Up to date. Extrait de l Entreprise n Novembre Introduction

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1 Performances d une combinaison de capteurs solaires thermiques et d une PAC Impact décisif de la stratégie de régulation et du raccordement hydraulique Par J. Veeken, J. Verheyen et M. Sourbron Cet article traite du rendement d un système combiné réunissant des capteurs solaires thermiques et une pompe à chaleur, reliés par un réservoir tampon. Les résultats de l étude ont révélé l importance décisive d une optimisation de la configuration hydraulique et de la stratégie de régulation de la température dans le réservoir tampon. La sélection des températures d utilisation les plus adéquates et d une méthode optimale de stockage de la chaleur permet d améliorer de manière drastique le rendement du système : une étude de simulation a démontré qu il était possible de faire passer le SPF (Seasonal Performance Factor) d un système de 3,72 à 5,56. Cette augmentation résulte d une plus grande fraction solaire, du rendement amélioré de la pompe à chaleur et de la diminution des pertes à l arrêt. Il ressort de cette étude que le réservoir tampon joue un rôle crucial dans le bon fonctionnement de ce type de systèmes combinés. Introduction Cette étude s inscrit dans le contexte d une réduction de l empreinte écologique. Il s agissait en l occurrence de rechercher les systèmes de chauffage et de production d eau chaude sanitaire les plus adéquats de ce point de vue. L étude a été menée dans le cadre du programme de l Agence internationale de l énergie «Solar Heating and Cooling Programme task 44» ( ), qui avait pour objectif de mieux comprendre l interaction entre les capteurs solaires et la pompe à chaleur. Tout comme les pompes à chaleur, les capteurs solaires thermiques recueillent de plus en plus d attention, tant en Belgique qu en Europe. Toutefois, peu de chiffres sont actuellement disponibles concernant les performances des installations dans lesquelles ces techniques sont combinées. Pourtant, les systèmes intégrant des capteurs solaires et une pompe à chaleur peuvent apporter une contribution intéressante à la poursuite des objectifs européens en matière de protection du climat. Pour cela, cette installation combinée doit produire de la chaleur selon trois critères (voir figure 1) : en quantité adéquate à la température optimale au bon moment. La demande d ECS (eau chaude sanitaire) se présente sous la forme d une courbe ascendante, avec une crête caractéristique illustrant le moment où les puissances et les températures requises sont relativement élevées (45-60 C). Le profil du besoin en chauffage est, lui, plus homogène, et les températures sont plus basses (25-45 C). Avec l amélioration de l isolation thermique dans les logements, la demande d énergie destinée à la production d ECS tend à devenir tout aussi importante que la demande d énergie pour le chauffage. 24

2 Up to date Capteur solaire Tampon ECS ECS Chaleur haute température 45 C (consommation) 60 C (stockage) Chauffage température moyenne C Pompe à chaleur Tampon chauffage Chauffage Source de chaleur basse température Chaleur basse température C Figure 1: Deux producteurs de chaleur (capteurs solaires thermiques et une PAC) fournissent de la chaleur à deux températures différentes pour le chauffage et l ECS. Par rapport aux combustibles classiques d origine fossile, la chaleur provenant des pompes à chaleur ou des capteurs solaires est limitée en quantité et en puissance. De plus, l énergie solaire n est pas disponible à tout moment. Ces facteurs ont une incidence importante sur la conception et la régulation des systèmes de chauffage solaire intégrant une pompe à chaleur. S agissant des PAC, le facteur de performance saisonnier (Seasonal Performance Factor), qui indique la chaleur fournie par rapport à l électricité consommée, varie entre 2,5 et 5. Le facteur de performance saisonnier se situe, en revanche, entre 40 et 100 pour les capteurs solaires (même si des pics allant jusqu à 250 ont été mesurés). C est la raison pour laquelle il faut concevoir et réguler le système combiné de manière à laisser la priorité aux capteurs solaires. Étant donné que la demande en ECS est caractérisée par des pics et que la quantité d énergie solaire disponible varie selon le moment de la journée, il est nécessaire de prévoir un système de stockage tampon. Parmi les différentes configurations qui sont inscrites dans le projet task 44, nous avons choisi de nous concentrer sur celle illustrée dans la figure 2. Une version de cette configuration a été réalisée dans le laboratoire, et une variante numérique a été produite avec le logiciel Polysun (voir figure 2). Figure 2 : Configuration du système avec des panneaux solaires et une PAC équipée d un réservoir tampon, telle qu elle est reprise dans le logiciel Polysun Designer. 25

3 Modèle de simulation Tableau 1: Paramètres du modèle de simulation Composant du système Valeur Logement Surface chauffée (m 2 ) 140 Demande spécifique en chaleur (kwh/m 2 ) 15,6 Consommation d eau chaude sanitaire (l/jour) 140 Température de puisage ECS (en C) Pompe à chaleur géothermique Puissance de chauffage (B0/W35) (kw) 5 Longueur U de la sonde au sol (m) 86 Capteurs solaires Superficie du panneau (m 2 ) 8,6 Réservoir tampon Capacité (l) 512 Pour le schéma de puisage, nous nous sommes basés sur le profil d une famille standard, comme défini dans le projet IEA SHC Task 44. Pour le type de climat et de sol, nous avons utilisé les données représentatives choisies pour la Belgique. Le réservoir tampon de 512 litres a été divisé en 12 strates dans le modèle de simulation. La partie du haut (strates 8-12) est destinée à la production d ECS, la partie du bas (strates 1-7) au chauffage. L échangeur de chaleur des capteurs solaires est positionné sur le côté, et il est relié au réservoir tampon par quatre raccords. Ainsi, la chaleur se propage toujours vers la strate ayant la température correspondante (figure 5). Dans le cas de référence, aucune zone froide séparée n a été prévue pour le raccordement du circuit solaire. La production d ECS se fait selon le principe de la production instantanée, avec un serpentin interne en inox d une longueur de 25 m et d une superficie de 6,4 m 2. Réservoir tampon à partir d un modèle de simulation avec les numéros de port Répartition des strates isothermes dans le modèle de réservoir tampon Volume des strates (l) Figure 3 : Répartition du réservoir tampon dans le modèle de simulation. 26

4 Paramètres du cas de référence Dans le cas de référence, la production d ECS est contrôlée par un capteur de température situé en haut du réservoir tampon (strate 12) et possédant une valeur de consigne de 55 C et une zone d inertie de +1/+5 C. Concrètement, cela signifie que la PAC démarre lorsque la température de la strate 12 est inférieure à 56 C et s arrête lorsque la température atteint 60 C. La régulation du chauffage se fait de manière analogue, à la différence que le capteur de température se trouve à hauteur de la strate 7 et possède une température de consigne de 35 C et une zone d inertie de +1/+5 C. La production d ECS est prioritaire. Dans la simulation, aucune minuterie n est prévue pour limiter la production d ECS selon un horaire spécifique. Le système de régulation fonctionne en continu, tant pour le chauffage que pour la production d ECS. Critères d évaluation Les performances sont évaluées au moyen du facteur de performance saisonnier (Seasonal Performance Factor). Il s agit de l énergie thermique fournie pour le chauffage et l eau chaude sanitaire, divisée par l énergie électrique requise pour le fonctionnement de la pompe à chaleur et des circulateurs. Le facteur tient compte de tous les consommateurs électriques du système (les compresseurs de la pompe à chaleur et les circulateurs pour les capteurs solaires, la pompe à chaleur et la sonde de sol): Pour comparer correctement les différentes installations, on vérifie si elles permettent de fournir le confort souhaité pour l eau chaude et le chauffage. De plus, on a défini un paramètre de «disponibilité». Cette valeur indique la durée pendant laquelle le système est capable de fournir l ECS à la température souhaitée, et sert ainsi à mesurer le confort d utilisation. Dans toutes les simulations, la demande en chaleur pour le chauffage a été satisfaite. Le confort thermique ne pose donc aucun problème. C est la raison pour laquelle ce critère n est plus pris en compte dans la suite de l étude. Paramètres du raccordement hydraulique et de la régulation, simulation Les performances du système ont été améliorées au cours de plusieurs étapes, en adaptant à chaque fois le raccordement hydraulique et la régulation. Il est important de souligner qu aucune modification n a été apportée au dimensionnement de l installation. Tableau 2 : Adaptations des paramètres du raccordement hydraulique et de la régulation en vue d améliorer le rendement Adaptation Configuration du réservoir tampon Pompe à chaleur Pompe à chaleur Réservoir tampon vers strate ECS vers strate chauffage vers strate chauffage Strate in - Volume Strate in - Volume Strate in - Volume strate out (litres) strate out (litres) strate out (litres) Référence

5 Up to date Voici les différentes étapes : Correction d une erreur de réglage : la pompe à chaleur était enclenchée par une demande de chauffage ou bien d ECS (fonction OR), mais tout de suite désactivée en cas d absence de toute demande chauffage-ecs (fonction AND) Ensuite, adaptation de la régulation : passage d une régulation par hystérésis sur une seule strate à une régulation sur deux strates selon une température de consigne Réduction et décalage du volume pour le chauffage vers les strates 7-4 (161 litres au lieu de 96 litres) Pilotage du volume du tampon pour le chauffage selon une courbe de chauffe plutôt que selon une valeur de réglage prédéterminée Réduction de la température de consigne ECS : 55 C à 50 C Réduction du volume pour l ECS aux strates 9-12 (176 litres au lieu de 216) Réduction du volume pour l ECS aux strates (135 litres au lieu de 216) Le tableau 2 montre l impact de ces interventions sur le volume tampon. Analyse des résultats Aperçu L amélioration du rendement saisonnier est remarquable (voir figure 4). Le facteur de performance saisonnier du système passe de 3,72 à 5,56 alors même qu aucune modification n a été apportée aux principaux composants du système, par exemple, à la superficie du capteur solaire ou au volume du réservoir tampon. Les seules modifications concernaient le raccordement hydraulique et les paramètres de réglage. Nous passons en revue les différentes étapes qui se sont succédées pour expliquer le comportement du système. GROHE SMART LE PLUS GRAND PROGRAMME DE FIDÉLITÉ POUR LES INSTALLATEURS INSCRIVEZ-VOUS SUR GROHESMART.COM 1. SCANNER CODE QR 2. COLLECTIONNER DES POINTS %*1+5+4 &'5 %#&'#7: SMART INFO 235 SCANNER CE CODE QR ET RECEVOIR 25 SMARTS DE BIENVENUE 29

6 Système Variations Figure 4 : Aperçu général des résultats de la simulation, avec facteur de performance saisonnier et consommation électrique des systèmes. Correction d une erreur de réglage Le système de référence contenait une erreur dans l algorithme de régulation, de sorte que le contenu intégral du réservoir tampon était chauffé jusqu au point de réglage attribué à l ECS (strate 12 à 60 C), et cela même lorsqu il fallait uniquement réchauffer les strates du chauffage (strates 4 à 1, en l occurrence) jusqu au point de réglage défini pour le chauffage (strate 4 à 40 C). Cette erreur a été corrigée. De plus, on a adapté le système de régulation pour l eau chaude et le chauffage. Au lieu de se baser sur un seul capteur de température par zone, respectivement un dans la strate 12 pour l ECS et un dans la strate 4 pour le chauffage, on a intégré deux capteurs de température pour chacune des deux applications, situés respectivement l un dans la strate inférieure et l autre dans la strate supérieure de chaque zone (12 et 8 pour l ECS, 4 et 1 pour le chauffage). Cela a conduit à une amélioration du réchauffage de l ensemble de la strate, moyennant, certes, un investissement supplémentaire pour les capteurs de température et la régulation. Ces adaptations montrent l intérêt d une optimisation de la régulation : le facteur de performance saisonnier du système passe de 3,7 à 4,3, avec une diminution de 15 % de la consommation électrique de l installation, qui passe de 1182 kwh à 1008 kwh. Strate la plus basse Strate2 Strate3 Strate4 Strate5 Strate6 Strate7 Strate8 Strate9 Strate10 Strate11 Strate la plus élevée Température ( C) Heure Figure 5 : Niveaux de température dans le réservoir tampon, dans le cas de référence, avec une erreur de réglage. 30

7 Strate la plus basse Strate2 Strate3 Strate4 Strate5 Strate6 Strate7 Strate8 Strate9 Strate10 Strate11 Strate la plus élevée Température ( C) Heure Strate la plus basse Strate2 Strate3 Strate4 Strate5 Strate6 Strate7 Strate8 Strate9 Strate10 Strate11 Strate la plus élevée Température ( C) Heure Figure 6 : Effet de la zone froide pour les capteurs solaires sur le profil de température dans le réservoir tampon pour les 5 et 6 février. Prévoir un volume froid suffisant pour les capteurs solaires et limiter la zone destinée au chauffage Dans le cas de référence, la partie supérieure du réservoir tampon est chauffée pour l ECS, tandis que la partie inférieure est maintenue à température pour le chauffage, via le raccordement de la pompe à chaleur sous le réservoir. L échangeur de chaleur des capteurs solaires, placé en bas dans le réservoir tampon, est donc toujours en contact avec l eau chaude, ce qui entrave le stockage de la chaleur solaire. Ce problème a été résolu par la seconde adaptation, qui prévoit une zone froide dans la partie la plus basse du réservoir tampon, de sorte que l échangeur de chaleur du capteur solaire puisse stocker la chaleur qu il produit. Le volume tampon pour le chauffage a été réduit de la zone de la strate 7-1 à la zone de la strate 7-4 (passant de 296 litres à 161 litres) 32

8 Adaptation 4 Adaptation 5 Adaptation 6 Disponibilité en ECS (%) Jan Fév Mars Avr Mai Juin Juill Août Sept Oct Nov Déc Figure 7 : Disponibilité moindre de l ECS en raison d une réduction du volume de production d ECS dans le réservoir tampon. La figure 6 montre l effet de l adaptation 1 sur le profil de température dans le réservoir tampon lors de deux journées types en hiver, chacune avec une période significative d ensoleillement. La partie supérieure de la figure 6 montre le système 1, tandis que la partie inférieure montre l installation après l adaptation. D une part, la température moyenne dans le réservoir a diminué, d autre part, la quantité de chaleur solaire stockée a augmenté, passant de 17 kwh à 15,4 kw, ce qui correspond à une augmentation de 10 %. Sur une base annuelle, la fraction solaire (c està-dire la part de chaleur solaire dans le besoin total en chauffage) a progressé de 45,2 % à 45,7 %. Même si l impact reste assez limité sur une base annuelle, cet exemple montre néanmoins l effet de l intervention pendant des journées froides avec peu d ensoleillement. L installation collecte davantage de chaleur solaire, ce qui se traduit par une augmentation du facteur de performance saisonnier de 4,3 à 4,8 et par une consommation en électricité réduite de 11 %. Ce gain ne résulte pas seulement de l amélioration de la fraction solaire, mais également d une réduction de 2 % des pertes à l arrêt et surtout d une amélioration du SPF de la pompe à chaleur, provenant des températures tampon, en moyenne plus basses. Rien que le facteur de performance saisonnier de la PAC est passé de 3,5 à 3,9. Cette mesure n a aucune incidence sur les prestations du chauffage ou sur le confort de l ECS procuré par le système. Régulation par courbe de chauffe Pour la troisième adaptation, on a remplacé le principe d une température de consigne fixe de 35 C pour l eau de chauffage, par une courbe de chauffe. Cette mesure a permis d aboutir à une diminution supplémentaire de la température moyenne du réservoir, et d améliorer le SPF de l installation dans son ensemble, qui est passé ainsi à 4,9. Les pertes à l arrêt du réservoir tampon ont été réduites de 4 % supplémentaires, et le SPF de la PAC est passé de 3,9 à 4,3. Volume et température de l ECS Les trois dernières adaptations concernent les paramètres de l ECS. Pour commencer, on a diminué la température de consigne (de 55 C à 50 C), ce qui entraîné une amélioration du facteur de performance saisonnier (5,4). En réduisant, pour les deux dernières adaptations, le volume de stockage de l ECS, on a fait passer le SPF du système à 5,56. À lui seul, le SPF de la pompe à chaleur est passé à 4,7, avec une fraction solaire de 48,7 %. De plus, les pertes à l arrêt sont à nouveau inférieures de 6% par rapport à la deuxième adaptation, incluant la solution du volume froid pour les capteurs solaires. S agissant de cette dernière intervention, il reste deux remarques à formuler. La température initiale de consigne (55 C) avait été sélectionnée pour éviter la bactérie legionella, malgré l absence de toute obligation réglementaire pour les logements d habitation. Une température de 50 C augmente donc le risque de développement de la bactérie. 34

9 Par ailleurs, le volume moindre de production d ECS signifie que la quantité d ECS disponible est un peu moins grande. C est surtout le cas en hiver pendant les journées peu ensoleillées (voir figure 7). Il faut donc être prudent avant d apporter cette modification, parce qu elle risque d avoir une incidence sur le confort de l ECS. L amélioration du rendement doit toujours être considérée en fonction du critère du confort, qui peut varier d une personne à l autre. Conclusion La simulation a clairement montré l importance significative du réservoir tampon sur le rendement général du système. Sans qu il soit nécessaire d agir sur les paramètres de base du système, par exemple, la puissance de la pompe à chaleur, la surface des panneaux solaires, ou le volume du réservoir tampon, il a néanmoins été possible de faire progresser le facteur saisonnier du système de 3,72 dans le cas de référence à 5,56 dans le cas du système optimalisé. Cela a été rendu possible par une adaptation du raccordement hydraulique et du réservoir tampon, plus précisément des zones à l intérieur du réservoir tampon, attribuées au chauffage et à l ECS, et par une modification du principe de régulation et de réglage de la température. Pour ce qui est de la conception du système et de l installation, il est important de toujours prévoir la présence d un volume froid dans le réservoir tampon, de manière à maximaliser le stockage de la chaleur provenant des capteurs solaires, pour la simple raison que le rendement des capteurs solaires est toujours beaucoup plus élevé que celui de la pompe à chaleur. De plus, il faut veiller à éviter le mélange des strates aux différentes températures. Par ailleurs, le stockage de chaleur à haute température doit être limité à un volume aussi réduit que possible, en veillant toutefois à ne pas compromettre le confort des utilisateurs. E r P ready 2015 E r P ready 2015 A la pointe de la technologie! Une gamme étendue de circulateurs à hauts rendements disponible. Pour plus d info, contactez votre grossiste ou Aubia sa tel mail : info@aubia.be INFO 85 36