Etude de la performance d un système couplant une PAC eau/eau avec un capteur hybride PV-T.

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1 Etude de la performance d un système couplant une PAC eau/eau avec un capteur hybride PV-T. Hachem Ben Nejma 1, Alain Guiavarch 1 1 MINES ParisTech, CEP, Centre Energétique et Procédés, 60 Bd St Michel, Paris Cedex 06, France RÉSUMÉ. Cet article expose la méthodologie employée pour évaluer la performance d une pompe à chaleur eau/eau couplée à un capteur photovoltaïque-thermique à air (PV-T à air) utilisé pour augmenter la température de la source froide. Un modèle permettant de simuler ce type de système intégré au bâtiment a été développé. La pompe à chaleur est modélisée avec un modèle semi-empirique de type boite grise. Pour le capteur PV-T, la production d électricité est calculée avec un modèle à une diode, ce modèle est combiné avec un modèle de capteur solaire afin d estimer les échanges thermiques avec la lame d air. Les différents composants sont couplés et connectés à un outil de simulation thermique dynamique multizones de bâtiment (Comfie). L outil de simulation global est utilisé pour simuler un cas d étude. Des résultats analysant le potentiel de ce système sont discutés. ABSTRACT. This paper exposes the methodology used to evaluate the performance of a water-to-water heat pump coupled with a photovoltaic-air thermal (PV-T air) used to increase the temperature of the cold source. A model has been developed to simulate this kind of system integrated in buildings. The heat pump is modeled with a grey-box semi-empirical model. For the PV-T collector, the electricity production is calculated with a one-diode model, and this model is combined with a solar collector model in order to estimate the thermal transfer with the air layer. The different components are coupled and linked to a multi-zones dynamic thermal simulation tool of buildings (Comfie). The resulting simulation tool is used to simulate a case study. Some results analyzing the potential of this system are discussed. MOTS-CLÉS : Pompe à chaleur eau/eau, Photovoltaïque hybride, Simulation thermique dynamique, KEY WORDS: Water to water heat pump, Hybrid Photovoltaics, Dynamic thermal simulation.

2 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin Présentation du concept Un capteur photovoltaïque produit de l énergie thermique qui peut être notamment utilisée pour chauffer le bâtiment [TRI 07] [GUI 06]. D un autre côté, le coefficient de performance (COP) d une pompe à chaleur dépend beaucoup de la température ambiante. [FIL 09] a montré par simulation thermique qu il est possible d améliorer le coefficient de performance saisonnier (SCOP) d une pompe à chaleur air/air en couplant l unité externe de la pompe à chaleur avec une source d air tempérée. L idée consiste à échanger un flux thermique entre le capteur PV-T et l évaporateur d une pompe à chaleur. [ZON 01] a par exemple étudié la possibilité de préchauffer la source froide de la PAC. Il a expérimenté le système conçu dans un bâtiment instrumenté. [CAN 08] a simulé les performances d une pompe à chaleur eau/eau couplée à un capteur PV-T intégré au bâtiment. Les études citées ci-dessus ont toutes permis de conclure que le couplage permet d améliorer les performances globales de ce type de système, malgré la persistance de certaines limites. L un des verrous généralement constaté est que l énergie solaire incidente n est pas nécessairement bien corrélée avec les besoins de chauffage du bâtiment. Ainsi, un moyen de stockage est nécessaire. Ce constat est confirmé par des études menées par [FIL 09] et [BEN 10]. Cependant, peu de travaux ont étudiés l influence de la position du moyen de stockage sur les performances du système. Un autre verrou, sur les aspects technologique, concerne la température maximale admissible au niveau de l unité extérieure de la PAC. Celle-ci doit s arrêter par sécurité dès que la température à l entrée de l unité extérieure dépasse une certaine température (environ 40 C). Il devient alors judicieux de ne pas placer la PAC dans les combles juste sous les capteurs, mais dans un local technique différent. Dans ce cas, le transfert de chaleur entre le capteur PV-T et la PAC devient plus pratique à concevoir et réaliser avec un circuit d eau qu avec un circuit d air. 2. Modélisation Le système se compose d un capteur PV-T à air, d un échangeur air/eau, d une PAC, et d un ballon de stockage. Leurs modèles respectifs interagissent entre eux et sont couplés à un modèle de bâtiment via un module de régulation. 2.1 Capteur hybride photovoltaïque-thermique La production d électricité par les cellules photovoltaïques est calculée à partir d un modèle à une diode [RIC 97]. Le rendement électrique est fonction de la température de jonction, qui est équivalente à la température de fonctionnement des cellules photovoltaïques. Cette température est supposée uniforme sur toute la surface de capteur.

3 Le type d intégration du capteur PV est un paramètre qui rentre en jeux dans les calculs. Un modèle développé par [GUI 06] est utilisé ; ce modèle dépendant notamment du type d intégration. En présence d une lame d air ventilée, le modèle a été développé pour calculer le rendement thermique du capteur PV-T. Le transfert est supposé monodimensionnel, et un régime de fonctionnement stationnaire est aussi supposé. L inertie thermique du capteur PV-T est négligée. Cependant, le couplage de ce modèle avec le modèle thermique de bâtiment (exposé ci-après) permet de prendre en compte l inertie thermique de la paroi de bâtiment placée sous le capteur. La température de l air varie dans le sens de l écoulement, et la température d air en sortie de la lame d air est calculée en fonction de la température d air en entrée (cf Figure 1). Le flux thermique q (W) transféré à l air est déduit, étant le débit massique de l air (kg/s) et C p la chaleur spécifique de l air (J/kg/K) : débit d air T air + dt air L Capteur PV Paroi bâtiment T air dx x 2.2 Pompe à chaleur θ Figure 1. Modèle de capteur PV-T [GUI 06] Un modèle boite grise d une pompe à chaleur Inverter supposant un régime stationnaire, et prenant en compte les régimes en charge partielle est utilisé. Il nécessite des paramètres déduits des données constructeurs via une méthode d optimisation appropriée. Une première série d équations est d abord utilisée pour calculer le régime de fonctionnement à pleine charge et en régime non nominal. On ne suppose aucun échange thermique avec l environnement extérieur : Qcd = Qev + W et sont respectivement la puissance délivrée par le condenseur et la puissance échangée au niveau de l évaporateur. est la puissance électrique consommée par le compresseur Le travail théorique fourni par ce dernier est donné par l équation suivante : m& W γ t = mr Pasp γ 1 v asp P P rfl asp γ γ 1 1 (1)

4 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin est le volume massique de réfrigérant (kg.m -3 ) v asp est le volume spécifique à l aspiration (m 3.kg -1 ). P asp et P rfl sont respectivement la pression à l aspiration et la pression de refoulement (Pa). Un modèle de NUT est utilisé pour calculer les échanges au niveau du condenseur et de l évaporateur. La détente est supposé isenthalpique. Figure 2 Modèle de fonctionnement de la PAC à charge partielle Le fonctionnement en pleine charge est ensuite corrigé pour prendre en compte le régime en charge partiel (pour les PAC fonctionnant avec un compresseur à vitesse variable). Le facteur de charge partielle (PLF) est le rapport entre le COP à charge partiel et le COP à pleine charge. Ce coefficient dépend du taux de charge PLR, rapport entre la charge réelle, et la puissance calorifique à pleine charge de la PAC calculée précédemment. On voit d après la figure 2 que le coefficient de charge partielle augmente lorsque le taux de charge diminue, jusqu à une valeur limite dite de référence dans notre cas, à partie de laquelle le compresseur se remet à fonctionner en mode marche/arrêt. Le lecteur pourra trouver plus de détails dans [FIL 09]. 2.3 Ballon de stockage Le modèle est dérivé du type 340 (Stockage multiport) de la bibliothèque TRNSYS [DRÜ 06]. Dans ce modèle, il est supposé que le ballon d eau chaude est divisé en strates horizontales thermiquement uniformes. Chaque strate échange la chaleur par conduction à travers les parois du ballon, et par conduction et convection entre des strates adjacentes. Les équations sont détaillées dans [THI 08]. L eau peut être injectée ou soutirée de n importe quelle strate. Supposant une parfaite stratification, l eau chaude injectée est supposée prendre place dans la strate dont la température est la plus proche de sa propre température. 2.4 Interaction entre les modèles et couplage avec le bâtiment L outil de simulation thermique dynamique multi-zones du bâtiment COMFIE permet d évaluer les besoins de chauffage et de climatisation ainsi que les profils de

5 température dans différentes zones. Il est basé sur la méthode des volumes finis et réduction par analyse modale [PEU 90]. Le programme est développé utilisant l approche orientée objet. Ceci permet aux modèles d être reliés au corps du programme. Ces modules peuvent représenter un système photovoltaïque intégré au bâtiment, une pompe à chaleur ou un moyen de stockage. Pendant la simulation, les paramètres sont échangés entre les modules, et avec le cœur du programme à chaque pas de temps, ce pas de temps pouvant être par exemple de quelques minutes. Un module dédié à la régulation est introduit afin de superviser l interaction entre les différents systèmes (figure 3). Par exemple, si la température de l air en sortie du capteur PV-T (qui dépend de la température extérieure et de l ensoleillement incident) est plus élevée que la température ambiante, le capteur PV-T est utilisé isé alors comme source froide pour la pompe à chaleur (par l intermédiaire d un échangeur air/eau si il s agit d une PAC à eau). Si le débit d air en provenance du capteur PV-T n est pas suffisant, il est alors mélangé avec l air ambiant. En se basant sur la configuration choisie, le module de régulation analyse les valeurs de certains paramètres issus des différents composants avant de déterminer l état de couplage entre le capteur PV-T, la pompe à chaleur, le moyen de stockage et le bâtiment. Figure 3. Interaction entre les différents modèles et module de régulation 3. Cas d étude Le cas d étude choisi est une maison individuelle neuve, d une surface habitable d environ 110 m 2. La simulation thermique dynamique montre que les besoins de chauffage pour le climat type de Chambéry sont de 23 kwh/m². La surface du panneau photovoltaïque est de 20 m², la profondeur de la lame d air est de 10 cm. L ensoleillement annuel minimal utilisé lors de la régulation est de 40 W/m². De ce fait, le rafraîchissement du capteur PV ne se fait que si l ensoleillement incident dépasse ce seuil. En cas de circulation d air sous le capteur

6 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin photovoltaïque, le débit d air est dans notre cas supposé constant et égal à 2400 m 3 /h. La pompe à chaleur est de type eau/eau et assure les besoins de chauffage uniquement. Sa puissance calorifique nominale est de 5.75 kw, avec un COP nominale de Le stockage peut se faire en amont (stockage basse température) ou en aval (stockage haute température) de la pompe à chaleur (figures 4 et 5). Le ballon de stockage choisi est un ballon stratifié de 1000 L de volume et de 2 m d hauteur. Dans la première configuration, en présence d un ensoleillement suffisant, un ventilateur crée un écoulement dans la lame d air. L air chaud en sortie de la lame d air passe par un échangeur air/eau qui est relié à son tour à un ballon de stockage basse température. Le couplage est arrêté si la température du ballon dépasse la température de l air en sortie du capteur. Par ailleurs, un appoint électrique peut se déclencher à tout moment pour empêcher la température du ballon de descendre au dessous de 0 C. Le ballon est relié à son tour à une PAC eau/eau qui permet d assurer les besoins de chauffage. Dans la deuxième configuration, en présence d un ensoleillement suffisant et de température d eau du ballon de stockage inférieure à la température de consigne, un écoulement d air est crée dans la lame d air. L air préchauffé traverse l échangeur air/eau pour préchauffer l eau à l entrée de l évaporateur de la PAC. La PAC est connectée directement au ballon de stockage. Si la température minimale dans le ballon de stockage baisse au dessous de 20 C et que la régulation empêche le fonctionnement de la PAC, un appoint supplémentaire est enclenché. En effet, les données constructeur de la majorité des pompes à chaleur indiquent l impossibilité de travailler avec des températures au dessous de 20 C à l entrée du condenseur. PVT Echangeur Ballon de stockage PAC Chauffage Ecoulement d air d Figure 4. Stockage basse température

7 PVT Echangeur Ballon de stockage Emetteur PAC Ecoulement d air d Figure 5. Stockage haute température 4. Résultats et analyse La comparaison entre les résultats du tableau 1 montre que le stockage à haute température est plus efficace que le stockage à basse température (gain de 22.6% sur la consommation totale). En effet, dans le stockage basse température, une dégradation du SCOP (COP saisonnier) de la PAC est notée. Ceci est du à un fonctionnement à charge partielle de la PAC et avec des températures de source froide moins élevées que dans le deuxième cas. Par ailleurs, le couplage entre le ballon de stockage et le capteur PV-T dure plus longtemps dans le cas d un stockage basse température. La consommation des auxiliaires (ventilateurs) est alors deux fois plus importante. La Figure 6 illustre la différence de fonctionnement entre les deux cas. On note par exemple que la PAC fonctionne plus longtemps et à charge partielle dans le cas du stockage basse température. Par ailleurs, il est noté que, pendant la phase de fonctionnement de la PAC, la température à l entrée de l évaporateur est plus élevée dans le cas d un stockage à haute température. Tableau 1. Comparaison entre le stockage basse et haute température. Configuration Cons. PAC (kwh) SCOP PAC Cons. auxiliaires (kwh) Cons. totale (kwh) Basse température , Haute température ,

8 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin Température à l'entrée de l'évaporateur (Stockage basse température) Température à l'entrée de l'évaporateur (Stockage haute température) Puissance calorifique (stockage basse température) Puissance calorifique (stockage haute température) 14 Température ( C) Puissance (W) Heure de la journée Figure 6 Evolution de la température et de la puissance calorifique pour un jour du mois de février. 5. Conclusion et perspective Cette étude a permis de réaliser une analyse de l efficacité des systèmes couplant un capteur PV-T hybride et une pompe à chaleur et de leur intégration au bâtiment. Une approche par la modélisation et la simulation thermique dynamique est adoptée afin d estimer le potentiel énergétique de ces systèmes. Une comparaison entre un système utilisant du stockage à basse température et un autre système utilisant du stockage à haute température est réalisée. Cette comparaison a montré l intérêt de passer par un stockage haute température afin d obtenir un couplage performant entre la pompe à chaleur et le capteur PV-T à air. Une étude complémentaire comparant les deux systèmes avec un cas de référence peut être menée afin d estimer les gains réalisés grâce à ce couplage. 0 Remerciements : Ce travail a été soutenu par l Agence Nationale de Recherche (ANR) dans le cadre du projet PACAirPV (n ANR-08-HABISOL-005).

9 6. Bibliographie [BEN 10] BEN NEJMA H., GUIAVARCH A., «Performance Evaluation of an Airto-water Heat Pump Coupled with a PV-T Collector as Air Pre-heater», Conference SSB 2010, Liege. [CAN 09] CANDANEDO J. A., ATHIENITIS K., «Application of predictive control strategies in a net zero energy solar house», Conference CISBAT 2009, Lausanne. [DRÜ 06] DRÜCK H., «Multiport Store-Model for TRNSYS. Type 340, version 1.99F», Universität Stuttgart. Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik, [FIL 09] FILLIARD B., GUIAVARCH A., JABBOUR M., Simulation of the Thermal Interaction between a Building Integrated Photovoltaic Collector and an Air source Heat Pump, Conference CISBAT 2009, Lausanne. [FIL 09] FILLIARD B., Étude De La Possibilité De Récupération De Chaleur Par Voie Thermodynamique Pour La Réhabilitation Des Maisons Individuelles», Thèse Ecole des Mines de Paris, [GUI 06] GUIAVARCH A., PEUPORTIER B., "Photovoltaic Collectors Efficiency According to their Integration in Buildings", Solar Energy 80(1), pp 65 77, [JI 09] JI J., HANFENG H., TINTAI C., "Distributed Dynamic Modeling and Experimental Study of PV Evaporator in a PV/T Solar-assisted Heat Pump", International Journal of Heat and Mass Transfer, 52(5 6),pp , [PEU 90] PEUPORTIER B., BLANC SOMMEREUX I., "Simulation Tool with Its Expert Interface for the Thermal Design of Multizone Buildings", International Journal of Solar Energy, 8(2): , [RIC 97] RICAUD A., "Photopiles solaires: de la physique de la conversion photovoltaïque aux filières, matériaux et procédés", Presses polytechniques et universitaires romandes, [THI 08] THIERS S., "Bilans Énergétiques Et Environnementaux De Bâtiments à Énergie Positive", Renewable Energy 32(5): , [TRI 07] TRIPANAGNOSTOPOULOS Y., "Aspects and Improvements of Hybrid Photovoltaic/thermal Solar Energy Systems", Solar Energy 81(9): , [ZON 01] ZONDAG H. A. ECN Publication ECN-RX , accessed March 21, 2012.