Plancher chauffant, radiateurs et loi d’eau

Le rendement d’une pompe à chaleur dépend de la température d’eau qu’elle doit fournir. Cette température de départ est celle de l’eau envoyée dans le circuit de chauffage. Deux facteurs la déterminent : les émetteurs des pièces, c’est-à-dire les éléments qui transmettent la chaleur de l’eau à l’air, comme les tuyaux du sol ou les radiateurs, et la commande qui ajuste la température au fil de l’année. Les deux influencent le résultat.

Pourquoi une température de départ plus basse aide

Une pompe à chaleur ne produit pas la chaleur. Elle la fait monter de l’air extérieur vers l’eau du circuit de chauffage, comme si elle pompait de l’eau en montée. Plus l’eau est chaude, plus l’effort est grand et plus chaque unité de chaleur consomme d’électricité. La mesure est le COP, coefficient de performance : kWh de chaleur par kWh d’électricité. Avec un COP de 4, un kWh d’électricité fournit quatre kWh de chaleur, alors qu’un radiateur électrique classique en fournit un.

Dans le modèle, le COP à chaque température de départ vient des tables publiées par le fabricant pour une eau à 35, 45, 55 et 65 °C, et non d’une formule de correction. Pour une unité intermédiaire à 7 °C extérieur, le COP publié est de 5.2 avec une eau à 35 °C, de 3.7 à 45 °C et de 2.7 à 55 °C. À chaque heure, le modèle lit la table à la température de départ du circuit. Un circuit de radiateurs à 50 °C se situe donc entre les colonnes 45 et 55 °C.

Les émetteurs déterminent la température de départ

Un émetteur transmet la chaleur de l’eau à la pièce. Plus sa surface est grande, plus l’eau peut être fraîche. Vous choisissez le type d’émetteur dans l’assistant, et sa température de départ de conception (celle pour laquelle le système est conçu lors des journées les plus froides) en découle.

Le chauffage au sol utilise toute la surface du plancher comme radiateur. Il chauffe bien avec une eau à un peu plus de 30 °C ; le modèle retient 35 °C. Les radiateurs basse température sont dimensionnés pour un régime plus frais que les anciens radiateurs de chaudière. Le modèle retient 50 °C. Les radiateurs haute température sont ceux que l’on trouve habituellement avec une chaudière ; le modèle retient 65 °C.

Les radiateurs sont évalués selon la condition de référence EN 442 à 75/65/20 °C (eau entrante, eau sortante, pièce). Aux températures d’une pompe à chaleur, l’écart entre la température moyenne de l’eau dans le radiateur et celle de la pièce est bien plus faible. Un même radiateur fournit donc nettement moins de chaleur. C’est pourquoi une maison qui remplace sa chaudière par une pompe à chaleur a souvent besoin de radiateurs plus grands ou d’une température de départ plus élevée, qui réduit le COP.

Loi d’eau

Par temps doux, la maison a besoin de bien moins de chaleur que lors de la journée la plus froide. L’eau n’a donc pas besoin d’être aussi chaude. La compensation climatique est une commande qui abaisse automatiquement la température de départ quand la température extérieure augmente. La règle qui convertit la température extérieure en température d’eau s’appelle la courbe de chauffage, ou Heizkurve en allemand.

Elle améliore deux choses. La pompe à chaleur lutte contre un écart de température plus faible et son COP augmente. Une dalle de béton lourde, qui stocke beaucoup de chaleur et la restitue lentement, ne reçoit pas non plus plus de chaleur que la pièce n’en demande. Le risque que la température dépasse la consigne du thermostat diminue.

Dans le modèle, le circuit de chauffage au sol suit une courbe de chauffage. La température de départ reste à sa valeur de conception (35 °C) lorsque l’air extérieur est à -10 °C ou moins, descend en ligne droite jusqu’à 25 °C à 15 °C extérieur, puis reste à 25 °C au-dessus. Le circuit des radiateurs suit lui aussi une courbe. Elle commence à la température de départ de conception (50 °C ou 65 °C) lors des jours les plus froids et descend avec le réchauffement du temps, jusqu’à un minimum de 35 °C. La courbe découle de la façon dont un radiateur transmet la chaleur, qui augmente un peu plus vite que l’écart entre l’eau et la pièce (loi EN 442 avec un exposant de 1.3), et de la température de pièce que vous choisissez. Une pièce plus chaude demande une eau plus chaude. La courbe est calculée, pas ajustée par expérimentation. Les tables de la pompe à chaleur commencent à 35 °C ; le modèle conserve donc les valeurs de 35 °C en dessous. Un circuit de radiateurs obtient un meilleur COP par temps doux, tandis qu’un circuit de sol, dont la température de conception est déjà de 35 °C, ne reçoit pas de gain. Vous ne pouvez pas régler la pente (la vitesse à laquelle l’eau refroidit avec la météo) ni le décalage (le déplacement parallèle de toute la ligne) de ces courbes.

Dimensionnement des émetteurs à partir de la maison

Un émetteur dimensionné pour fournir plus de chaleur que la pompe ne peut en produire demande une chaleur indisponible. Le chauffage d’appoint (une résistance électrique qui complète la pompe) couvre alors l’écart avec un COP de 1. Le modèle dimensionne donc les émetteurs avec la même méthode de charge de conception que celle de la pompe à chaleur.

Chaque étage chauffé reçoit une charge thermique de conception : la chaleur qu’il perd pendant une journée de conception très froide, pour laquelle le chauffage est dimensionné. C’est aussi ce que ses émetteurs doivent fournir. Le modèle additionne la surface multipliée par la valeur U (capacité d’une surface à conserver la chaleur, une valeur faible est préférable) des murs, du toit, du sol et des fenêtres. Il ajoute une marge pour les ponts thermiques (zones comme les angles où la structure laisse s’échapper la chaleur plus vite) et la chaleur évacuée par la ventilation, puis multiplie le total par l’écart entre 20 °C à l’intérieur et la température extérieure de conception, -12 °C par défaut.

La marge pour les ponts thermiques est de 0.05 W/m²K pour les maisons construites à partir de 2015 et de 0.10 W/m²K pour les maisons plus anciennes, suivant DIN/TS 12831-1, l’annexe allemande à EN 12831-1, la méthode européenne de calcul de la charge de chauffage. La marge facultative de réchauffage de cette norme, qui accélère le retour à la température après une baisse nocturne, est exclue. Elle peut surdimensionner fortement une maison bien isolée. Une pompe à chaleur trop grande démarre et s’arrête plus souvent et coûte davantage à faire fonctionner.

La capacité (la quantité de chaleur fournie) de l’émetteur de chaque étage est fixée à la charge de conception de cet étage. Chaque étage reçoit un radiateur agrégé, car EnergyPlus, le logiciel de simulation utilisé par le modèle, traite plusieurs radiateurs dans une pièce comme un seul émetteur de puissance totale équivalente. Il est dimensionné pour couvrir la charge de conception avec sa température de départ de conception. L’assistant propose ensuite une puissance de pompe à chaleur adaptée au logement.

Radiateurs en fonte ou à panneaux en acier

L’assistant demande de quoi sont faits vos radiateurs, parce que le métal et l’eau qu’ils contiennent emmagasinent de la chaleur et continuent à la restituer après la fermeture de la vanne. Un radiateur à colonnes en fonte, le modèle lourd posé surtout entre 1910 et 1970, emmagasine environ 66 joules par kelvin pour chaque watt de puissance nominale. Un radiateur à panneaux en acier, courant depuis les années 1960, en emmagasine environ 24. Ce sont des médianes calculées sur des fiches techniques de fabricants, 50 modèles en fonte et les panneaux de six marques. La constante de temps, c’est-à-dire le temps que met un radiateur à perdre environ deux tiers de son écart de température avec la pièce, est d’environ 60 minutes pour la fonte et d’environ 20 pour l’acier, à un cinquième de la puissance nominale.

Le type change le rythme. Le dimensionnement des radiateurs et de la pompe à chaleur reste le même. Après la baisse de température de la nuit, le modèle ramène une pièce à sa consigne en 15 minutes environ avec des panneaux en acier, et en 45 minutes environ avec de la fonte. Sur l’année, l’énergie au compteur augmente de 0,5 à 3,5 % par rapport à la même maison avec des radiateurs qui n’emmagasinent rien, et avec la fonte la pointe horaire de la chaudière ou de la pompe à chaleur est supérieure d’environ un tiers, parce qu’il faut réchauffer le métal.

En cas de doute sur le choix : les éléments de fonte très larges et ornementés emmagasinent environ deux fois plus qu’une colonne standard, et les radiateurs à colonnes en acier se situent près de la fonte : choisissez la fonte si les vôtres sont à colonnes en acier. Le modèle retient un seul type pour toute la maison. Il plafonne aussi chaque radiateur à sa puissance nominale, alors qu’un radiateur réellement froid donne brièvement davantage ; les matins froids que le modèle montre avec la fonte sont donc un maximum. Une vraie maison peut en connaître beaucoup moins.

Limites du modèle

Les émetteurs sont dimensionnés exactement selon la charge de conception. Vous ne pouvez pas saisir les radiateurs ou les circuits de sol déjà installés.
Le modèle utilise un émetteur par étage, et non par pièce.
Dans la charge de conception, la ventilation suppose une récupération de chaleur (une centrale transmet la chaleur de l’air évacué à l’air entrant) pour les maisons construites à partir de 2015 et aucune pour les maisons plus anciennes, quel que soit le système de ventilation choisi.
La forme des courbes de chauffage est fixe. La courbe des radiateurs suit la température de pièce choisie. Le modèle la trace comme une ligne droite qui ne descend jamais sous la courbe calculée ; elle peut donc fournir une eau un peu plus chaude que nécessaire.
Les tables de la pompe à chaleur couvrent 35 à 65 °C. Sous 35 °C, le modèle conserve les valeurs de 35 °C ; au-dessus de 65 °C, il refuse la configuration. Un circuit de radiateurs à 50 °C a donc un COP plus faible qu’un chauffage au sol à 35 °C, comme avec une vraie pompe à chaleur. Comparez le COP du modèle au document du fabricant pour votre température de départ.