Les caractéristiques des pompes à chaleur et du solaire thermique DOLE 21 Novembre 2008
La pompe à chaleur
La Pompe à chaleur Géothermique La PAC géothermique s appuie sur une EnR. Son coefficient de performance: 1 kwh électrique investi pour 2 à 5 kwh thermique restitués Système respectueux de l environnement par rapport à: L effet de serre (6 fois moins de rejet de CO 2 qu une chaudière standard) Aux polluants liés aux combustibles fossiles 3
La Pompe à chaleur Géothermique La performance des PAC est affectée par un large nombre de facteurs: Le climat et le niveau de confort souhaité Les températures de la source de chaleur et du système de distribution La consommation d énergie des auxiliaires Les standards techniques de la PAC Le dimensionnement de la PAC Le système de contrôle et de pilotage de la PAC 4
La Pompe à chaleur Géothermique Quatre grandes familles de pompes à chaleur (PAC) géothermiques sont distinguées : les PAC sur capteurs enterrés verticaux, les PAC sur capteurs enterrés horizontaux, les PAC sur eau de nappe, Les PAC sur eau de surface (rivières, étangs,...). 5
La Pompe à chaleur sur capteurs horizontaux Le capteur, parcouru par de l eau ou un fluide frigorigène, prélève l énergie naturelle contenue dans le sol et renouvelée en permanence par le soleil et la pluie. Les tubes sont enterrés entre 60 cm et 1,2 m et récupèrent environ 15 W/ml de tube soit 40 W/m² de terrain 6
La Pompe à chaleur sur capteur vertical Le capteur, parcouru par un liquide antigel, prélève l énergie naturelle contenue dans le sous sol. Les tubes sont enterrés dans des puits verticaux (sonde) pouvant atteindre 100 m de profondeur. Il n y a pas de prélèvement d eau, ce qui limite les puissance de pompage Cimentation Coupe AA Départ eau vers sonde Retour eau Diamètre 132 à 165mm En respectant une limite de: 50 W/mètre linéaire de sonde verticale 7
LA PAC GEOTHERMIQUE Le forage 8
Coûts d investissement : LA PAC GEOTHERMIQUE Quelques éléments de coûts PAC eau/eau sur capteur horizontal 90 à 120 TTC/m2 de surface chauffée PAC eau/eau sur capteur vertical 120 à 150 TTC/m2 de surface chauffée (forage compris) Le coût du forage et pose capteur peut atteindre 40% du coût total PAC eau/eau sur nappe phréatique Légèrement plus faible que la PAC sur capteur vertical 9
Coûts d exploitation : LA PAC GEOTHERMIQUE Quelques éléments de coûts PAC eau/eau sur capteur ou sur nappe 2.4 à 4 TTC/m2 de surface chauffée (Pour info, en système air/eau : 2.3 à 4.6 ) Il ne faudra jamais sous estimer la maintenance!! Concernant les bureaux, le dimensionnement sera effectué sur le rafraîchissement. Sont compris dans les coûts d exploitation : - consommation PACs - consommation régulation - consommation circulateurs - consommation pompes de relevage (La consommation des appoints doit être ajoutée) Ces consommations peuvent atteindre 30% de conso globale! 10
La Pompe à chaleur Géothermique EXEMPLE EISCAE d Etueffont bâtiment de 700 m², construction traditionnelle en béton avec isolation intérieure Chauffage et rafraîchissement par ventilo-convecteurs + plancher chauffant + CTA 2 Pompes à chaleur : Puissance calorifique : 63 kw Puissance frigorifique : 46 kw Puissance absorbée : 16 kw COP : 3,8 10 sondes verticales de 150 m en polyéthylène de 3 pouces Ballon tampon de 500 litres 11
La Pompe à chaleur Géothermique EXEMPLE EISCAE d Etueffont 2 Pompes à chaleur + Ballon tampon 12
La Pompe à chaleur Géothermique EXEMPLE Répartitions des consommations en kwh 12000 10000 8000 6000 4000 autres usages conso PAC 2000 0 nov- 04 déc- 04 janv- 05 févr- 05 ma rs-05 avr- 05 mai- 05 juin- 05 juil- 05 aout- 05 sept- 05 oct- 05 13
La Pompe à chaleur Géothermique Comparatif des solutions énergétiques Coûts d'investissements coûts de fonctionnement Fuel Fuel gaz propane ELEC PACs 0 20000 40000 60000 80000 100000 gaz propane ELEC PACs 0 2000 4000 6000 8000 10000 Production EN TONNES de CO2 Fuel gaz propane ELEC PACs 0 5 10 15 20 25 30 14
La Pompe à chaleur Géothermique Comparatif des solutions énergétiques avec rafraîchissement Coûts de fonctionnement Coûts d'investissements Fuel Fuel gaz propane gaz propane PACs PACs 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 0 50000 100000 150000 Production EN TONNES de CO2 Fuel gaz propane PACs 0 5 10 15 20 25 30 35 15
La Pompe à chaleur Géothermique EXEMPLE BLENOVISTA Bâtiment tertiaire de 1750 m² destiné à accueillir des entreprises (80 pièces sur deux niveaux) Situé à l entrée Nord de Blénod les Pont à Mousson Besoins en puissance Chauffage : 141 kw Rafraîchissement : 183 kw Matériel installé 2 PAC réversibles Captage par 25 sondes profondes de 100m 16
La Pompe à chaleur Géothermique EXEMPLE Consommations réelles 17
Le solaire thermique
Le rayonnement solaire 19
Le potentiel énergétique 20
Cartographie du potentiel énergétique 21
Le solaire thermique Le potentiel énergétique en France Le rayonnement apporte une énergie de l ordre de 1100 à 1900 kwh/m².an! UTILISATION PRINCIPALE : CAPTEURS VITRÉS POUR L ECS - Rendement du système 40% soit 500 kwh/m².an - 1 m 3 /jour d ECS de 10 à 50 C 17000 kwh/an - Taux de couverture visé 50 % soit 15 m²/m 3 - Rejet de CO 2 évité 20 à 150 kg/m².an selon énergie 22
Le solaire thermique 3 types de capteurs existent Les capteurs sans vitrage ou «moquette» solaire Capteurs «classiques» vitrés avec circulation de fluide Les capteurs sous vide 23 23 jour mois année Direction marketing
Le solaire thermique Installation centralisée : production et stockage Commande de la pompe primaire par interrupteur crépusculaire Échangeur extérieur à plaques (forte puissance) ou échangeur interne à serpentin dans le ballon solaire (une seule pompe). Capteur vitré échangeur Eau froide Ballon «solaire» Volume du ballon solaire = 50 à 75% du besoin ECS quotidien Ballon «appoint» mitigeur Commande de la charge du ballon solaire sur écart de température ballon/capteur (enclenchement : 7 K, arrêt : 4 K) Volume de l appoint = 100% du besoin ECS quotidien a minima Distribution ECS Besoins importants en ECS : résidentiel collectif, sport, santé, camping, hôtellerie, restauration, prisons, internat, 24
Le solaire thermique: GRS résultats des calculs conduisant au dimensionnement de l installation et à la GRS sont les suivants : Besoins en kwh/mois Jan Fév Mars Avril Mai Juin Juil Août Sept Oct Nov Dé Apports solaires mensuels en kwh/mois Jan Fév Mars Avril Mai Juin Juil Août Sept Oct Nov Dé Taux de couverture solaire par mois (%) Jan Fév Mars Avril Mai Juin Juil Août Sept Oct Nov Dé Besoins : kwh Apports solaires: kwh Pour l année : kwh Soit un taux de couverture annuel de.. %, et une productivité annuelle de. kwh/m 2 de capteurs. La production d énergie solaire annuelle (PES) devra être au minimum de.. kwh. La production d énergie solaire annuelle garantie sera de : 25
Solaire thermique: les points à retenir Bien adapté aux consommations régulières d ECS : Résidentiel collectif, santé, HPA RPA, hôtellerie, Le taux de couverture solaire : 30 à 60% des besoins annuelsselon les régions et la régularité des besoins. Aides à l investissement : 50 à 80% dans le secteur des collectivités territoriales 30% dans le secteur Entreprises Le dimensionnement : Entre 10 et 20 m² de capteur par m 3 d ECS journalier selon la région. Ballon solaire dimensionné entre 50 à 75% des besoins journalier en ECS Le coût d investissement : 500 à 1000 par m² de capteur installé 5000 pour un CESI de 300 litres et 4 m² de capteurs installés Le temps de retour : 5 à 15 ans selon les aides et la régularité des besoins 26 24 février 2007 Direction marketing
La Pompe à chaleur Hybride
La pompe à chaleur hybride Schéma de principe Apports gratuits même à basse température d air 50 m² moquette solaire Fonctionnement semiinstantané => stockage réduit 2 à 3 m 3 pour 1 module Apports gratuits même sans rayonnement solaire ECS 3 à 5 m 3 d ECS à 55 C par jour pour 1 module Capteur atmosphérique Solaire direct permet la désurchauffe du capteur Fonctionnement PAC toutes plages horaires 12 kw thermiques solaire direct : 500 litres à 1 m 3 échangeur PAC Eau froide Ballon «solaire» Ballon stockage Retour de boucle Appoint électrique Plusieurs circuits de charge selon la température dans les ballons Appoint de nuit nécessaire en hiver 12 kw par module Réchauffage intégré de la boucle de distribution 28
La pompe à chaleur hybride 29
La pompe à chaleur hybride Capteur atmosphérique(*) (*) Également appelé moquette solaire ou capteur simplifié 30
La pompe à chaleur hybride Pompe à chaleur Solairpac 31
La pompe à chaleur hybride Coût d investissement - 1 module : 50 k HT installé, soit 10 k /m 3 (30 % PAC, 10 % capteur, 15 % stockage et appoint, 45 % installation) - Modules supplémentaires : 20 k HT Soit 5,5 k /m 3 d ECS pour une installation de 20 m 3 /jour - Aide ADEME au cas par cas 32
La pompe à chaleur hybride Bilan énergétique : Fraction solaire = 60% - Consommation électrique de la PAC = 33% - Consommation de l appoint = 7% - Solaire direct = 5% - Apport du capteur à la PAC = 55% Coût de l énergie : Consommation énergétique de 28 kwh par m 3 produit et distribué, soit 1,54 /m 3 Rappel : 73 kwh / m 3 en effet Joule = 3,28 et 90 kwh en gaz = 2,63 33
Exemple de réalisation Système HELIOPAC (Hôtel Climat de France de Villepinte -93) 44 chambres 2 * + restaurant 50 m² de capteurs simplifiés 1 pompe à chaleur soit 12 kw thermiques 2 750 litres de stockage Appoint électrique de 15 kw BTA longues utilisations Résultats mesures Besoins ECS : 34 486 kwh (dont 34% de bouclage) Apport solaire direct : 210 kwh Bilan économique Investissement 38 100 TTC (hors aides) Subventions 70 % (ADEME, NOVELEC, EDF) Coût d exploitation 892 HT /an soit 1,45 /m 3 Temps de retour 4 ans (sur accumulation, BTA LU) Apport PAC : 33 068 kwh (consommation électrique 9 957 kwh) Appoint électrique : 5 655 kwh 34
Exemple de réalisation Système HELIOPAC (Hôtel Climat de France de Villepinte -93) Bilan environnemental Gain annuel en CO² = 1525 kg / an Taux de couverture par les ENR : 60 % Ratio de production global 15% 26% 60% 59% 0% Elec PAC Elec appoint E échangeur E PAC 35
RECAPITULATIF SYSTEMES ECS COLLECTIFS Coût investissement hors aides Coût de l énergie Volume stockage sur besoin rejet CO2 Aides GAZ 3 k par m 3 2,63 / m 3 0,3 17 kg/m 3 / ELEC jaune MU 2,5 k par m 3 3,28 / m 3 1 3 kg/m 3 / SOLAIRE THERMIQUE 13 k par m 3 1,64 / m 3 1,75 1,5 kg/m 3 30% à 80 % PAC HYBRIDE 7 k par m 3 1,54 / m 3 0,75 1,2 kg/m 3 Jusqu à 50 % 36