité des besoins en chauffage. Cette permutation évite notamment la mise en route du mode dégivrage préjudiciable au rendement de la PAC.

Ce sont ces trois modes de fonctionnement (PAC seule, chaudière seule ou chaudière et PAC fonctionnant simultanément) qui caractérisent les systèmes hybrides en comparaison d’une solution bivalente de type PAC en relève de chaudière qui ne propose que deux modes de fonctionnement (PAC seule ou chaudière seule).

Il existe plusieurs types de produits, répartis en 2 familles : PAC hybride bi-bloc avec liaison fluides frigorigènes, et monobloc extérieur avec liaison hydraulique.

La PAC hybride se compose d’un élément intérieur (chaudière à condensation, unité intérieure de la PAC et module hydraulique connectant les deux éléments) et d’une unité extérieure (PAC de puissance inférieure ou égale à 6 kW). La liaison entre les deux unités est réalisée au moyen d’un fluide frigorigène (PAC de type bi-bloc ou split). La production d’ECS est instantanée, micro-accumulée ou accumulée.

La chaudière et une partie de la PAC (condenseur) sont placées sous un seul et même habillage à l’intérieur du logement et connectées à la partie extérieure de la PAC par une liaison frigorigène.

La PAC hybride est dans ce cas également composée de deux éléments :

• A l’intérieur : une chaudière à condensation,
• A l’extérieur : une PAC monobloc de puissance inférieure ou égale à 6 kW.

Les deux modules sont connectés par une liaison en eau ou eau glycolée. La PAC est dite monobloc car les quatre éléments constituant son circuit (évaporateur, compresseur, condenseur, détendeur) sont présents sous un même habillage.

La production d’ECS peut être instantanée, micro-accumulée ou accumulée (avec ballon de stockage). Un volume de stockage peut être intégré à la chaudière dans le module intérieur, intégré au module hydraulique ou ajouté à l’installation. La production d’ECS peut être intégralement assurée par la chaudière ou réalisée par la PAC et la chaudière. Dans cette dernière hypothèse, la PAC réalise le préchauffage de l’eau et la chaudière apporte le complément d’énergie nécessaire.

1) Production d’ECS par la chaudière

Pour ces produits, la chaudière à condensation produit 100 % de l’ECS, la PAC ne servant que pour le chauffage. Les produits peuvent disposer d’un ballon de micro-accumulation intégré à l’unité intérieure pour améliorer le confort en ECS et disposer d’un débit allant de 12 à 15 L/min. Ce confort d’ECS peut être encore accru en ajoutant un ballon d’accumulation.

2) Préchauffage de l’ECS par la PAC

Dans ce cas, la production d’eau chaude est prioritairement assurée par la PAC air/eau dans un ballon à accumulation. La chaudière à condensation assure quant à elle le juste complément. Le mode de régulation (sur énergie primaire ou en fonction du prix des énergies) appliqué pour le chauffage est conservé pour cet usage. Lorsque la PAC participe à la production d’ECS, le volume de stockage d’eau chaude sanitaire doit être inférieur ou égal à 500 litres.

Un générateur hybride est dit réversible lorsqu’il assure, en plus du chauffage, une fonction de rafraîchissement en période estivale. Cette fonction est prise en charge uniquement par la PAC. L’élément déterminant pour assurer ce fonctionnement est la vanne 4 voies. Cet élément, également appelé vanne d’inversion de cycle, fait passer le cycle du mode chauffage au mode rafraîchissement. Elle permet ainsi de changer le sens de fonctionnement du cycle thermodynamique ou plus précisément d’inverser l’écoulement de fluide frigorigène à l’intérieur de la PAC, afin d’obtenir l’effet souhaité.

Ces générateurs hybrides réversibles doivent être associés soit à un plancher chauffant-rafraichissant, soit à  un plafond chauffant-rafraichissant, soit à des ventilo-convecteurs. Dans le cas d’une installation avec plancher chauffant-rafraîchissant, la puissance frigorifique est limitée, mais suffisante, pour maintenir des conditions de confort agréables dans l’habitation. Cela permet en moyenne de réduire de 3 à 4 °C la température ambiante.

Cette fonction rafraîchissement nécessite la mise en place d’une sonde à humidité, qui mesure le taux d’hygrométrie. Elle doit être installée sur le départ du plancher chauffant/rafraîchissant. En mode « rafraîchissant », elle permet l’adaptation de la température de l’eau de départ pour éviter l’apparition de condensation.

La régulation commande la mise en marche et l’arrêt de la chaudière et de la pompe à chaleur. Cette gestion est établie en fonction de paramètres énergétiques ou financiers, qui prennent en compte la combinaison de différents facteurs (température extérieure, température ambiante départ et retour de chauffage). Cet arbitrage en temps réel réalisé par la régulation intelligente, garantit le choix de la technologie la plus performante, optimisant ainsi le rendement global de la solution hybride.

1) Régulation sur énergie primaire

Le système de régulation est piloté par un COP pivot, COP correspondant à la limite de fonctionnement de la PAC. Ce COP est égal à 2,3. La commutation d’un générateur à l’autre se fait via la régulation qui évalue le COP instantané et le compare à cette valeur de 2,3. L’évaluation du COP se fait via une matrice (table de COP) intégrée à la régulation, en fonction de la température extérieure et de la température de production.

• Le point de bivalence entre le fonctionnement PAC seule et le fonctionnement hybride est déterminé par les besoins de chauffage (selon une température extérieure) et la puissance maximale fournie par la PAC
• Une régulation avec des seuils minimaux semble particulièrement nécessaire pour ce type de régulation pour éviter des surcoûts de fonctionnement pour le client
• Régulation sur EP : COP_PAC > 2,3 x Rendement (PCI) _chaudière
   

2) Régulation selon le prix des énergies

Ce mode de régulation vise à prioriser le coût du kWh consommé le moins cher. C’est alors le système le plus performant économiquement qui est privilégié. A chaque instant, le coût du kWh produit à des fins de chauffage (éventuellement d’ECS) est estimé en fonction du rendement des systèmes mais également en fonction du prix du kWh d’origine gaz et/ou électrique consommé. Cette méthode définit une nouvelle température de bascule.

• Le point de bivalence entre le fonctionnement PAC seule et le fonctionnement hybride est déterminé par les besoins de chauffage (selon une température extérieure) et la puissance maximale fournie par la PAC
• Le point de bascule entre le fonctionnement hybride et chaudière seule est déterminé par le COP_PAC sur le ratio du prix des énergies, et la chaudière couvre 100% des besoins dès que le ratio coût/efficacité est plus intéressant.
• Cette stratégie de régulation est rentable pour le client – et peut être encore améliorée si le système peut répondre dynamiquement à un signal de prix des énergies (e.g. Smart)
• Régulation sur coût des énergies : COP_PAC > (coût élec/coût gaz) x Rendement (PCI)_chaudière

En maison individuelle neuve, les puissances de chauffage sont faibles : la puissance de la PAC (de 3 à 5 kW) lui permet de répondre à une très large partie des besoins. La modulation de la PAC permet au système de s’adapter aux évolutions des besoins de chauffage, même en mi-saison.
Les jours les plus froids, la chaudière vient en appoint de la PAC, voire couvre l’intégralité des besoins si son rendement est meilleur que celui de la PAC.
La chaudière à condensation permet d’assurer le confort en ECS quelles que soient les conditions extérieures.

Le dimensionnement du système hybride repose sur le calcul des déperditions et des besoins en eau chaude sanitaire.

Le calcul des déperditions thermiques est effectué pour les pièces dont la production de chauffage est assurée par le système hybride. Elles sont calculées selon la norme NF EN 12831 et le complément national NF P 52-612/CN.

EN LOGEMENT EXISTANT (rénovation)

La puissance de PAC ≤ 6 kW représente un optimum technico-économique pour la rénovation de maisons individuelles d’environ 100m².  A noter : dans certains cas spécifiques (maison de très grande surface, maison très peu isolée…), l’AFPAC préconise un dimensionnement de la PAC pouvant aller jusqu’à 8kW.

Un travail mené avec l’association des fabricants de matériels (UNICLIMA) et l’Association Française des Pompes à Chaleur (AFPAC) a conduit à proposer un référentiel adapté, visant à harmoniser les pratiques d’installation en maison existante.

La règle indique que la puissance de la pompe à chaleur pour une température extérieure de 0°C et une température de départ de 50°C doit être comprise entre 40 et 60 % des déperditions de la maison à température de base.

Puissance PAC seule _(0°C/50°C) = 40% à 60% Déperditions à T_base

Le choix dans cette fourchette 40-60 % est ensuite réalisé dans l'intérêt économique du client, c’est-à-dire en fonction du coût des énergies : 40 % sera retenu pour le gaz naturel, 60 % pour le propane, entre 40% et 60% pour le fioul.

Cette règle, validée en septembre 2021 conduit pour 90 % des typologies de maisons à rénover construites après 1974* et raccordées au réseau de gaz, à proposer une PAC hybride avec une puissance de PAC comprise entre 4 et 6 kW, permettant ainsi de garantir un coût global compétitif, un fonctionnement de la pompe à chaleur dans les meilleures conditions et une complémentarité des énergies.

Pour que ces préconisations puissent être partagées et appliquées, un guide à destination des acteurs de la filière sera prochainement publié.  Une mention « PG PAC hybride »  a par ailleurs été lancée en 2021 pour fédérer un réseau d’expertise sur ce produit et garantir la qualité des installations sur le terrain.

Une PAC hybride peut être installée en une journée par un plombier-chauffagiste (la plupart des systèmes nécessitent au moins deux personnes à cause du poids des appareils). Voici les principales étapes de mise en œuvre :

1/ POSE DE L'UNITE INTERIEURE

Son installation est classique (consulter la page produit « Chaudière individuelle à condensation » pour plus de détails).

2/ POSE DE LA POMPE A CHALEUR

Cette étape va varier en fonction de l’option choisie :

PAC hybride bi-bloc

L’unité extérieure de la PAC hybride bi-bloc se positionne sur une dalle, sur une façade de l’habitation, sur un balcon ou un toit plat. Elle doit répondre à des exigences strictes concernant les conditions d’accessibilité, la protection des intempéries, ou encore la distance entre les unités intérieure et extérieure. 
 

• Dans le cas d’une liaison hydraulique, il n’est pas nécessaire pour l’installateur de disposer d’une attestation de capacité pour la manipulation des fluides.
   

Pour ce type de liaison, le dosage d’antigel doit permettre le fonctionnement aux températures les plus basses du lieu. A défaut de glycol (qui abîme les joints, diminue le pouvoir calorifique et pollue lors de fuite ou vidange), il est possible d’utiliser une soupape antigel. Le dispositif de sécurité antigel empêche la prise en gel du circuit d'eau d'une pompe à chaleur, évitant ainsi des dommages à la machine et à la tuyauterie.
 

Dans le cas d’une liaison frigorifique, la liaison peut être laissée en attente par l’installateur. La société qui réalise la mise en service fait alors la liaison et remplit le circuit de fluide frigorigène.

Des jonctions dites « prêtes à poser » existent et permettent de raccorder rapidement une unité intérieure à un groupe extérieur, sans avoir à tirer au vide le circuit les séparant. En effet, le circuit frigorifique est très sensible aux poussières et à l’humidité. Ces liaisons simplement tirées au vide et donc prêtes à l’emploi, sont compatibles avec tous les systèmes. Elles permettent de relier le groupe extérieur qui est préchargé en fluide, avec l'unité intérieure quant à elle sous pression d’azote (gaz non condensable et déshydraté). Le vide d'air est conservé grâce aux raccords operculables (au nombre de 4 ; 1 par extrémité), soudés sur chacune des extrémités des liaisons frigorifiques. Ces opercules ne peuvent céder qu'une fois le serrage du raccord intermédiaire effectué.

Attention, la charge des unités extérieures correspond à des distances maximales entre unité extérieure et module hydraulique. A partir du moment où la longueur de liaison " prête à poser " ne dépasse pas la quantité de gaz contenue dans le compresseur, aucun complément de charge ne doit-être effectué. En cas de distances plus importantes, il est nécessaire d’effectuer une charge complémentaire de fluide frigorigène.
La charge complémentaire dépend, pour chaque type d’appareil, de la distance entre l’unité extérieure et le module hydraulique. La charge complémentaire de fluide doit obligatoirement être réalisée par une entreprise qualifiée disposant d’une attestation de capacité.

PAC hybride Monobloc extérieure

Dans le cas d’une liaison hydraulique, il n’est pas nécessaire pour l’installateur de disposer d’une attestation de capacité pour la manipulation des fluides.

Pour ce type de liaison, le dosage d’antigel doit permettre le fonctionnement aux températures les plus basses du lieu. A défaut de glycol (qui abîme les joints, diminue le pouvoir calorifique et pollue lors de fuite ou vidange), il est possible d’utiliser une soupape antigel. Le dispositif de sécurité antigel empêche la prise en gel du circuit d'eau d'une pompe à chaleur, évitant ainsi des dommages à la machine et à la tuyauterie.
 

3/ PARAMETRAGE DE LA REGULATION INTELLIGENTE

Cette étape dépend du modèle installé. L’installateur en charge le fait selon la notice du produit choisi. Il est conseillé de se référer à la notice fabricant pour disposer des spécificités du produit installé.

Seules les PAC hybrides présentant une liaison en fluide frigorigène (entre l’unité extérieure, la PAC, et la chaudière installée dans le logement), nécessitent un installateur répondant à la réglementation sur la manipulation des fluides frigorigènes. En effet, la réglementation interdit toute manipulation de fluide frigorigène autre que par une entreprise disposant d’une Attestation De Capacité (ADC) valide et du personnel qualifié (Attestation d’Aptitude).

L’entretien d’une PAC hybride doit être réalisé annuellement et peut faire l’objet d’un contrat de maintenance unique d’un montant compris entre 150 et 250 € par an.

La maintenance de la chaudière à condensation est classique et doit se faire annuellement. Cet entretien est obligatoire pour les chaudières dont la puissance nominale est comprise entre 4 et 400 kW.

Consultez la fiche produit de la chaudière à condensation individuelle pour le détail.

La maintenance de la PAC s’effectue toujours en 6 étapes clés :

1) Contrôle fonctionnel du produit avant démontage
 

2) Nettoyage

• Du boîtier d’alimentation
• De la batterie air
• Du filtre de retour PAC
• Du pot à boue situé au retour chauffage
• Du conduit d’évacuation des produits de combustion
   

3) Vérification

• De la conformité de l’installation
• De la sécurité
• De l’accessibilité et dégagement autour de l’appareil
• De la présence d’un interrupteur de proximité
• De la pression du circuit PAC
• De l’usure des différentes pièces
• De la conformité de l’installation électrique « mise à la terre, contact électrique au niveau du bornier)
• De la présence de givre sur le compresseur
• De la bonne circulation de l’air entre les ailettes et autour de l’appareil
• Du bon état général des plots anti-vibratiles
• De la propreté de l’évaporateur
   

4) Mesure et ajustement

• Mesures électriques
• Mesures des températures de départ et de retour de la PAC
   

5) Contrôle fonctionnel final

• Points de réglage
• Vase d’expansion
• Rotation du ventilateur
• Soupapes
• Pompe(s)
• Surchauffe
• Détecteur de débit
   

6) Préconisation de remplacement de pièces suite d'usure de fonctionnement

• Fluide circulant dans le circuit de chauffage (tous les 5 ans)
• Joints, échangeur à plaques, filtre retour chauffage (si nécessaire)

Les éléments suivants sont à vérifier :

• Liquide antigel (tous les deux ans, voire chaque année)
• Remplacement du Glycol (au moins tous les 5 ans)
• Etanchéité des circuits glycolés
• Fonctionnement et hauteur manométrique du circulateur
• Purge d’air
• Etat du calorifuge

Les éléments suivants sont à vérifier :

• Etanchéité des circuits frigorifiques, si la masse de fluide frigorigène ≥5 TeqCO₂*
• Remplacement du fluide frigorigène tous les 3 ans

*Depuis le 1er Janvier 2015, l’unité de mesure pour les contrôles d’étanchéité sera la Teq CO₂. Cette méthode de calcul permet de comparer les gaz à effet de serre en prenant le CO₂ comme référence (Tonne d’Équivalent CO₂ d’un gaz = quantité du gaz × Potentiel de Réchauffement Global du gaz).

Les PAC hybrides sont soumises à l’arrêté du 24 juillet 2020 sur l’entretien des systèmes thermodynamiques dont la puissance nominale est comprise entre 4kW et 70kW. Il impose de faire réaliser tous les deux ans :

• la vérification du système ainsi que, si nécessaire, son nettoyage et son réglage,
• la fourniture des conseils nécessaires portant sur le bon usage et les améliorations possibles de l'ensemble de l'installation de chauffage ou de climatisation et l'intérêt éventuel du remplacement de celle-ci.

La maintenance de la chaudière étant obligatoire tous les ans, les prestataires proposent souvent des contrats annuels globaux pour le système PAC hybride.

Pour les maisons individuelles dont le permis de construire a été déposé après le 1^er janvier 2022, les solutions hybrides sont prises en compte dans la méthode de calcul réglementaire Th-B-C-E 2020 de la RE2020. Une fiche d’application précise la saisie des systèmes de production de chauffage et d’ECS hybrides dans Th-B-C-E 2020 : générateur associant une Pompe à Chaleur (PAC) à compression électrique et une chaudière gaz. Elle concerne uniquement les maisons individuelles ou accolées soumises aux exigences de la RE2020.

Pour les maisons individuelles dont le permis de construire a été déposé avant le 1^er janvier 2022, les solutions hybrides sont également prises en compte dans la méthode de calcul réglementaire Th-B-C-E 2012 de la RT2012 grâce au Titre V (Arrêté du 13 août 2015 relatif à l'agrément des modalités de prise en compte des générateurs hybrides dans la réglementation thermique 2012). La PAC Hybride avec préchauffage ECS permet de répondre aux exigences règlementaires de la RE2020 quelle que soit la zone climatique, à un coût compétitif.

La PAC hybride est une technologie de « convergence gaz/électricité ». Cette technologie permet de participer à la maîtrise de la demande d’électricité et à l’effacement lors des pointes électriques, que ce soit à l’échelle du bâtiment ou plus largement du réseau électrique.

En effet, ce système, ne mobilisant le fonctionnement de la pompe à chaleur électrique que lorsque ses performances sont les meilleures, efface par défaut les consommations électriques lors des vagues de froid, la chaudière prenant le relais. Il permet donc de limiter la puissance soutirée au réseau électrique lorsque la demande de chauffage est la plus importante.

Une permutation de la PAC vers la chaudière gaz peut être également enclenchée, et ainsi réduire l’appel de puissance électrique en période de pointe. Elle peut être commandée dès l’atteinte d’une puissance électrique maximale, ou d’un seuil de consommation électrique mesuré par l’automate de l’appareil, ou à réception d’un signal extérieur, sans générer d’inconfort pour les usagers. Cette gestion de la charge du réseau électrique assure une diminution des consommations d’électricité fortement carbonées. À ce titre, cette solution figure parmi les technologies Smart Grids.

Pour une maison neuve, le coût moyen du matériel varie selon le modèle choisi et le fabricant. Il est de 3000 à 5500 € HT.

En rénovation, le coût fourni et posé d’une PAC hybride débute à 9000 € TTC et peut être supérieur en fonction des situations rencontrées. Le coût moyen observé en 2021 est de 12500 € TTC, dans la limite des plages de puissance recommandées.

Voici quelques exemples de fabricants de PAC hybride :

• Chaffoteaux

• Atlantic

• ELM Leblanc

• Saunier Duval

• Daikin

• De Dietrich

• Viessmann