Lorsque la régulation de la pompe de circulation d'une pompe à chaleur entraîne des contradictions
Pour atteindre les objectifs climatiques, il est nécessaire de poursuivre le déploiement des pompes à chaleur, ainsi que la mise en œuvre de systèmes de commande intelligents. Dans un tel scénario, l’inertie thermique de l’ensemble du système est exploitée pour fournir des services de flexibilité au réseau électrique. Cet article examine l’impact de la régulation de la pompe de circulation dans de telles conditions [1], à partir d’un montage expérimental réalisé à EnergyVille/KU Leuven.
Le double avantage des pompes à chaleur
En 2024, le secteur résidentiel représentait 26 % de la consommation finale d’énergie au sein de l’Union européenne. Une analyse plus approfondie montre que pas moins de 77,1 % de cette énergie était utilisée pour le chauffage des logements et la production d’eau chaude sanitaire [2].
La part de 30 à 40 % couverte par le gaz naturel illustre clairement le potentiel de croissance du secteur des pompes à chaleur. Dans le cadre d’une production d’électricité à faible empreinte carbone, la pompe à chaleur permet non seulement de réduire les émissions de CO₂, mais aussi de soutenir le réseau électrique. L’intégration croissante des énergies renouvelables rend la gestion du réseau de plus en plus difficile. Une gestion active de la pompe à chaleur via des systèmes de régulation intelligents peut apporter des avantages considérables, tels que des coûts réduits pour le client final, la réduction des investissements dans le réseau grâce à une utilisation optimale de sa capacité et une transition vers un secteur énergétique plus durable.
Le réglage optimal de la pompe dépend de l’objectif final
Régulation interne ou régulation externe
Afin de garantir un fonctionnement fiable de la pompe à chaleur, les fabricants mettent en œuvre des stratégies de régulation internes. Celles-ci vont des durées minimales de mise en marche et d’arrêt, à la régulation de la vitesse du compresseur, en passant par les cycles anti-légionellose et la commande de la pompe de circulation. L'impact de ces stratégies tant sur le fonctionnement normal que sur le fonctionnement en flexibilité énergétique a déjà été démontré dans la littérature [3], [4], [5]. Cependant, la commande de la pompe de circulation a souvent été négligée.
Il ne faut pas oublier que les stratégies de régulation internes sont généralement protégées et que les systèmes de commande intelligents n’y ont qu’un accès limité. Afin de répondre en partie aux besoins des systèmes de commande intelligents, les fabricants proposent des interfaces permettant de modifier les points de consigne de température, les signaux de marche/arrêt, etc., mais souvent avec une liberté de régulation limitée.
Commande de la pompe de circulation: le réglage optimal varie-t-il en fonction de l’objectif?
Les pompes à chaleur sont souvent équipées de pompes de circulation à régulation de fréquence afin d’adapter le débit fourni à la demande de chaleur actuelle. Cela se fait généralement en mesurant la différence entre la température d'alimentation et celle de retour, puis en la comparant à la différence de température souhaitée, qui est souvent de 5 °C. En fonction du système de diffusion, cet écart souhaité peut être réglé dans une certaine plage. Mais qu'en est-il dans le cas d'un ballon tampon de 750 l situé entre la pompe à chaleur et le système de diffusion?
Et le réglage idéal peut-il varier si le client final a d’autres objectifs, tels que la consommation d’énergie la plus faible ou le coût le plus bas en cas de fluctuations des prix de l’énergie? Pour le montage expérimental réalisé à EnergyVille/KU Leuven avec une pompe à chaleur eau-eau modulante, les réglages extrêmes ont été comparés, à savoir une différence de 3 °C ou de 10 °C entre la température d’alimentation et la température de retour. La figure 2 en présente un aperçu.
Efficacité énergétique contre flexibilité dans le cadre de cycles simplifiés de chargement et de déchargement du ballon tampon
Un premier scénario concerne le chauffage du ballon tampon de 35 °C jusqu’à la température maximale de la pompe à chaleur (55 °C). Le réservoir tampon est ensuite entièrement déchargé jusqu’à 35 °C via une puissance de décharge constante, calculée pour 4 températures extérieures (-7 °C, 2 °C, 7 °C et 12 °C). Le chauffage jusqu’à la température maximale de la pompe à chaleur peut se produire lors de l’optimisation de l’autoconsommation d’énergie solaire autoproduite ou en cas de fluctuations des prix de l’électricité.
Le réglage de la pompe à 3 °C a permis de chauffer entièrement le réservoir tampon avec un débit de pompe pratiquement constant de 27 l/min. Avec un réglage de la pompe à 10 °C, la pompe à chaleur s’est arrêtée prématurément en raison d’une forte baisse de débit à la fin du cycle de charge (Figure 3), dans le but de maintenir la différence de 10 °C entre l’alimentation et le retour. Cette forte et surtout rapide diminution du débit n’a pas permis au compresseur de s’adapter assez rapidement. La température de sécurité de 60 °C a été atteinte et la pompe à chaleur est passée en mode sécurité.
Cependant, la température de retour était suffisamment basse pour permettre au compresseur de continuer à fonctionner, du moins si la baisse de débit n’avait pas été aussi importante. Une réduction de la température maximale du réservoir tampon de 55 °C à 52 °C s’est avérée nécessaire pour éviter le mode de sécurité avec le réglage de la pompe à 10 °C. Le verdict? Une baisse de 10,35 % de l’énergie stockée. Cela signifie que la pompe à chaleur peut fonctionner moins longtemps pour stocker de l’énergie à bas prix et qu’elle peut rester déconnectée du réseau pendant moins longtemps. Le COP avec un réglage de la pompe à 10 °C a toutefois augmenté de 7,62 %, uniquement grâce à la température plus basse du réservoir tampon (52 °C) nécessaire pour éviter le mode de sécurité.
Conséquence pratique du réglage de la pompe en fonctionnement normal
La différence de température souhaitée entre l’eau d’alimentation et l’eau de retour est souvent réglée une seule fois par l’installateur. Compte tenu de la plus grande flexibilité énergétique offerte par le réglage de la pompe à 3 °C, on peut donc opter pour cette solution. Mais ce réglage maximise-t-il également les performances du système en conditions de fonctionnement normal (sans services de flexibilité)?
Pour répondre à cette question, la pompe à chaleur a été couplée en temps réel à un bâtiment simulé conforme aux exigences PEB 2020 [3]. Une courbe de chauffage a été définie pour la pompe à chaleur, le ballon tampon et le mitigeur situé en aval du ballon tampon (figure 4). L'hystérésis du ballon tampon a été délibérément maintenue à +5 °C/-2 °C afin de maximiser les performances en l'absence de flexibilité énergétique.
La comparaison des deux réglages de la pompe a fourni des informations intéressantes. Le réglage de la pompe à 10 °C assure une température de retour plus basse et, par conséquent, une température moyenne du condenseur plus faible. Cela a augmenté le COP de 6,10 % par rapport au réglage de la pompe à 3 °C.
En contrepartie, on observe toutefois une augmentation de pas moins de 68,75 % des cycles du compresseur. La figure 5 apporte les explications nécessaires. Le fait de viser un écart de 10 °C entre la température d’alimentation et la température de retour améliore la stratification thermique dans le ballon tampon. La pompe de circulation assure une réduction rapide du débit d’eau, ce qui permet de charger principalement les couches supérieures du réservoir tampon. La température de coupure du réservoir tampon est ainsi atteinte assez rapidement et la pompe à chaleur s’arrête.
Avec le réglage à 3 °C, le débit élevé entraîne un mélange plus important dans le réservoir, avec une stratification thermique moins marquée. Le débit élevé empêche le chargement rapide des couches supérieures. De ce fait, la pompe à chaleur et le ballon tampon atteignent un équilibre thermique entre l’énergie fournie et l’énergie extraite, et la température de coupure du ballon tampon n’est pas tout à fait atteinte. Compte tenu du COP plus élevé avec un réglage de la pompe à 10 °C et d’un nombre de cycles du compresseur qui reste dans les limites admissibles, ce réglage pourrait être recommandé en fonctionnement normal.
Conséquences pratiques et perspectives d’avenir
Le réglage optimal de la pompe dépend donc de l’objectif final. Si un haut degré de flexibilité énergétique est souhaité, un réglage à 3 °C peut être recommandé. Si l’on se concentre uniquement sur la consommation d’énergie, il est préférable d’opter pour le réglage à 10 °C. Étant donné que le réglage de la pompe est généralement défini une seule fois, il s’impose de faire un choix quasi permanent, impliquant un compromis.
Compte tenu des futurs systèmes de commande intelligents via des systèmes de gestion de l’énergie ainsi que de la large gamme de systèmes hydrauliques disponibles, il serait intéressant que les fabricants proposent un éventail plus large de réglages de pompe
Compte tenu des futures commandes intelligentes via des systèmes de gestion de l’énergie ainsi que de la vaste gamme de systèmes hydrauliques, il serait intéressant que les fabricants proposent un éventail plus large de réglages de pompe. Par exemple, un écart de température ajustable en temps réel pour la commande de la pompe. Ou encore une commande de pompe sans différence de température, mais avec un débit constant, ou mieux encore, une pompe à commande externe. Il convient par ailleurs de tenir compte d’une éventuelle instabilité de régulation. Lors de plusieurs expériences, des interférences entre la commande du compresseur et celle de la pompe ont été mesurées. Cela a entraîné de fortes oscillations, car la vitesse du compresseur augmentait pour atteindre la température de sortie, tandis que la commande de la pompe provoquait justement une forte réduction du débit afin de maintenir la différence de température.
Références
[1] M. Evens, A. Mugnini et A. Arteconi, "Évaluation expérimentale de l’impact de la régulation de la pompe de circulation sur les performances et la flexibilité énergétique des pompes à chaleur avec stockage thermique dans le cadre de stratégies de régulation basées sur des règles et de régulation prédictive par modèle", dans les Actes de la 15e Conférence de l’AIE sur les pompes à chaleur 2026, 2026, pp. 2439–2450.
[2] Eurostat, "Consommation d’énergie des ménages".
[3] M. Evens et A. Arteconi, "Influence des simplifications de la commande interne dans la modélisation des systèmes de pompes à chaleur pour les évaluations de la flexibilité énergétique", dans Actes de Building Simulation 2021: 17e conférence de l’IBPSA, IBPSA, 2021.
[4] M. Evens et A. Arteconi, "Conception de la flexibilité énergétique au sein d’une "Comfort and Climate Box" – Évaluation expérimentale des effets de la régulation interne des pompes à chaleur", Appl. Therm. Eng., vol. 254, n° 123842, 2024.
[5] T. Pean, R. Costa-Castello, E. Fuentes et J. Salom, "Essais expérimentaux de stratégies de régulation des pompes à chaleur à vitesse variable pour améliorer la flexibilité énergétique dans les bâtiments", IEEE Access, vol. 7, pp. 37071–37087, 2019.
