PAC Hybride Collective

Composition et principe de fonctionnement

Une PAC hybride est un ensemble composé d’une chaudière et d’une pompe à chaleur électrique.

Chacun des deux appareils est utilisé pour donner le meilleur de lui-même. Généralement, la PAC est placée à l’extérieur et la chaudière dans un local de production d’énergie. Ainsi, chaque appareil dispose de son propre départ et de son propre retour.

La chaudière est un produit connu depuis longtemps : Chaudière à condensation collective, chaudière en chaufferie | GRDF Cegibat

La pompe à chaleur électrique est un produit capable de donner de très bonnes performances. Performances encore améliorées, si elle travaille à des températures froides pour les rehausser. En revanche, elle présente souvent des contraintes de débit et de température comme toute pompe à chaleur.

La PAC fonctionne seule en début de saison de chauffe. C’est à ce moment que son COP est maximal. Au fur et à mesure que la température extérieure baisse, la puissance de la PAC baisse également. A partir d’une certaine température extérieure (T1) la puissance de la PAC n’est plus suffisante pour assurer le besoin. Chaudière et PAC fonctionnent donc simultanément. La puissance de la PAC diminue avec la température extérieure mais aussi avec la température de génération qui augmente avec la loi d’eau du site. De ce fait l’apport de la chaudière est de plus en plus important.

Nous pouvons aussi fonctionner avec une seconde température de bascule T2 en dessous de laquelle la pompe à chaleur se met à l’arrêt. Cette température T2 peut être liée au COP de la PAC (régulation en énergie primaire) ou aux prix des énergies (régulation pour s’assurer de produire le kWh de chauffage le moins cher).

Régulation en énergie primaire : le COP de la PAC diminue avec la température extérieure mais aussi avec la température de génération. COP (0/50°C) < COP (7/35°C). Dès que ce COP est inférieur à 2.3 (coefficient de correction de l’électricité en énergie primaire de la RE2020) le rendement de génération de la chaudière est supérieur au COP. La PAC se met donc à l’arrêt au profit de la chaudière. Ainsi à tout moment l’installation fonctionne à son meilleur rendement en énergie primaire.

Régulation avec prix des énergies : Lié au prix des énergies, rendement et COP génèrent un coût du kWh de chaleur produit. On définira une température extérieure Text2 en dessous de laquelle il est plus intéressant financièrement de fonctionner en gaz qu’en électricité. De ce fait la PAC se met à l’arrêt en dessous de cette valeur Text2.

Text2 est la température extérieure au-delà de laquelle le COP de la PAC est inférieur au rapport entre le prix de l’électricité et celui du gaz, le rendement de la chaudière étant pris égal à un. Pour rappel, le COP de la PAC est une fonction de la température extérieure mais aussi de la température de génération qui suit la loi d’eau. Ce point est donc à calculer.

Exemple avec un prix du gaz à 100€/MWh, un prix de l’électricité à 280€/MWh (prix repère CRE de juillet 2024) et une loi d’eau 60/40 à -7°C de Text_base. Dès que le COP de la PAC est inférieur à 2.8, la PAC doit se mettre à l’arrêt car fonctionner avec la chaudière est meilleur marché. Cela correspond à une température extérieure de 2°C=Text2

Dimensionnement de la PAC hybride

Dimensionnement de l’ensemble Pac électrique et chaudière.

L’ensemble PAC + Chaudière doit être en capacité de satisfaire l’ensemble des besoins du site.

Son dimensionnement est donc connu et égal à = Max (Pecs ; Pchauffage+P_EC)

P_EC = satisfaction du besoin ECS sur 24h = 1,16 * Vj * (60-10) / 24h

(avec Vj correspondant au volume journalier)

La puissance P_chauffage est donnée par les déperditions à Text_Base, sans surpuissance de relance, sans règle des 2/3 sauf si l’une de ces deux conditions est imposée par le maître d’ouvrage.

Dans un souci de sécurité de fonctionnement la puissance de la chaudière pourra être égale à la puissance totale de la PAC Hybride.

Dimensionnement de la PAC de la Pac hybride.

On distinguera deux types de maîtres d’ouvrages :

Ceux qui construisent ou rénovent afin d’obtenir un niveau réglementaire, un label ou une aide de l’état. Dans ces trois cas, un logiciel est mentionné pour atteindre l’objectif recherché :

• Celui du CSTB (le moteur RE2020) pour atteindre un certain niveau d’Ic Energie en 2022 ou 2025,
• Le logiciel 3CL pour atteindre un certain taux de couverture par la PAC,
• Les CEE où pour en bénéficier, il faut atteindre un certain taux de couverture par la PAC,
• ….

Ce sont donc ces logiciels qui vont déterminer quelle est la puissance minimum de PAC électrique à installer.

Notre conseil : commencez par les PAC les plus petites possibles et augmenter progressivement.

Ceux qui cherchent vraiment une vraie flexibilité, pouvoir choisir en fonction du prix des énergies, en fonction du CO₂ émis par le kWh de chauffage, offrir une possibilité d’effacement en cas de difficultés.

Pour eux une PAC qui couvre 70% du besoin que ce soit du chauffage, de l’eau chaude ou des deux nous parait un bon compromis.

Pour déterminer la puissance de PAC à mettre en œuvre en chauffage, il faudra donc obligatoirement tracer la monotone du site et représenter dessus la puissance de la pompe à chaleur.

Pour mémoire cette puissance varie en fonction de la température extérieure mais aussi en fonction de la température de génération de la PAC qui suit une loi d’eau.

Pour l’eau chaude sanitaire, une PAC qui assure 90% du besoin est une PAC qui préchauffe l’EFS jusqu’à 45°C  (EFS à 10°C, température de stockage 60°C, 90%(60-10)=45°C). Le volume de stockage (V) de cette eau préchauffée, comme en solaire devra être conséquent.

V peut être égal au volume journalier d’ECS si la place est suffisante en chaufferie.

Pac = 1,16 * V * (45-10) / 8h : si la PAC ne doit fonctionner qu’en heure creuse la nuit

Pac = 1,16 * V * (45-10) / 10 h : si la PAC ne doit fonctionner qu’en journée pour des questions de bruit…

Pac = 1,16 * V * (45-10) / 20h : si la PAC fonctionne tout le temps. (4h de répits quand même)

Ou

Pac = 1,16 * V/2 * (45-10) / 10h : puissance deux fois plus haute mais volume deux fois plus petit.

Dimensionnement de la chaudière

Dans un souci de sécurité de fonctionnement, on pourra choisir une chaudière capable à elle seule de satisfaire l’ensemble des besoins de chaleur du site.

Ce dimensionnement doit être aussi retenu si la PAC est censée se mettre à l’arrêt en dessous d’une certaine température (régulation avec prix des énergies) ou suite à un signal d’effacement.

Dimensionnement RE2020

Plus contraignante que la RT2012, la RE2020 oblige parfois à hybrider les solutions gaz pour « passer » le seuil du nouvel indicateur Ic_énergie.

Le maître d’ouvrage désireux de « passer » la RE à moindre coût devra donc trouver la plus petite PAC Hybride possible afin de conserver l’avantage investissement des solutions PAC Hybride par rapport aux solutions 100% PAC.

Pour le résidentiel voir cet article : Quel dimensionnement pour les PAC hybrides collectives sur le marché du neuf ? | GRDF Cegibat

Côté tertiaire, GRDF a étudié le cas de quatre bâtiments d’enseignement (deux écoles de 445, 582 et 1350 m² et deux collèges de 2250 et 4136 m²) en y simulant les pompes à chaleur hybride de quatre fabricants : Atlantic, BDR, Bosch et Elco. Ci-dessous la part de puissance de PAC à mettre en œuvre pour respecter l’Ic_énergie. Elle est exprimée en Puissance (à 0/50°C) par rapport aux déperditions à Tetx_base.

P(0/50°C)=x% des déperditions à Tbase.

Ex : sur un projet donc les déperditions à -7°C sont de 75 kW, la PAC Hybride Effipac 18 d’Atlantic dont P(7/35°C)=18kW et P(0/50°C)=15kW représente une part de puissance de 20% (=15/75).

ci-dessous les plages de puissance obtenues ainsi que le positionnement économique.

Schéma hydraulique PAC hybride

Le schéma hydraulique d’une installation en PAC hybride va tout d’abord être orienté par le fluide frigorigène alimentant la pompe à chaleur. Le R32 et le R290 (propane) composent actuellement les PAC des PAC Hybride.

La caractéristique de ces deux fluides modifie notamment les températures maximums de génération des Pac et donc le rôle qu’elles peuvent jouer dans le schéma hydraulique.

Le sujet étant vaste, nous lui consacrerons un dossier technique dédié dans lequel vous trouverez le détail des concepts de schémas hydrauliques.

Fabricants

La Pac hybride est aujourd’hui (août 2024) distribuée par10 fabricants parmi les majors du secteur.

Ci-dessous quelques caractéristiques de l’offre de chacun :

Un outil de décarbonation et d’accélération de la rénovation

La PAC hybride est le produit qui présente le coût du % de CO₂ évité le plus faible et est aussi un formidable accélérateur de la rénovation d’un patrimoine.

Saisie dans les moteurs de calcul

Les fiches de saisie dans les moteurs de calcul sont accessibles ici.

Maintenance

Le produit étant composé d’une chaudière et d’une pompe à chaleur, la présence d’un chauffagiste et d’un frigoriste est nécessaire. Mais les avantages développés ci-dessus le justifient.