Rénovation d'une chaufferie collective : PAC air/eau sur radiateurs existants
Un immeuble de 48 logements (années 1970, radiateurs fonte dimensionnés en 90/70, chaufferie fioul de 180 kW) fait l'objet d'une rénovation. Le bureau d'études a retenu une PAC air/eau de 110 kW à A-7/W45, avec ballon tampon de 500 L et une régulation par loi d'eau. Les déperditions recalculées après isolation des combles et remplacement des menuiseries sont de 95 kW à -7 °C. Le maître d'ouvrage impose de conserver les radiateurs existants. Après mise en service en janvier, les occupants signalent un inconfort : température ambiante plafonnant à 17 °C dans les logements du dernier étage par -5 °C extérieur, alors que la PAC fonctionne en continu et que la température de départ est bridée à 55 °C par la régulation (limite constructeur). Le technicien relève également un COP de 1,9 et des cycles de dégivrage toutes les 35 minutes.
1. Expliquez, calculs à l'appui, pourquoi le confort n'est pas atteint et quantifiez l'écart entre la puissance que peuvent émettre les radiateurs à 55 °C et les déperditions.
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1. Loi d'émission des radiateurs. La puissance émise suit P = Pn × ((Tm - Ti)/(Tmn - Tin))^n, avec n ≈ 1,3 pour un radiateur fonte.
- Régime nominal 90/70, ambiante 20 °C : Tm = 80 °C, écart = 60 K.
- Régime réel 55/45 (ΔT 10 K), ambiante 20 °C : Tm = 50 °C, écart = 30 K.
- Rapport : (30/60)^1,3 = 0,5^1,3 ≈ 0,41.
Les radiateurs n'émettent donc qu'environ 41 % de leur puissance nominale. Pour couvrir 95 kW, il faudrait un parc nominal de 95/0,41 ≈ 232 kW à 90/70. Le parc existant, cohérent avec une chaudière de 180 kW, est très en dessous : à 55 °C il n'émet probablement que 60 à 70 kW.
2. Côté production. La PAC est donnée pour 110 kW à A-7/W45. À W55, sa puissance chute d'environ 10 à 15 % et son COP se dégrade ; les dégivrages toutes les 35 min consomment de l'énergie et réduisent la puissance moyenne réellement disponible, qui passe sous les 95 kW au moment le plus froid.
3. Conclusion. Le bridage à 55 °C, imposé par la PAC, est incompatible avec des émetteurs 90/70. Le défaut est double : parc d'émetteurs sous-dimensionné pour la basse température et production juste en puissance. Ce n'est pas un simple réglage de loi d'eau.
2. Proposez deux scénarios de correction, avec leurs limites, leur coût énergétique et les vérifications à mener.
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Scénario A - Réduire les besoins. Poursuivre l'isolation (toiture, plancher bas, ventilation) pour ramener les déperditions à 55-60 kW. À 55/45, il faut alors un parc nominal de 60/0,41 ≈ 146 kW. Si le parc existant est supérieur à cette valeur, la PAC de 110 kW peut suffire. Limite : travaux lourds, délais, occupation des logements. Intérêt énergétique : la loi d'eau peut descendre vers 45 °C, ce qui améliore nettement le COP saisonnier.
Scénario B - Augmenter la surface d'échange. Remplacer tout ou partie des radiateurs par des modèles basse température, ou ajouter des émetteurs, pour un dimensionnement 55/45. Avantage : on conserve la PAC et un bon COP. Limites : coût, encombrement, modification des réseaux, pertes de charge et équilibrage à reprendre.
Scénario C - Hybridation ou PAC haute température. PAC capable de 65-70 °C, ou PAC + chaudière à condensation en appoint. Attention : la chaudière ne doit pas assurer la base, sinon la PAC perd son intérêt ; le COP saisonnier se dégrade et il faut vérifier la puissance électrique souscrite.
Commun aux trois : ballon tampon à redimensionner (500 L est faible pour 110 kW ; viser 15 à 20 L/kW), découplage hydraulique, équilibrage, sonde extérieure, paramètres de dégivrage et loi d'eau à revalider.
3. Quelles mesures et vérifications effectuez-vous avant de conclure formellement au sous-dimensionnement ?
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Il faut d'abord écarter les causes de réglage et d'exploitation, car un sous-dimensionnement se prouve par des mesures, pas par une impression.
Hydraulique : relever les débits par radiateur et le débit total, vérifier l'équilibrage, l'absence de bypass ouvert, le fonctionnement des vannes et du découplage, la propreté des filtres et la présence d'air. Un débit trop faible crée un ΔT excessif et une baisse de puissance.
Températures : contrôler les sondes départ/retour et la sonde extérieure avec un instrument étalon, vérifier la loi d'eau réellement appliquée, la position de la vanne trois voies et la température de retour à la PAC.
Production : vérifier la charge de fluide frigorigène, les paramètres de dégivrage, l'encrassement de l'échangeur, la vitesse de ventilateur et la puissance électrique absorbée. Un COP de 1,9 à -5 °C est anormalement bas et doit être expliqué avant d'incriminer la puissance.
Émetteurs : relever les surfaces d'échange, le nombre d'éléments par pièce et les températures de surface. C'est la donnée manquante clé pour calculer la puissance nominale disponible.
Enveloppe : vérifier les déperditions réelles par thermographie ou essai de puissance, notamment les ponts thermiques de toiture qui expliquent le 17 °C du dernier étage.
Ce n'est qu'après ces contrôles que l'on peut affirmer si le problème vient du réglage, de l'enveloppe ou du dimensionnement.