Ballon tampon pour pompe à chaleur : quand est-il nécessaire ?

Un ballon tampon n’est pas obligatoire sur toutes les pompes à chaleur air/eau. Il devient utile quand le réseau de chauffage contient trop peu d’eau pour que la machine fonctionne correctement, ou quand plusieurs circuits aux débits différents doivent être alimentés. C’est la notice du fabricant qui fixe le volume d’eau minimal : l’installateur vérifie si votre réseau l’atteint avant de proposer un ballon.

Qu’est-ce qu’un ballon tampon sur une pompe à chaleur ?

C’est une cuve isolée, raccordée entre la pompe à chaleur et les émetteurs, remplie de la même eau que les radiateurs ou le plancher chauffant. Elle augmente le volume d’eau, donc l’inertie de l’installation.

Ne pas le confondre avec le ballon d’eau chaude sanitaire

Le ballon d’eau chaude sanitaire stocke l’eau potable de vos robinets, chauffée par la pompe à chaleur à travers un échangeur, comme l’explique l’article comment fonctionne une pompe à chaleur air/eau. Le ballon tampon ne contient que l’eau du chauffage, jamais puisée. Quant au chauffe-eau thermodynamique, c’est un appareil autonome.

À quoi sert un ballon tampon ?

Éviter les cycles courts

Une pompe à chaleur à vitesse variable adapte sa puissance aux besoins, mais seulement jusqu’à une puissance minimale propre à chaque modèle ; en dessous, en mi-saison, elle fonctionne par marche et arrêt. Avec peu d’eau dans le circuit, la consigne est atteinte en quelques minutes, le compresseur s’arrête, l’eau refroidit vite et il redémarre : ce sont les cycles courts, qui usent le compresseur et dégradent le rendement. Plus il y a d’eau, moins les démarrages sont nombreux.

Une machine surdimensionnée aggrave le phénomène : voir l’article quelle puissance de pompe à chaleur.

Fournir l’énergie du dégivrage

Pour faire fondre le givre de l’unité extérieure, la plupart des pompes à chaleur air/eau inversent brièvement leur cycle, comme l’explique l’article pompe à chaleur en hiver : la chaleur envoyée vers l’unité extérieure est alors prélevée dans l’eau du chauffage. Avec trop peu d’eau, la température de départ chute nettement. Certaines notices fixent volume et débit minimaux pour le dégivrage, avec mise en défaut si le débit manque.

Séparer les débits

Une pompe à chaleur est conçue pour travailler avec un débit d’eau assez élevé et régulier, qui correspond à un écart d’environ 5 à 7 °C entre l’eau qui entre et celle qui sort. Des radiateurs prévus pour une chaudière fonctionnaient souvent avec un débit plus faible et un écart plus grand. Et quand un plancher chauffant et des radiateurs cohabitent, chaque circuit a son débit et sa température, comme l’explique l’article plancher chauffant ou radiateurs. Un ballon en parallèle sépare alors les deux boucles.

Ballon tampon obligatoire ? Ce que fixe la notice du fabricant

Il n’existe pas de règle chiffrée valable pour toutes les machines. Le fabricant indique dans sa notice d’installation le volume d’eau minimal du réseau, parfois sans compter l’eau contenue dans l’appareil. Exemples relevés dans des notices :

• une pompe à chaleur bi-bloc récente de 4 à 8 kW demande au moins 10 litres dans l’installation, hors eau du module intérieur, garantis même lorsque toutes les vannes de zone sont fermées ;
• une pompe à chaleur monobloc récente de même puissance, quand le préchauffage par le ballon d’eau chaude n’est pas possible, demande 10 litres en chauffage avec un appoint électrique, mais 50 litres sans appoint ;
• la notice d’un module hydraulique de génération plus ancienne indique de 17 à 80 litres selon le groupe extérieur associé.

Ces valeurs ne valent que pour les modèles concernés, et l’exigence change parfois d’une génération à l’autre chez un même fabricant. Le principe reste le même : comparer le volume exigé à l’eau réellement disponible, celle des tuyauteries et des émetteurs toujours ouverts. De vieux radiateurs en fonte contiennent beaucoup d’eau, des radiateurs en acier récents beaucoup moins, un plancher chauffant davantage.

Comment se calcule le volume d’un ballon tampon ?

Les recommandations professionnelles donnent la méthode : l’eau du réseau doit absorber la chaleur produite pendant la durée minimale de fonctionnement du compresseur, fixée par le fabricant (souvent 6 à 10 minutes), sans dépasser l’écart de régulation. Pour une machine dont la puissance la plus faible est de 1,2 kW, 6 minutes et un écart de 5 °C, cela donne environ 20 litres, et le ballon ne fournit que ce qui manque au réseau. C’est un ordre de grandeur : la valeur de la notice fait foi.

Robinets thermostatiques et zones fermées : le piège du volume d’eau

Un radiateur dont le robinet thermostatique se ferme, ou une boucle de plancher coupée par une vanne motorisée, sort du circuit. Les règles de l’art demandent donc de ne pas les compter dans le volume. Or c’est en mi-saison, quand les robinets se ferment, que les cycles courts menacent. Les solutions :

• Garder un circuit toujours ouvert : un ou plusieurs radiateurs sans tête thermostatique, souvent dans la pièce où se trouve le thermostat d’ambiance, dont l’eau peut alors être comptée.
• Poser une soupape différentielle : elle s’ouvre quand les vannes se ferment et maintient un débit dans la pompe à chaleur. Elle garantit le débit, pas le volume : placée trop près de la machine, elle fait tourner l’eau sur une boucle très courte.
• Bien régler la loi d’eau : une eau à la bonne température limite la fermeture des robinets, voir l’article quelle température régler sur une pompe à chaleur.
• Ajouter un ballon tampon quand ces mesures ne suffisent pas à atteindre le volume exigé.

Ballon tampon en série ou en parallèle ?

En série : deux piquages

Le ballon est inséré sur la tuyauterie et toute l’eau de la pompe à chaleur le traverse. Le montage est simple, sans circulateur supplémentaire, mais le débit des émetteurs passe aussi par la machine : il doit rester suffisant quand des vannes se ferment, d’où la soupape différentielle. Le ballon peut se placer sur le départ ou sur le retour : le schéma du fabricant fait foi, et certaines notices le prévoient sur le retour. Pour une pompe à chaleur air/eau qui dégivre par inversion de cycle, les recommandations professionnelles privilégient le départ, qui limite la chute de température envoyée aux émetteurs pendant le dégivrage ; cet emplacement s’impose si le ballon contient une résistance électrique.

En parallèle : quatre piquages ou bouteille de découplage

La pompe à chaleur chauffe le ballon avec son propre circulateur, et chaque circuit y puise avec le sien : les débits deviennent indépendants, ce qui permet d’alimenter plusieurs circuits. Il demande une régulation adaptée et présente un piège : si les circuits tirent plus d’eau que la pompe à chaleur n’en fournit, l’eau froide du retour se mélange à l’eau chaude dans le ballon. La température envoyée aux émetteurs baisse et la machine doit produire une eau plus chaude, ce qui dégrade son rendement, comme le montre l’article COP et SCOP d’une pompe à chaleur. Les recommandations professionnelles jugent qu’un débit côté pompe à chaleur supérieur de 10 à 30 % à celui des circuits est un bon compromis : au-delà, l’eau chaude renvoyée vers la machine nuit aussi à son fonctionnement.

La bouteille de découplage fonctionne sur le même principe hydraulique, mais elle contient très peu d’eau : elle sépare les débits sans apporter d’inertie.

Les inconvénients d’un ballon tampon

• Des pertes de chaleur : pour un ballon de 300 litres isolé par 100 mm de laine de verre, dans une pièce à 20 °C, les Règles de l’art Grenelle Environnement les chiffrent à environ 0,3 kWh par jour pour une eau à 30 °C et 0,9 kWh pour une eau à 50 °C. Elles peuvent être multipliées par trois si le fond n’est pas isolé : toute la cuve, ses pieds et ses raccords doivent l’être. Dans un garage ou une cave non chauffés, cette chaleur est perdue.
• L’encombrement : de la place au sol, un sol qui supporte la cuve pleine, un accès pour l’entretien.
• Un volume excessif : un ballon trop gros allonge le temps de mise en température et pénalise le bilan énergétique. Chaque litre ajouté compte aussi pour le vase d’expansion, dont la notice fixe le volume d’eau maximal.
• Des composants en plus : circulateur, purgeur, sondes, et davantage d’eau à traiter et à filtrer, voir l’article désembouage du circuit de chauffage.

Dans quels cas le ballon tampon est-il inutile ?

• La notice demande peu d’eau, et les tuyauteries et émetteurs toujours ouverts suffisent.
• Un plancher chauffant à grand volume d’eau, dont les boucles ne peuvent pas toutes se fermer.
• Des radiateurs qui ne peuvent pas tous se fermer : ceux de la pièce équipée du thermostat d’ambiance restent sans tête thermostatique, et la loi d’eau limite la fermeture des autres.
• Un seul circuit, au débit compatible avec la pompe à chaleur.

Ce que l’installateur vérifie à la visite technique

1. La notice de la machine proposée : volume et débit minimaux, conditions de dégivrage ou d’appoint.
2. Le réseau existant : radiateurs, plancher chauffant, longueur et diamètre des tuyauteries, pour estimer le volume d’eau.
3. Les vannes et les circuits : robinets thermostatiques, vannes de zone, circuits toujours ouverts, températures.
4. L’état du réseau : boues, débit, besoin éventuel d’un nettoyage.
5. L’emplacement : place disponible, pièce chauffée ou non, accès.

Ces points font partie des vérifications avant de remplacer une chaudière par une pompe à chaleur. Sur une installation en service, des démarrages incessants ou des défauts de débit répétés doivent faire vérifier le volume et le débit : voir l’article pompe à chaleur qui fonctionne mal.

Ce qui doit figurer sur le devis

• la présence ou non d’un ballon tampon, avec son volume en litres et son isolation ;
• son montage, en série ou en parallèle, et sa position sur le circuit ;
• les accessoires liés : circulateurs supplémentaires, soupape différentielle, vase d’expansion complémentaire si nécessaire, filtre ;
• en l’absence de ballon, la confirmation que le volume du réseau respecte celui exigé par la notice.

Les autres postes à contrôler sont détaillés dans l’article ce que doit contenir un devis de pompe à chaleur.

Faire étudier votre réseau de chauffage

Lors de la visite technique, nous relevons vos émetteurs et vos vannes, comparons le volume d’eau du réseau à celui qu’exige la notice de la pompe à chaleur proposée et vous indiquons si un ballon tampon est nécessaire. Découvrez notre page installation de pompe à chaleur air/eau ou demandez un devis gratuit.