Plan de l exposé. Principe de la pompe à chaleur. Principe de la pompe à chaleur S.C. Φ C S.C. P COP= Φ C /P

Transcription

1 lan de l exposé Le chauffage domestique par pompe à chaleur rof. Marc Frère rincipe énergétique de la pompe à chaleur Intérêt de l utilisation des pompes à chaleur rincipe détaillé du fonctionnement d une pompe à chaleur Les différents types de pompes à chaleur domestiques et leurs performances Analyse économique d un projet Quelques conseils 2 rincipe de la pompe à chaleur rincipe de la pompe à chaleur S.C. Source chaude: habitation, eau chaude sanitaire. S.C. Utilisation assistée d une source d énergie gratuite. AC Source froide: air extérieur, sol du jardin, eau de la nappe phréatique. AC CO= / S.F. S.F. 3 4

2 Intérêt de l utilisation de la pompe à chaleur Intérêt de l utilisation de la pompe à chaleur Une partie de l énergie nécessaire au chauffage de l habitation provient de la source froide (énergie gratuite, renouvelable et non polluante! L énergie d entraînement est de l énergie électrique; cette énergie doit elle-même être produite à partir d énergie primaire éventuellement non renouvelable et polluante. Cette transformation a un coût. Economie d énergie primaire fossile Economie Moins de rejet de CO 2 AC CO 2 Φ primaire Φ pertes 5 6 Intérêt de l utilisation de la pompe à chaleur Intérêt de l utilisation de la pompe à chaleur CO= / CO 2 η centrale =/Φ primaire Φ primaire = /(η centrale CO) AC Φ primaire Φ primaire = /(η chaudière ) η centrale CO> η chaudière CO 2 chaudière Φ primaire Φ pertes CO>2.2 pour intérêt énergétique CO>1.8 pour intérêt écologique D un point de vue économique, cela dépend du taux de fonctionnement de nuit η chaudière =Φ primaire /Φ primaire Φ pertes 7 8

3 rincipe de fonctionnement des AC rincipe de fonctionnement des AC S.C. Analyse du condenseur vapeur AC condenseur cond, S.C. liquide T SC cond T SC < cond T SC T 9 S.F. 10 =T SC + rincipe de fonctionnement des AC rincipe de fonctionnement des AC S.C. liquide AC évap, T évap S.F. vapeur T SF évap T évap T SF >T évap évap T évap T SF T S.F. Analyse de l évaporateur T évap =T SF - T évap 11 12

4 rincipe de fonctionnement des AC rincipe de fonctionnement des AC 2 Compresseur 1 cond vapeur Vapeur Condenseur S.C. S.F. évap T évap T évap T SF T SC T Evaporateur liquide 3 4 H= cond B= évap rincipe de fonctionnement des AC rincipe de fonctionnement des AC Flux chaud (kw) Courbes caractéristiques de fonctionnement d'une AC T SC 25 C 35 C 45 C 55 C 65 C T évap T évap ( C) CO (-) Courbes caractéristiques de fonctionnement d'une AC T évap 35 C 45 C 55 C T évap ( C) =T SC + T évap =T SF - T évap =T SC + T évap =T SF - T évap 15 16

5 rincipe de fonctionnement des AC rincipe de fonctionnement des AC CO (-) Courbes caractéristiques de fonctionnement d'une AC 35 C 45 C 55 C T évap ( C) La pompe à chaleur sera donc d autant plus à même de remplir son rôle (flux chaud élevé) avec un faible apport d énergie électrique (CO élevé) si la chaleur est cédée à basse température et si le milieu auquel on prélève de la chaleur est chaud. Il faut donc une source chaude à faible température, une source froide à haute température rincipe de fonctionnement des AC rincipe de fonctionnement des AC Les performances des pompes à chaleur sont imposées par les températures de condensation et d évaporation et non pas directement par les températures des sources. =T SC + Compresseur Source froide T évap =T SF - T évap On peut donc également jouer sur les écarts de température,, T évap. Cela revient à jouer sur la qualité du matériel (dimensionnement des échangeurs de chaleur). Des températures de sources stables et une demande thermique stable occasionnent des performances stables. 19 Fluide caloporteur (distribution de chaleur) 20 Condenseur Evaporateur Fluide caloporteur (prélèvement de chaleur)

6 Les différents types de AC Les différents types de AC Types de source froide sol du jardin (évaporation directe) sol du jardin (fluide secondaire) air extérieur (convection forcée) air extérieur (convection naturelle) rayonnement solaire eau de la nappe phréatique eau d une rivière ou d un étang Types de système de chauffage sol de l habitation (condensation directe) sol de l habitation (fluide secondaire) air intérieur (convection forcée) ventilo-convecteurs (convection forcée) murs chauffants (fluide secondaire) plafonds chauffants (fluide secondaire) radiateurs Les pompes à chaleur air-air roblème de la formation de givre Caractéristiques des pompes à chaleur air (pulsé) eau Source froide: air extérieur pulsé Source chaude: eau circulant au condenseur et dans un plancher chauffant Auxiliaires: ventilateur, circulateur. Appoints de chauffage: résistance électrique sur le circuit eau. Inversion du cycle, arrêt du ventilateur extérieur, mise en marche de la résistance d appoint 23 24

7 Source chaude: eau Condenseur Compresseur Source froide: air extérieur Evaporateur Caractéristiques de l air extérieur comme source de chaleur Température très fluctuante (jour-nuit, été-hiver) L évaporateur est une batterie de tubes ailetés sur laquelle l air extérieur est pulsé «Renouvellement» de la source autour de l évaporateur (source dynamique), nécessité d un ventilateur Influence de l humidité 27 28

8 Caractéristiques du sol comme système de chauffage Le condenseur est un échangeur à plaques dans lequel l eau se réchauffe Distribution de chaleur par un échangeur placé dans la chape Grande inertie thermique, possibilité de faire du stockage as de «renouvellement» de la source autour du condenseur (statique), nécessité d un circulateur. Chaleur distribuée à basse température (35 C) Tenir compte des aspects physiologiques Année Cons AC (kwh) Cons Comp (kwh) Q (MJ) CO tot moyen CO mac moyen Cons Appts (kwh) 1/2/01-31/1/ , , ,60 2,80 3,45 0 1/2/02-31/1/ , , ,07 2,97 3,47 27, % de jour Mois Cons AC (kwh) Cons Comp (kwh) Q (MJ) CO tot moyen CO mac moyen December , , ,85 2,59 3,05 January , , ,11 2,81 3,30 February ,67 836, ,36 3,15 3,68 March ,87 712, ,86 3,09 3,64 April ,36 386, ,38 3,03 3,67 May ,78 141, ,53 3,00 4,00 June ,05 90,48 1,33 0,00 0,00 July-02 4,60 4,60 78,11 4,71 4,71 August ,52 165,52 23,07 0,04 0,04 September ,73 105, ,08 3,43 3,96 October ,54 422, ,44 3,17 3,67 November ,44 809, ,86 3,12 3,62 December , , ,29 2,89 3,33 January , , ,26 2,72 3,15 Consommation totale: 9192 kwh Fonctionnement de jour: 25% Facture: 897 Euros (bi-horaire), 1443 Euros (tarif normal) 32

9 erformances variables au cours du temps en fonction de la température ambiante extérieure et du taux d humidité, de l efficacité du dégivrage erformances plus stables que celles des air-air (inertie du système de distribution de chaleur) ossibilité de faire du stockage dans la chape (fonctionnement de nuit, tarif préférentiel) roblème de givre: Dégivrage inefficace, importante consommation d énergie Dégivrage efficace: consommation de l énergie de dégivrage (compresseur) Les auxiliaires consomment moins d énergie que les AC airair Bon CO (de l ordre de 2.9): meilleur que dans le cas des AC air-air en raison des bons échanges de chaleur au condenseur La résistance d appoint ne fonctionne pas pendant les dégivrages Les pompes à chaleur air(statique)- eau Les pompes à chaleur air(statique)- eau 35 36

10 Les pompes à chaleur air(statique)- eau Echange de chaleur entre le fluide qui s évapore et l air moins performant que dans le cas de l air pulsé (défavorable au CO) as de renouvellement d air humide autour de l évaporateur, pas de formation excessive de givre (augmente le CO) as de ventilateur (augmente le CO) CO mesuré un peu inférieur à celui des pompes à chaleur air(pulsé)-eau ossibilité de capter directement l énergie solaire (augmente le CO) CO(-) 3,5 3,3 3,1 2,9 2,7 2,5 2,3 2,1 1,9 1,7 1,5 Les pompes à chaleur air(statique)- eau CO ROCHEFORT - Novembre Janvier T extérieur ( C) Caractéristiques des pompes à chaleur solsol Source froide: sol du jardin (évaporation directe). Source chaude: sol de l habitation (condensation directe). as de fluides secondaires, pas d auxiliaires. Appoints de chauffage: convecteurs électriques

11 Caractéristiques du sol du jardin comme source de chaleur Température relativement stable, la température de la source dépend de la présence ou non d une pompe à chaleur L évaporateur est enterré à 60 cm de profondeur dans le jardin (la surface couverte est de plus ou moins 1.5 fois la surface chauffée) as de «renouvellement» de la source autour de l évaporateur (source statique) Caractéristiques du sol de l habitation comme système de chauffage Niveau de température maximum imposé par des raisons physiologiques Grande inertie (possibilité de stockage) as de «renouvellement» de la source autour du condenseur (source statique)

12 45 46 Année Cons AC (kwh) Q (MJ) CO moyen Cons AC+appts (kwh) Facture 1/2/01-31/1/ , ,08 2, ,73 597,50Euros/401,06 Euros 1/2/02-31/1/ , ,30 2, ,00 599,84 Euros/402,63 Euros 47 Mois Cons AC (kwh) Q (MJ) CO "December , ,09 2,89 January , ,26 2,88 February , ,72 2,99 March , ,19 3,01 April , ,93 2,99 May-02 71,21 764,33 2,98 June-02 0,00 0,00 0,00 July-02 0,00 0,00 0,00 August-02 0,00 0,00 0,00 "September-02 55,55 619,13 3,10 October , ,39 2,94 November , ,82 2,84 "December , ,30 2,80 January , ,50 2,79 34% de jour Caractéristiques de fonctionnement extrêmement stable: effet tampon de la source froide et de la source chaude Température d évaporation faible en automne et au printemps et élevée en hiver CO intéressants (de l ordre de 2.9) mais relativement faible étant donné les avantages de ce système (pas d auxiliaire, pas de dégivrage) Influence de la longueur des cycles Influence du plancher 48

13 Comment aborder un projet de pompe à chaleur domestique Calcul des déperditions thermiques du bâtiment Sélection de la pompe à chaleur (puissance thermique) Dimensionnement du système de prélèvement de chaleur Dimensionnement du système de distribution de chaleur Etude de la régulation Réaliser quelques mesures simples lors de la mise en service erspective de Recherche et Développement Utilisation de compresseurs à vitesse variables Utilisation d échangeurs de chaleur plus efficaces Etude de la régulation sur base du comportement de l ensemble bâtiment-ac Utilisation de l énergie solaire Information sur les pompes à chaleur Heat ump centre: Ministère de la Région wallonne, DGTRE, division Energie Faculté polytechnique de Mons, Unité d Energétique: M. Frère marc.frere@fmps.ac.be 065/