Nous l’oublierions presque, mais aussi petit utilitaire n’obtient pas de connexion au gaz avec une nouvelle construction. Comme dans la construction de logements, les pompes à chaleur air/eau y sont populaires. Parfois, une cascade de pompes à chaleur plus petites optimisées pour le chauffage des maisons privées est choisie. Comment les arrangerez-vous au mieux ? Chic ou peu orthodoxe ?
Texte : Richard Mooi
Les nouveaux lotissements voient fleurir des centres de services mêlant cabinet dentaire, crèche, locaux professionnels ou centre de santé. Depuis l’été 2018, raccorder ces bâtiments au gaz n’est plus la norme. Pour chauffer ces lieux, la puissance demandée ne dépasse souvent pas 20 à 30 kW. Les pompes à chaleur air/eau, déjà bien implantées dans le résidentiel, s’imposent comme solution de chauffage et de rafraîchissement. Autrefois, les petits bâtiments utilisaient plutôt un système VRF pour gérer la température. Mais la plupart de ces systèmes, à l’exception des nouvelles versions mini R32, fonctionnent avec un fluide frigorigène R410A au potentiel de réchauffement global élevé (PRG de 2 088). En cas de fuite, l’impact écologique est lourd. Sans compter que le prix du R410A grimpe, freiné par les quotas européens sur les HFC.
Des pompes à chaleur conçues pour chauffer Face à la VRF, on voit arriver des « vraies » pompes à chaleur air/eau, parfois de 30 kW. Mais nombre de ces grosses machines sont pensées d’abord pour le froid : leur architecture privilégie le refroidissement. Quand elles basculent en mode chauffage, l’air circule au-dessus de l’évaporateur dans le même sens que l’eau, et non en contre-courant. Résultat : l’efficacité chute, surtout si on compare avec les petits modèles résidentiels, calibrés dès le départ pour produire de la chaleur et atteindre des rendements élevés.
Efficacité et sécurité de fonctionnement Les pompes à chaleur destinées à l’habitat plafonnent généralement à 10-12 kW par unité. Pour équiper un local plus vaste, la parade consiste à installer plusieurs petits modules en cascade. Ce choix apporte non seulement un excellent rendement, mais aussi une redondance bienvenue : si un appareil s’arrête, le reste continue d’assurer le chauffage. L’autre avantage, côté rénovation, concerne la prime ISDE. En cumulant plusieurs pompes à chaleur de taille modeste, la subvention obtenue dépasse souvent celle d’un gros modèle unique.
Exemple concret : la Petrakerk Un cas d’école : l’église Petra à Harderwijk, tout juste rénovée, n’a plus de gaz. Cinq pompes à chaleur air/eau Toshiba de 11,2 kW chacune fonctionnent en cascade et alimentent ensemble un ballon tampon de 500 litres. Au total, 56 kW de puissance sont disponibles pour chauffer le bâtiment. Ici, pas de gestion centralisée sophistiquée : la régulation interne des machines Toshiba pilote l’ensemble.
La cascade de pompes à chaleur plus petites chauffe le bâtiment de l’église
L’opération a permis de faire baisser la facture de chauffage d’environ 10 000 euros par an. Pourquoi avoir choisi une cascade de petits modèles initialement prévus pour les maisons ? L’explication se trouve dans la combinaison rendement, souplesse, et subventions cumulables.
Pour piloter plusieurs pompes à chaleur sans gestionnaire de cascade dédié, plusieurs options existent, comme l’indique l’importateur Toshiba Intercool. Toutes les unités peuvent être paramétrées avec le même point de consigne : dès qu’il y a besoin de chaleur, elles démarrent ensemble. Les modules adaptent automatiquement la température de sortie selon la météo. Une fois le ballon tampon chaud, tout s’arrête simultanément. Grâce à la modulation possible jusqu’à 30%, les modèles Estia savent fonctionner à bas régime pendant les mi-saisons.
« Travailler à puissance minimale est favorable au COP », souligne Alexander Kriessan (Intercool). Toutes les unités effectuent un nombre équivalent d’heures de fonctionnement. On peut aussi légèrement différencier les consignes : chaque nouvelle baisse de température extérieure déclenche un module supplémentaire. Inconvénient, la première pompe travaillera plus que les suivantes.
Organiser une cascade de pompes à chaleur : plusieurs méthodes
Voici différentes façons de connecter plusieurs pompes à chaleur pour optimiser le pilotage et la répartition des heures de fonctionnement :
- Toutes les unités sur une seule boucle de chauffage et avec le même point de consigne, elles fonctionnent de façon identique.
- Point de consigne variable : plus la température extérieure chute, plus d’appareils se mettent en service.
- Mode maître/esclave : la première pompe commande la suivante si la température cible n’est pas atteinte.
- Régulation privilégiant une faible charge et une répartition équilibrée des heures de marche.
- Pilotage via un système de gestion technique du bâtiment, qui assure les démarrages et arrêts selon les besoins.
- Pilotage via le GTC en mode 0-10 Volt : le système de gestion ajuste la puissance délivrée.
Gestionnaires de cascade : une solution clé en main Chez des marques comme Hitachi, Mitsubishi Electric, Wolf ou Daikin, il existe des gestionnaires de cascade capables de piloter jusqu’à cinq ou six pompes à chaleur. Le nouveau bâtiment Wolf à Kampen illustre ce choix : trois unités de 11 kW fonctionnent en cascade, faute de modèle individuel plus puissant. L’option cascade s’est donc imposée d’elle-même.
Optimiser l’efficacité en charge partielle Ce même bâtiment sert aussi de vitrine à la nouvelle gamme de pompes à chaleur air/eau au propane (R290). Maarten Ouwehand (Wolf Nederland) détaille le fonctionnement : une pompe démarre, puis une seconde s’ajoute dès que nécessaire. En charge partielle, le rendement atteint son maximum, car l’air passe plus facilement sur l’évaporateur. Le gestionnaire Wolf peut piloter jusqu’à cinq appareils.
Autre avantage : le suivi du nombre d’heures de marche de chaque module, pour une usure uniforme. Pour Wolf, le gestionnaire de cascade reste le choix idéal, mais il est possible de s’en passer. On peut alors opter pour une légère variation des points de consigne, afin que chaque pompe à chaleur démarre à une température extérieure différente. Mais si tous les modules partagent la même consigne et un ballon tampon peu volumineux, ils risquent de s’allumer et de s’arrêter en même temps, ce qui n’est pas optimal hors périodes de grand froid.
Chic ou atypique : deux écoles de pilotage Chez Daikin, l’Altherma monobloc le plus puissant affiche 16 kW. D’après Sander Kleine, il vaut mieux ne pas dépasser deux ou trois unités en cascade sans gestionnaire dédié. Avec l’outil Daikin, jusqu’à six modules peuvent être associés. Travailler avec un gestionnaire de cascade reste la méthode la plus stable, garantissant une répartition équitable des heures de marche. Mais il est possible de s’en dispenser, au risque d’une régulation moins fine. Dans ce cas, chaque module gère son fonctionnement en autonomie : c’est la solution la plus économique à l’achat, même si elle peut s’avérer un peu plus coûteuse à l’usage.
Pilotage maître-esclave ou par point de consigne Chez Atag Heating, plusieurs pompes à chaleur Energion peuvent être installées dans des petits complexes de soins. Sans gestionnaire de cascade dédié, deux approches sont possibles, comme l’explique Roy Janssen. Soit toutes les unités sont connectées sur la même boucle et avec la même consigne, soit on utilise le mode maître-esclave via un contact externe, initialement prévu pour une chaudière d’appoint. Dans ce cas, la première pompe gère la température ; si elle ne suffit pas, la suivante prend le relais, et ainsi de suite.
Les pompes à chaleur peuvent être raccordées au ballon tampon selon la méthode Tichelmann ou à l’aide de vannes de réglage, comme le montre la photo. (Voir l’encadré « Raccordement hydraulique » ci-après)
Alternative : la grosse pompe à chaleur Atag recommande de s’en tenir à deux ou trois modules en mode maître-esclave. L’entreprise prépare un gestionnaire de cascade, mais sa date de sortie reste inconnue. Parallèlement, Atag propose désormais une pompe à chaleur air/eau de grande taille, tout comme sa société sœur Elco, qui vient de mettre à jour sa gamme Aerotop dédiée aux services publics. D’après le fabricant, les performances de chauffage atteignent celles des petits modèles Energion, avec une puissance allant jusqu’à 30 kW.
Système de gestion des bâtiments : une supervision globale Pour un grand bâtiment, un système de gestion technique (SGB) supervise souvent l’ensemble de l’installation climatique. Lorsqu’il s’agit de piloter plusieurs pompes à chaleur, c’est un jeu d’équilibre entre la logique du SGB et l’intelligence intégrée des modules. La modulation reste entre les mains des pompes à chaleur elles-mêmes, contrairement aux chaudières gaz, traditionnellement contrôlées en modulation par la gestion technique.
Stratégies de régulation possibles Le pilotage peut passer par un signal analogique 0-10 Volt ou par des bus de communication. Selon la température extérieure, le SGB envoie un signal modulé à la chaudière ou à la pompe à chaleur. Cependant, beaucoup d’appareils ne prennent en charge que les ordres marche/arrêt, pas toujours la modulation fine. Une méthode consiste à activer progressivement plus de modules à mesure que la température extérieure baisse, chaque machine adaptant ensuite sa puissance en interne.
Eviter les choix hasardeux Alexander Kriessan (Intercool) attire l’attention sur un point : il faut bien choisir à quel moment le SGB déclenche une nouvelle pompe à chaleur. Les meilleurs rendements sont atteints en charge partielle. Certains appareils de grande puissance tolèrent un pilotage direct par le SGB via 0-10 Volt, mais ce n’est pas toujours judicieux. Selon lui, les modules disposent déjà de leur propre régulation, et multiplier les couches de commande peut dégrader la performance énergétique.
Chez Daikin, la modulation externe n’est même pas possible, rappelle Sander Kleine. Selon lui, chaque fabricant a sa philosophie : certains préfèrent laisser la gestion à l’utilisateur, d’autres la confient entièrement à la machine.
Raccordement hydraulique : la clé de l’équilibre Pour garantir un fonctionnement homogène, il faut veiller à ce que le débit d’eau soit identique sur chaque pompe à chaleur. Cela peut se faire par l’ajout de vannes de réglage ou, plus simplement, en posant des tuyaux de même longueur et nombre de coudes. C’est le principe Tichelmann : résistance hydraulique identique pour chaque circuit. À l’installation, le choix peut se porter sur un raccordement à l’extérieur ou à l’intérieur du bâtiment. Selon Roy Janssen (Atag), raccorder à l’extérieur implique parfois d’utiliser des tuyaux très épais. Certains installateurs préfèrent donc ramener séparément chaque boucle de 28 mm à l’intérieur, ce qui facilite l’isolation et la pose. Pour dimensionner correctement, Atag recommande de prendre en compte la différence de température entre aller et retour : 20K sur une chaudière gaz, mais seulement 5K sur une pompe à chaleur. Résultat : à puissance égale, le débit volumique d’une pompe à chaleur est quatre fois plus élevé que celui d’une chaudière classique.
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