Renaud Peisieu - ASDER. Les pompes à chaleur

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1 Renaud Peisieu - ASDER Les pompes à chaleur

2 Introduction La PAC consomme de l énergie (différentes sources possibles) pour transférer des calories d un milieu à un autre 2 familles de PAC : Géothermique Aérothermique 2 2

3 Introduction 3

4 Qu est ce qu une pompe à chaleur? Une pompe à chaleur est une machine thermodynamique destinée à assurer le chauffage d un local à partir d une source de chaleur externe dont la température est inférieure à celle du local à chauffer 4

5 Comment ça marche? 5

6 le cycle thermodynamique Faire passer de la chaleur du froid vers le chaud REMONTER RECUPERER Air/sol/eau Source froide TRANSFERER Air/plancher chauffant/radiateur Source chaude 6

7 Le cycle thermodynamique La Température : 0 K = -273,15 C = zéro absolu (théorique) Kelvin = échelle de température absolue ou «échelle de température thermodynamique» Thermomètre : échelle thermométrique Celsius Basée sur le comportement de l eau Solidification à 0 C Ébullition à 100 C Échelle de température relative 7

8 Le cycle thermodynamique Les changements d états : Trois états / phases possibles : Solide Liquide Gaz Dans une PAC, on utilisera le changement d état entre les états gazeux et liquides 8

9 Le cycle thermodynamique l évaporation suit 3 phases distinctes (cas général, à pression constante) : Liquide sous-refroidi Vapeur Vapeur surchauffée (gaz) 1. Chauffage d un liquide température 2. Évaporation 3. Surchauffe d un gaz 9

10 Chaleur sensible : augmentation de la température, lisible sur le thermomètre Chaleur latente : concernant l énergie liée au changement de phase représente 84% de l énergie récupérée. 10

11 Le cycle thermodynamique Avec l exemple de l eau, on s aperçoit que le changement de phase avec évaporation (passage de l état liquide à l état gazeux) permet de récupérer de l énergie à température constante. Si on veut restituer cette énergie dans un autre milieu, il suffit à nouveau de changer d état en passant de l état gazeux à l état liquide (condensation). 11

12 Le cycle thermodynamique Cycle thermodynamique de la PAC 4 étapes : 1. Évaporation 2. Compression 3. Condensation 4. Détente 12

13 les composants : les fluides frigorigènes 3 catégories : 1. Les CFC,(chlorofluorocarbures) interdits depuis le 1er janvier Les HCFC (hydrochlorofluorocarbures),par exemple le R-22,nocif pour la couche d ozone et générateurs d effet de serre; interdiction en Les HFC (hydrofluorocarbures),par exemple les R-134a, R-404A,R-407C, R-410A et R- 507A, ont une action sur l effet de serre. R134a : pour les PAC haute Temp Point d ébullition à 1 bar: -26 C R407C: le plus courant, il s agit d un mélange de gaz Point d ébullition à 1 bar: - 45 C R410A: PAC air/air et PAC eau glycolée /eau Point d ébullition à 1 bar: - 52 C R404A plus adapté pour les installations sol/sol Point d ébullition à 1 bar: - 47 C 13

14 les composants : les fluides frigorigènes CP

15 L Évaporateur Les composants Permet au fluide frigorigène d extraire de l énergie de la source La température d évaporation est toujours inférieure à la température de la source Les matériaux constitutif de l évaporateur sont de très bon conducteurs thermiques Cuivre Titane 15

16 Les composants L ÉVAPORATEUR A air A eau 16

17 Les composants Le compresseur (dépresseur) Aspire le gaz issu de l évaporateur et le comprime Évaporation dépend de : la chaleur de la source la capacité du compresseur Clapets de non-retour empêchent le gaz de refluer Trois types de compresseurs Compresseur à piston rotatif Compresseur à piston Compresseur à spirale Moteur + compresseur dans la même enveloppe Bloc hermétique -> pas de fuite Tenue en température : entre 115 C et 125 C suivant les compresseurs 17

18 les composants LE COMPRESSEUR ROTATIF Le compresseur scroll 18

19 Les composants Condenseur Transfert la chaleur du fluide frigorigène vers un fluide caloporteur t C de condensation > t C du fluide caloporteur Échangeur à plaque basée ou soudée Trois étapes Désurchauffe Condensation Sous-refroidissement 19

20 Détendeur Les composants Réduit la pression du fluide frigorigène Commande la circulation du fluide du condenseur vers l évaporateur Tube capillaire simple / Détendeur thermostatique Le bulbe pilote le détenteur thermostatique Substance volatile qui transforme la température en pression Contrôle par pression du détendeur 20

21 CP

22 Les sources froides (à l évaporateur) -l eau (superficielle, profonde, usée ) -La chaleur superficielle de la terre -La chaleur profonde de la terre -L air extérieur -L air vicié 22

23 Les sources chaudes (au condenseur) -L eau (qui circule dans le plancher chauffant, murs chauffants, radiateurs ou batteries chaudes ) -L air soufflé dans les pièces -Le sol fluide frigorigène circulant dans les planchers chauffants 23

24 Les différents systèmes Sources Sources chaudes Froides eau air Sol(fluide frigorigène dans le pc) Eau aquathermie Eau/eau Air aérothermie Air/eau Air/air Sol exploité avec de l eau glycolée Géothermie Eau(glycol ée)/eau Exploité avec du fluide frigorigène Sol/eau Sol/sol 24

25 Le coefficient de performance ou COP 25

26 Fonctionnement 1 KW 3 KW 4 KW 26

27 Fonctionnement de la PAC Caractéristiques de performance Coefficient de performance (COP) COP = E produite en sortie condenseur E utilisée par le moteur compresseur Exemple pour un COP de 4 : COP = 4 KWh = 4 1KWh 27

28 Le COP fournisseur Dans des régimes de T C Tient compte des auxiliaires non permanents (résistance de dégivrage, ventilateurs, ) 28

29 Les cop Coefficient de performance (COP) aux conditions d essais suivantes : Eau glycolée / eau 0 / 35 Sol / Eau -5 / 35 Eau / eau 10 / 35 Air / air et Air / eau 7 / 35 Courbes de COP De haut en bas : Température d eau : 35 C /45 C/55 C 29

30 Et depuis Septembre 2015 le SCOP ou COP Saisonnier 30

31 Le COP moyen annuel COP moyen calculé en fonction des fréquences cumulées des températures extérieures et intérieures (source ADEME) types de PAC Air/Air Air/Eau Eau/Eau Eau glycolée/eau Sol/eau Sol/sol COP sur PC X 2,5 à 3 5 à 5,5 3,5 à 4,5 3,5 à 4 4 COP sur radiateurs X 2 3,5 à X COP sur ventiloconvecteur 2,5 à 3 2,5 4 3,5 3,5 X 31

32 Les sources de chaleur : L aérothermie 32

33 l aérothermie 2 types de sources froides Sur air extérieur: Système plus simple à mettre en place Mais performances très fluctuantes car dépendante de la température extérieure. Sur air extrait ou système à double flux thermodynamique: Meilleure performance Mais usage limité par le débit de renouvellement d air : appoint conséquent ou lgmt RT 2012 très performant 33

34 Système double flux thermodynamique 34

35 Sur air extrait ou système à double flux thermodynamique: Meilleure performance Mais usage limité par le débit de renouvellement d air : appoint conséquent ou logement performant CP

36 Sur air extérieur : la PAC air/eau 36

37 Source : pacte 37

38 Implantation des PAC aérothermiques Source : pacte 38

39 L INVERTER INVERTER : à vitesse variable (de 30% à 100% de sa puissance) pour adapter la puissance (càd le débit de fluide frigorigène) aux besoins. Il permet : - de maintenir la puissance jusqu à une température extérieure de -7 C, sans appoint. Les limites de fonctionnement de la PAC sont repoussées jusqu à -15 C extérieur, avec perte de puissance. - un démarrage progressif (limitant les chutes de tension au démarrage) - de limiter les arrêts et redémarrage fréquents - un gain d énergie d environs 40% L inverter n est pas un type de compresseur mais un type de fonctionnement! 39

40 Les PAC haute température : Compresseur avec technologie EVI (injection de vapeur) : 40

41 PAC haute température :système en série 41

42 Le COP moyen annuel COP moyen calculé en fonction des fréquences cumulées des températures extérieures et intérieures Exemple en Savoie : Calcul du COP moyen sur la saison de chauffe avec données constructeur et données climatiques suivant le model de calcul donné par l APAVE: Aérothermie sur PC Chambéry Bourg St Maurice Technologie standard 3,1 2,2 Technologie EVI 3,23 2,85 42

43 La réglementation acoustique Lutte contre les bruits de voisinage: Décret N du 18 Avril 1995 Ce décret définit l émergence maximale d un bruit particulier par rapport au bruit de fond: Le niveau de bruit engendré par l appareil extérieur ne doit pas provoquer, au niveau de la limite de propriété, une émergence supérieure de 5 db le jour et de 3 db la nuit, au bruit ambiant mesuré appareil à l arrêt. 43

44 Implantation des PAC aérothermiques Source : pacte 44

45 L eau chaude sanitaire : les PAC double service 45

46 Un cop dégradé en été(<2 voir <1) Source : pacte CP

47 Le chauffe-eau thermodynamique 47

48 PAC dédiée à la production d ECS 48

49 Mise en œuvre sur air extérieur ou air ambiant non chauffé 49

50 Mise en œuvre sur air extrait 50

51 Retours CETD Source : pacte 51

52 Retours CETD Source : pacte 52

53 La géothermie 53

54 Source de chaleur: la géothermie horizontale La source de chaleur Sol Température source varie peu PAC peut couvrir le besoin de chauffage total Utilisation de l'énergie solaire stockée Rayonnement solaire : W/m² (Chaleur provenant de de la terre 0,042-0,063 W/m²) Régénération Pluie Rayonnement solaire 54

55 Source de chaleur CP

56 Les solutions techniques : la géothermie horizontale 3 systèmes possibles :! Système : sol / sol Système : eau glycolée / eau Système : sol / eau 56

57 Source de chaleur Profondeur de mise en place du capteur Au moins 20 cm sous la couche de gelée locale Varie entre 0,6 et 1,5 mètres À moins de 1,00 m, congélation rapidement atteinte mais régénération rapide Au-delà de 1,50 m, congélation plus tardive et risque de régénération incomplète. Attention sous profondeur de l ordre de 2,50 m Si pas de recharge par système ad hoc (capteurs solaires, PAC réversible) => niveau gelé en permanence (permafrost ou pergélisol) après moins de 3 ans d exploitation Tolerance 10 à 15 % 57

58 Rendement d extraction en fonction de la nature du sol Composition du sol Sols non cohésifs, secs Sols cohésifs, humides Sable/gravier saturé en eau Caractéristique spéciale Se désagrègent immédiatement, ne peuvent pas être agglomérés de façon à former une boule et être roulés (sable, gravier) Ne se désagrègent pas, forte cohésion, peuvent former une boule et être roulés (argile, glaise) Sable ou gravier qui est en permanence saturé en eau Rendement d'extraction spécifique 10 W/m² W/m² 40 W/m² 58

59 Source de chaleur 59

60 Source de chaleur Phénomène de Soulèvement Prof = HG + 20cm Formation de lentilles de glace Solutions : Mettre en place un lit de sable Réduire l extraction spécifique 40 cm 60

61 Source de chaleur Hors gel + 20 cm 40 cm 61

62 la géothermie horizontale Source : pacte 62

63 Géothermie horizontale Etude de sol indispensable! Il vaut mieux surdimensionner la source froide 63

64 Source de chaleur: la géothermie verticale 64

65 Source de chaleur CP

66 la géothermie verticale Le fluide: soit l'eau additionnée d'antigel (glycol) soit fluide frigorigène jusqu à 200m de profondeur maxi Les capteurs verticaux : deux tubes de polyéthylène formant un U installés dans un forage et scellés dans celui-ci par du ciment (bentonite). 66

67 Source de chaleur Extraction de chaleur spécifique moyenne de 50 W/m Dimensionnement exact possible Conditions géologiques et hydrogéologiques Exécution par un géologue expérimenté ou une compagnie de forage Règlementations nationales à respecter DRIRE 67

68 La géothermie verticale Étude préalable recommandée ( 300 à 1000 TTC) Dimensionnement suivant le sol: 40 à 50 W/ml 68

69 Source de chaleur: sur eau de nappe 69

70 En France, la température de la nappe phréatique est entre 9 C et 14 C pour les sources naturelles et les trous de forage peu profonds PAC dimensionnée pour T = 10 C (Essais Eurovent) CP

71 Pompes à chaleur sur nappe Principe de fonctionnement 71

72 Eléments de dimensionnement 72

73 Choix du système CP

74 Pour l aérothermie classique : 70 % à 80 % des besoins PAC standard Entre 3 C et 7 C. PAC EVI PAC Inverter (30% à 100% de P) PAC digital Scroll (10% à 100% de sa puissance) 74

75 Source : pacte CP

76 Pour la géothermie et l EVI : 110 % à 120 % des besoins On prend 10% à 20 % de marge par rapport à la puissance de chauffage nécessaire au bâti. Soit P thermique = 1.1 x P ch bâti CP

77 Exemple de schéma hydraulique : importance du ballon tampon Source : pacte 77

78 Performance moyenne des PAC haute température (étude COSTIC) un COP global de 2 seulement! 78

79 CP

80 Aspect environnemental 80

81 Le COP ou SCOP Les coefficients Le COP moyen d une pompe à chaleur va être d autant plus performant que la différence de température entre la source froide (terre, air ou eau de nappe) et l émetteur de chaleur (radiateurs ou plancher chauffant) sera faible. Importance de la source de chaleur Importance des émetteurs de chaleur Optimum : PAC sur nappe sur PC types de PAC Air/Air Air/Eau Eau/Eau Eau glycolée/eau Sol/eau Sol/sol COP sur PC X 2,5 à 3 5 à 5,5 3,5 à 4,5 3,5 à 4 4 COP sur radiateurs X 2 3,5 à X COP sur ventiloconvecteur 2,5 à 3 2,5 4 3,5 3,5 X COP moyen annuel donné par l ADEME sur le territoire 81

82 Les fluides frigorigènes Pouvoir en terme d'émission de GES des fluides frigorigènes : R134 a: 1300 Kg de CO2/Kg R407 c: 1600 Kg de CO2/Kg R404 a: 3700 Kg de CO2/Kg R410 a: 1900 Kg de CO2/Kg R22: 1700 Kg de CO2/Kg + destruction de la couche d ozone remplacé (par le R407C) % pertes (pdt le remplissage, le fonctionnement, maintenance) : 3% pour les pac AIR ET EAU 10% pour les pac SOL car montée sur chantier. Recyclage en fin de vie estimé à 75% Une nouvelle réglementation des fluides F-Gaz depuis 2015 qui vise à mieux contrôler les flux de fluides 82

83 Les limites du chauffage électrique 83

84 Les limites du chauffage électrique La production d'énergie thermique est elle suffisante compte tenu du rendement de fabrication de l'électricité? Tout dépend de la source de production de l électricité Si l électricité est fabriquée à partir d énergie mécanique (hydraulique, éolien.) ou par effet photoélectrique, => on considère que le rendement est équivalent à100% pour fabriquer l électricité. Si l électricité est fabriquée entièrement à partir de chaleur (combustion fossile ou nucléaire) => il faut 3 kwh thermique pour fournir aux consommateurs 1 kwh électrique. 84

85 Impact CO2 des PAC Cas d une maison individuelle de 120 m² à Chambéry sur PC, RT 2005 P = 10kW système élec sur air extrait sur air ext. sur forage (eau/eau) horizontale (eau gly/eau) horizontal e (sol/eau) fluide frigo horizontale (sol/sol) gaz à conden sation fioul à conden sation bois granulé consommations consommation Appoint consommation aux consommation TOTALE énergie finale consommation TOTALE énergie primaire Fluide frigo 0, type de fluide R-134 A R- 410 A R-407C R- 410 A R- 410 A R-404A emission GES % de fuites pdt utilisation 19, % fuites recyclage 162, total kg de CO2 émis /an effet de serre lié à la conso d'élec Méthode ADEME + EDF TOTAL kg de CO2/an effet de serre lié à la conso d'élec Méthode RTE ADEME TOTAL (RTE + ADEME) PAC eau dans le plancher chauffant 85

86 Impact CO2 des PAC kg de CO2 comparatif de consommation en énergie primaire et d'émission de CO2 suivant les systèmes kwh par an sur air extrait sur air ext. sur forage (eau/eau) horizontale (sol/eau) ho rizontale (sol/so l) émission de CO2 consommation 86

87 Pour conclure Une pompe à chaleur peut être un système de chauffage performant à condition : - De réaliser un bon dimensionnement (étude thermique préalable indispensable) - De réaliser une étude de sol en cas de géothermie - De réduire au maximum l écart entre source froide(le sol ou nappe phréatique) et source chaude (plancher chauffant ou radiateurs basse température) - De privilégier les pac chauffage uniquement - D installer dans les règles de l art un ballon tampon ou une bouteille de découplage adaptée à la pac - D avoir une régulation par loi d eau - De faire appel à un installateur expérimenté 87

88 Pour conclure En revanche, une pompe à chaleur : - Ne peut être considérée comme un système de chauffage utilisant une énergie renouvelable( consomme de l électricité majoritairement d origine fissile ou fossile) - A un impact environnemental (180 g/co2/kwh consommé+ fuites éventuelles) - Augmente la demande d électricité en période de pointe ( si remplacement d une chaudière ou installation) 88

89 Merci de votre attention Renaud Peisieu - ASDER