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Types et performances des pompes à chaleur, état de la situation Wépion 12 juin 2008 M. Frère, E. Dumont Faculté Polytechnique de Mons Faculté Polytechnique de Mons Faculté Polytechnique de Mons Plan de l exposé Principes, fonctionnement, définitions. Les différents types de pompes à chaleur. Les performances. Les enjeux futurs. R&D et développements technologiques. Faculté Polytechnique de Mons 2 2 www.ef4.be 1

Principe énergétique S.C. Φ C T SC Source chaude : habitation, eau chaude sanitaire. PAC Φ F P Source froide : air extérieur, sol du jardin, eau de la nappe phréatique. S.F. T SF Faculté Polytechnique de Mons 3 3 Principe énergétique S.C. T SC Utilisation assistée d une source d énergie gratuite PAC Φ C P Coefficient de performance : COP= Φ C /P S.F. Φ F T SF COP IDEAL = T SC / (T SC - T SF ) Faculté Polytechnique de Mons 4 4 www.ef4.be 2

Principe énergétique! 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. Φ F CO 2 Φ C P Φ primaire PAC PEB: COP > 2.5 Φ pertes Faculté Polytechnique de Mons 5 5 Principe de fonctionnement P Compresseur vapeur vapeur Condenseur Φ C S.C. Φ F S.F. liquide Evaporateur HP = P cond BP = P évap Faculté Polytechnique de Mons 6 6 www.ef4.be 3

Principe de fonctionnement P Compresseur Source froide Φ C Φ F Condenseur Φ C Φ F Fluide caloporteur (distribution de chaleur) Vanne Evaporateur Fluide caloporteur (prélèvement de chaleur) Faculté Polytechnique de Mons 7 7 Principe de fonctionnement Les performances (flux de chaleur et COP) dépendent des pressions haute et basse et donc des températures de changement de phase. P P = f (T) P cond P évap T évap T cond T évap TSF TSC T cond T Faculté Polytechnique de Mons 8 8 www.ef4.be 4

Principe de fonctionnement P P = f (T) P cond P évap T évap T cond T évap TSF T cond T TSC Faculté Polytechnique de Mons 9 9 Calcul des performances 5 Courbes caractéristiques de fonctionnement d'une PAC COP (-) 4 3 COP T cond 35 C T cond 45 C 55 C 2 1-20 -15-10 -5 0 5 10 T évap ( C) Faculté Polytechnique de Mons 10 10 www.ef4.be 5

Calcul des performances Courbes caractéristiques de fonctionnement d'une PAC 5 COP (-) 4 3 COP 35 C T cond 45 C 55 C 2 1 T évap -20-15 -10-5 0 5 10 T évap ( C) Faculté Polytechnique de Mons 11 11 Calcul des performances Courbes caractéristiques de fonctionnement d'une PAC Flux chaud (kw) 11 10 9 8 7 Φ C T cond T cond 25 C 35 C 45 C 55 C 65 C 6 5-20 -15-10 -5 0 5 10 T évap ( C) Faculté Polytechnique de Mons 12 12 www.ef4.be 6

Calcul des performances Courbes caractéristiques de fonctionnement d'une PAC Flux chaud (kw) 11 10 9 8 7 Φ C T cond 25 C 35 C 45 C 55 C 65 C 6 5 T évap -20-15 -10-5 0 5 10 T évap ( C) Faculté Polytechnique de Mons 13 13 Les performances Les performances (flux de chaleur et COP) des pompes à chaleur seront d autant plus élevés que la température d évaporation sera élevée et que la température de condensation sera basse. Ces températures dépendent elles-mêmes des températures des sources via les performances des échangeurs de chaleur. Il faut donc une source chaude à faible température et une source froide à haute température. Les T aux échangeurs doivent être les plus faibles possibles. Faculté Polytechnique de Mons 14 14 www.ef4.be 7

Les performances Les performances (flux de chaleur et COP) sont essentiellement variables au cours du temps en fonction des températures des sources: COP saisonnier (SPF): différent du COP «instantané» Difficulté du dimensionnement Importance des autres éléments Faculté Polytechnique de Mons 15 15 Les différentes configurations possibles de pompe à chaleur: utilisation du sol Echangeur vertical Echangeur horizontal Faculté Polytechnique de Mons 16 16 www.ef4.be 8

Les différentes configurations possibles de pompe à chaleur: utilisation du sol Fluide secondaire Recharge estivale Nécessité de connaître les caractéristiques du sol Recharge naturelle possible (aquifère) Utilisation directe de l aquifère Faculté Polytechnique de Mons 17 17 Les différentes configurations possibles de pompe à chaleur: utilisation du sol Fluide secondaire ou fluide frigorigène Surface disponible Recharge naturelle Faculté Polytechnique de Mons 18 18 www.ef4.be 9

Les différentes configurations possibles de pompe à chaleur: utilisation du sol Le sol autour de l habitation Sa température dépend : - de la profondeur à laquelle on puise la chaleur - de la présence au non d une pompe à chaleur Cette température est relativement stable. Il y a une lente diminution de la température en automne et une lente remontée au printemps. Il n y a quasi pas de variation journalière. Le sol est une source «statique» : il n y a pas de renouvellement du sol autour du capteur de chaleur. Faculté Polytechnique de Mons 19 19 Les différentes configurations possibles de pompe à chaleur: utilisation de l air L air extérieur Sa température est peu stable. Il y a de fortes variations journalières (jour/nuit) et saisonnières (été/hiver) L air est une source «dynamique» : il y a renouvellement de l air autour du capteur de chaleur. Influence de l humidité de l air : elle peut former du givre sur le capteur de chaleur et influencer l efficacité de cet échangeur. Faculté Polytechnique de Mons 20 20 www.ef4.be 10

Les différentes configurations possibles de pompe à chaleur: utilisation de l air Captage de la chaleur dans l air extérieur Le captage de chaleur peut se faire : - par évaporation directe - par transfert de chaleur via un fluide caloporteur (eau glycolée) Ce captage peut se faire : - soit par air pulsé (avec un ventilateur) - soit par air «statique» (sans ventilateur) Faculté Polytechnique de Mons 21 21 Les différentes configurations possibles de pompe à chaleur Les pompes à chaleur (PAC) sont classés selon la source froide et la source chaude qu elles utilisent, éventuellement en précisant le type d échangeur de chaleur Exemples : - PAC sol-sol - PAC sol-eau - PAC air pulsé-air - PAC air pulsé-eau - PAC air statique-eau - PAC eau-eau - PAC sol-ecs - PAC air-ecs Faculté Polytechnique de Mons 22 22 www.ef4.be 11

Les performances Etude menée en Belgique (1999-2008): une quinzaine d installations: SPF entre 2,4 et 4,1: peu de différenciation entre les performances des pompes à chaleur de différents types Tendance générale: SPF=3 Augmentation progressive au cours du temps Importance de la qualité de l installation et de l intégration Etude menée en Suisse: 250 installations: Air-eau: 2,6 Eau glycolée-eau: 3,4 Grandes différences entre les performances des pompes à chaleur d un même type Etude menée en Suède: SPF=2.5-3.5(sol),2.0-3.0(airextérieur),2.5-3.5(air extrait) Faculté Polytechnique de Mons 23 23 Les enjeux Augmentation des performances Problématique des fluides utilisés: CO 2 Hydrocarbures Ammoniac Intégration dans les bâtiments passifs et très basse énergie Production de chaleur à haute température (intégration dans l habitat existant) Autonomie énergétique Coûts Faculté Polytechnique de Mons 24 24 www.ef4.be 12

Développements technologiques: compresseurs à vitesse variable (augmentation des performances) Faculté Polytechnique de Mons 25 Développements technologiques: compresseurs à vitesse variable (augmentation des performances) Faculté Polytechnique de Mons 26 www.ef4.be 13

Développements technologiques: utilisation du CO 2 (production de chaleur à haute température, problématique des fluides) Cycle transcritique au CO 2 Faculté Polytechnique de Mons 31 Développements technologiques: utilisation du CO 2 (production de chaleur à haute température, problématique des fluides) Faculté Polytechnique de Mons 32 www.ef4.be 16

Développements technologiques: utilisation du CO 2 (production de chaleur à haute température, problématique des fluides) Faculté Polytechnique de Mons 33 Développements technologiques: augmentation des coefficients de transfert de chaleur dans les échangeurs (augmentation des performances) Faculté Polytechnique de Mons 34 34 www.ef4.be 17

Développements technologiques: amélioration des techniques de mesure des coefficients de transfert de chaleur dans le sol (diminution des coûts) Faculté Polytechnique de Mons 35 35 Développements technologiques: Pompes à chaleur pour les bâtiments passifs Faculté Polytechnique de Mons 36 36 www.ef4.be 18

Conclusions Technologie connue mais nécessitant un personnel qualifié pour le dimensionnement et l installation. Impact potentiellement très positif sur la consommation d énergie primaire dans les bâtiments (et sur les rejets de CO 2 ). Nombreux développements technologiques en cours. Faculté Polytechnique de Mons 37 37 www.ef4.be 19