Quelle surface de serpentin faut-il pour un ballon de pompe à chaleur ?

De quelle surface de serpentin un ballon de pompe à chaleur a-t-il besoin ?

Entre 2,5 et 3,0 m² pour un ballon domestique typique, 3,0 m² étant la valeur sur laquelle convergent la plupart des bureaux d'études et des fabricants de pompes à chaleur. En règle de dimensionnement, prévoyez environ 1 m² de serpentin pour 100 litres d'eau stockée. Un ballon indirect standard conçu pour une chaudière possède 0,5–0,8 m², soit trois à quatre fois moins.

Cette seule caractéristique pèse davantage sur les performances réelles d'une pompe à chaleur que la marque de l'unité extérieure, et c'est le chiffre qui manque dans la plupart des devis.

Pourquoi un serpentin de pompe à chaleur est-il trois à quatre fois plus grand ?

Parce que le transfert de chaleur est proportionnel à la surface multipliée par l'écart de température, et que la pompe à chaleur a délibérément abandonné la majeure partie de cet écart. La relation qui gouverne le phénomène est Q = U × A × ΔT : la chaleur transférée est égale au coefficient d'échange thermique multiplié par la surface du serpentin et par l'écart de température moyen d'échange.

Faisons le calcul pour une charge de 10 kW :

• Chaudière. Le primaire part à 80 °C et revient à 60 °C pendant que le ballon se situe en moyenne à 40 °C durant la charge. Écart moyen d'échange ΔT ≈ 30 K. Avec un coefficient de serpentin réaliste de 300–500 W/m²K, la surface requise est de 0,7–1,1 m².
• Pompe à chaleur. Le primaire part à 50 °C et revient à 45 °C pendant que le ballon se situe en moyenne à 35 °C. Écart moyen d'échange ΔT ≈ 12 K. Les mêmes 10 kW exigent désormais 1,7–2,8 m².

Et cela se resserre en fin de charge. Lorsque le ballon dépasse 45 °C, la chaudière dispose encore de 25 K d'écart d'échange ; la pompe à chaleur n'en a plus que 3–5 K. Cette dernière étape fixe la vitesse de réchauffage, et c'est pourquoi la règle de la profession aboutit à trois fois la surface plutôt qu'aux 2,5 fois que suggère le calcul moyen.

Que coûte réellement un serpentin sous-dimensionné ?

Trois pénalités, qui se retrouvent toutes sur la facture d'électricité :

1. Une température de départ plus élevée. La régulation compense le petit serpentin en relevant la température du primaire. Au-dessus de 45 °C, chaque degré coûte environ 2–2,5 % de COP : charger à 55 °C au lieu de 48 °C consomme donc environ 15 % d'électricité de plus pour la même eau chaude.
2. L'appoint par résistance électrique. Lorsque le ballon ne parvient pas à atteindre sa consigne dans la plage programmée, la résistance électrique termine le travail à un COP de 1,0, soit un coût par kilowattheure environ trois fois supérieur.
3. Une moins bonne stratification. Un petit serpentin concentré dans le bas du ballon laisse une bande froide au milieu : le volume utilisable est donc plus petit que les litres indiqués sur l'étiquette ne le laissent croire.

Comment vérifier le serpentin sur une fiche technique ?

Demandez quatre valeurs et considérez l'absence de l'une d'elles comme un signal d'alerte :

• La surface du serpentin en m². Pas « grand serpentin », pas « compatible pompe à chaleur » : le chiffre.
• La puissance du serpentin en kW à une température de primaire indiquée. Une valeur donnée avec un primaire à 80 °C n'a aucun sens pour une pompe à chaleur ; exigez 50 ou 55 °C.
• Le temps de réchauffage de 15 °C à 50 °C à la puissance nominale de la pompe à chaleur.
• La base d'essai. EN 12977-3 définit les méthodes d'essai de performance des ballons solaires et basse température, et EN 12897 couvre la construction des ballons sous pression. Les valeurs indiquées doivent préciser quelle norme elles suivent et comment l'échangeur à serpentin a été évalué.

La géométrie du serpentin compte autant que la surface brute. Un serpentin haut, qui parcourt toute la hauteur du ballon, charge tout le volume ; un serpentin court, ramassé en bas, laisse la moitié supérieure à la résistance électrique. Les serpentins à ailettes ou à bossages augmentent le coefficient d'échange thermique effectif : un serpentin bien conçu de 2,5 m² peut donc surpasser un serpentin lisse de 3 m², et c'est précisément ce travail d'ingénierie que Solimpeks intègre à ses ballons émaillés et ses ballons combinés hygiéniques.

La même règle s'applique-t-elle aux systèmes solaires et combinés ?

La logique est la même et les valeurs sont encore plus généreuses. Les capteurs solaires fournissent de la chaleur à 25–60 °C, un écart de température moteur encore plus faible : le serpentin solaire se place donc en bas du ballon avec une surface généreuse, et un second serpentin plus petit, placé plus haut, sert la chaudière ou la pompe à chaleur. Dans un ballon à double serpentin, la position de chaque serpentin détermine la partie du volume qu'il chauffe, un point détaillé dans le guide des ballons de stockage thermique.