FORMATION BÂTIMENT DURABLE

FORMATION BÂTIMENT DURABLE POMPE À CHALEUR : CONCEPTION AUTOMNE 2017 Principe de fonctionnement et réversibilité de la pompe à chaleur François RANDAXHE

2 OBJECTIFS DE LA PRÉSENTATION N N N Rappel des principes fondamentaux Présentation des différentes technologies (types de pompe à chaleur, source chaude, source froide, réversibilité et simultanéité ) Définir le rôle et l influence de la régulation sur la performance des pompes à chaleur

3 TABLE DES MATIÈRES PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT PRÉSENTATION DES TECHNOLOGIES N Types N PAC à compression: moteur électrique N PAC à compression: moteur gaz N PAC à absorption N Sources froides N PAC aérothermique N PAC géothermique N Sources chaudes RÉGULATION RÉVERSIBILITÉ ET SIMULTANÉITÉ

4 INTRODUCTION Il y a de la chaleur dans l air, l eau et le sol. N Il est possible de récupérer cette énergie «inépuisable» et de s en servir pour le chauffage et la production d eau chaude sanitaire grâce aux pompes à chaleur. N La conception d une installation intégrant une pompe à chaleur diffère des installations «traditionnelles» de la phase de sélection jusqu à son fonctionnement. N La mise en œuvre de la pompe du système complet (capteur, pompe à chaleur, émetteur de chaleur) a également une influence majeure sur sa performance.

5 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT Principe de fonctionnement d une pompe à chaleur : N Soutire de la chaleur d une «source froide» (sol, air extérieur ), N Augmente son niveau de température, N Restitue cette chaleur à une température plus élevée. Vapeur basse pression COMPRESSEUR Vapeur haute pression Source froide ÉVAPORATEUR CONDENSEUR Installation de chauffage Liquide basse pression DÉTENDEUR Liquide haute pression

6 DIAGRAMME DE MOLLIER Cycle thermodynamique idéal du fluide qui circule dans la pompe à chaleur Pression [bar] Liquide haute pression P 2 3 DÉTENDEUR CONDENSEUR 2 Vapeur haute pression COMPRESSEUR P 1 4 1 Liquide basse pression ÉVAPORATEUR Vapeur basse pression h 3 h 1 h 2 Enthalpie [kj/kg]

7 EFFICACITÉ THÉORIQUE DU SYSTÈME THERMODYNAMIQUE Définition du coefficient de performance COP: COP = Energie transmise à la source chaude Energie mécanique dépensée COP = Q évaporateur W compresseur Coefficient de performance théorique/idéal (cycle de Carnot): COP idéal = T source chaude +273.15 (T source chaude +273.15) (T source froide +273.15) Dans la pratique : N COP réel est affecté d un coefficient de 0,4 à 0,7

8 INFLUENCE DES TEMPÉRATURES DE SOURCES Le COP sera d autant plus élevé que l écart de température entre la source et le milieu à chauffer sera faible. N Exemple : T source chaude =35 C et T source froide =0 C COP idéal = 308.15 308.15 273.15 = 8.8 T source chaude =35 C et T source froide =10 C COP idéal = 308.15 308.15 283.15 = 12.3 T source chaude =45 C et T source froide =0 C COP idéal = 318.15 318.15 273.15 = 7.1

COP à pleine charge [-] FONCTIONNEMENT TECHNOLOGIES RÉGULATION RÉVERSIBILITÉ 9 INFLUENCE DES TEMPÉRATURES DE SOURCES 8.5 Température de condensation : 30 C 8.0 Température de condensation : 35 C 7.5 Température de condensation : 40 C 7.0 Température de condensation : 45 C 6.5 Température de condensation : 50 C 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 25 Température d'évaporation [ C]

10 TABLE DES MATIÈRES PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT PRÉSENTATION DES TECHNOLOGIES N Types N PAC à compression: moteur électrique N PAC à compression: moteur gaz N PAC à absorption N Sources froides N PAC aérothermique N PAC géothermique N Sources chaudes RÉGULATION RÉVERSIBILITÉ ET SIMULTANÉITÉ

11 PAC À COMPRESSION : MOTEUR ÉLECTRIQUE Compresseur à moteur électrique : N Compresseur Scroll / Compresseur à pistons / Compresseur à vis Petites puissances: Scroll (15-300 kw) sont les plus utilisés. N Variation électronique de vitesse amélioration les performances Modulation de puissance : entre 20 et 120 % de la valeur nominale Economie pouvant aller jusqu à 30 %

12 PAC À COMPRESSION : MOTEUR GAZ Principale différence par rapport la PAC électrique classique : N Compresseur entrainé par un moteur à combustion par l intermédiaire d un arbre de transmission. N Possibilité de récupérer de la chaleur sur les gaz d échappement et sur l eau de refroidissement du moteur Gaz naturel MOTEUR À GAZ Chaleur utile Vapeur basse pression Transmission COMPRESSEUR Vapeur haute pression Source froide ÉVAPORATEUR CONDENSEUR Installation de chauffage Liquide basse pression DÉTENDEUR Liquide haute pression

13 PAC À ABSORPTION COMPRESSION THERMOCHIMIQUE Solution de 2 fluides POMPE Solution de 2 fluides Chaleur utile ABSORBEUR absorbant basse pression DÉTENDEUR absorbant haute pression DÉSORBEUR Source de chaleur Source froide Vapeur basse pression ÉVAPORATEUR Vapeur haute pression CONDENSEUR Installation de chauffage Liquide basse pression DÉTENDEUR Liquide haute pression

14 PAC À ABSORPTION Principale différence par rapport la PAC électrique classique : N L énergie apportée au système sous forme de chaleur Principe: N Basé sur l affinité d un fluide frigorigène pour un autre liquide (l ammoniac et l eau). N La production de chaleur est assurée par: la condensation du fluide frigorigène (ammoniac), la réaction d'absorption entre le fluide et un absorbant (eau), la récupération de chaleur latente dans les fumées (si bruleur gaz). Avantages: N Système relativement sûr et solide (maintenance limitée). N Absence de moteur durabilité élevée (c est-à-dire plus de 20 ans) N COP saisonnier de 130% pour des régime de température élevé (60 C) Inconvénients: N Encombrement N Coût d investissement N Complexité

15 PAC À ABSORPTION Ventilateur (avec moteur basse consommation) Rectificateur Evaporateur Générateur Entrée air brûleur Ventilateur + brûleur Coffret électrique Plaques signalétiques Réservoir intermédiaire de fluide frigorigène Condenseur/Absorbeur Moteur de la pompe de solution Chambre de combustion Pompe à huile Siphon Pompe de solution Alimentation gaz Départ/retour chauffage

16 SOURCES FROIDES SOURCE FROIDE TYPE DE PAC Air extérieur CAPTAGE Air intérieur AIR air / eau PAC mixte - air / air PAC à détente directe CAPTAGE SOURCE FROIDE TYPE DE PAC Capteurs enterrés horizontaux Capteurs enterrés verticaux PAC sur nappe phréatique SOL sol / sol PAC à détente directe - - sol / eau PAC mixte - - eau glycolée / eau PAC à fluides intermédiaires - EAU - - PAC à fluides intermédiaires

17 SOURCES FROIDES: PAC AÉROTHERMIQUES Simple à mettre en œuvre : N Aucun capteur à installer N Sans autorisation spéciale Source froide : N Air ambiant N Air extérieur Performance: N Température de l air varie beaucoup au cours de l année Performances de la PAC varient aussi largement Température mensuelles moyennes, Uccle Valeurs extrêmes 1981-2014 Normale 1981-2010 2015

18 SOURCES FROIDES: PAC AÉROTHERMIQUES N Monosplit et Multi-split: Détente directe sans fluide intermédiaire N Système à débit de réfrigérant variable (VRF): Sans récupération de chaleur Avec récupération de chaleur (3 ou 4 tubes) N Ballon thermodynamique pour la production d ECS N Pompe à chaleur sur air extrait de ventilation: Préchauffage de l air pulsé Chauffage d ECS Déshumidification de l air (cas particulier des piscines)

19 SOURCES FROIDES: PAC GÉOTHERMIQUES Elles puisent la chaleur dans le sol ou l eau d une nappe par l intermédiaire d un réseau de capteurs ou de forages. Capteurs horizontaux: N Enterrées à faible profondeur (0,6m à 1,2m) Capteurs verticaux (ouverts/fermés): N Quasi indépendant de la température extérieure N Nécessite de réaliser des forages Corbeilles géothermiques: N Système alternatif

20 SOURCES FROIDES: PAC GÉOTHERMIQUES PAC sur nappe phréatique: N Chaleur contenue dans l eau de nappes aquifères captée par forage. N Nécessitent 1 ou 2 forages: Forages soumis à des réglementations régionales. N Débit d eau puisé dans la nappe doit être suffisant et stable dans le temps N Systèmes à un seul forage: Eau de nappe prélevée est rejetée dans une rivière, un réseau d eaux pluviales N Système à deux forages: 2 ème forage sert à réinjecter l eau utilisée dans la nappe. Evite le gaspillage de l eau souterraine.

21 SOURCES FROIDES: EAUX DE SURFACES Sur rivière, canal, lac? N Prendre en compte: Débit prélevé par la PAC. Débit d étiage du cours d eau. Réglementations régionales. Entretien/maintenance: nettoyage des filtres, algues dans les échangeurs N Exemple : ReibelHouse Deux pompes à chaleur qui fonctionnent avec l eau du canal assurent le chauffage et le refroidissement des bureaux.

22 SOURCES FROIDES: EAUX USÉES ET CHALEUR FATALE Riothermie = récupération de la chaleur contenue dans l eau des égouts N Température située entre 10 et 15 C N 2 possibilités de captation de chaleur : Echangeur intégré dans les canalisations d égouttage Echangeur à plaque avec eau pompée et filtrée N Perte de rendement non négligeable si les conduites récoltent également les eaux de pluie (chute de la température durant les précipitations) Récupération de chaleur fatale N Recours à des PAC n est pas toujours nécessaire: Intéressant pour des réseau de chaleur très basse température à sources multiples

23 SOURCES CHAUDES La température de la source chaude est définie par la température requise par le système d émission. Les équipements diffèrent aussi en fonction de la température de l eau fournie au réseau de chauffage : N PAC basse et moyenne température fournissent une eau à température comprise entre 35 et 45 C. Elles conviennent pour des installations à faibles besoins de chauffage, sont très performantes et économes en énergie ; N PAC haute température (PAC HT) fournissent de l eau à plus de 55 C et leur consommation d énergie est plus élevée.

24 SOURCES CHAUDES: RADIATEURS En rénovation: N Puissance délivrée par le système d émission décroit proportionnellement à la température moyenne de l eau dans l émetteur: P régime 2 = (Δt moy,régime 2 / Δt moy,régime 1 ) 1,3 x P régime 1 OK si faible besoins en chaleur N En cas de rénovation, après isolation de l enveloppe, les radiateurs sont souvent suffisamment surdimensionnés En neuf: N Radiateurs: «Surdimensionnement» pour fonctionner en régime basse température Attention : Encombrement possible

25 PAROIS CHAUFFANTES Parois chauffantes N Différents types caractérisés principalement par leur inertie: Faible : mise en œuvre et régulation facile (en rénovation également) Moyenne : système traditionnel noyé dans le béton Haute : dalle active avec activation du noyau de béton (TABS / BKA) TABS Plancher chauffant

26 POUTRES CHAUDES/FROIDES ET VENTILO-CONVECTEURS Ventilo-convecteurs: N 2 Types: ventilo-convecteurs à eau ventilo-convecteurs à détente directe (split ou VRF) N Puissance renforcée à basse température N Régulation électronique des ventilateurs N Faible puissance électrique des ventilateurs Poutres climatiques (chaudes/froides): N Un partie du chaud/froid est apporté par l air neuf N Le complément par un échangeur traversé par une circulation d air du local induite par la pulsion de l air neuf

27 TABLE DES MATIÈRES PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT PRÉSENTATION DES TECHNOLOGIES N Types N PAC à compression: moteur électrique N PAC à compression: moteur gaz N PAC à absorption N Sources froides N PAC aérothermique N PAC géothermique N Sources chaudes RÉGULATION RÉVERSIBILITÉ ET SIMULTANÉITÉ

28 PRINCIPE DE MONOVALENCE ET DE BIVALENCE Fonctionnement monovalent: N La PAC est l'unique producteur de chaleur N La PAC couvre tous les besoins en énergie de chauffage du bâtiment Fonctionnement bivalent: N En plus de la PAC, un producteur de chaleur supplémentaire est à disposition (chaudière, résistance électrique ) N Bivalent-parallèle: T ext < T bivalence 2 producteurs travaillent parallèlement Si point de bivalence situé à 50 % de la puissance de dimensionnement, 80 à 90 % du besoin annuel de chaleur peut être couvert par la PAC N Bivalent-alternatif = T ext < T bivalence basculement entre les 2 producteurs

Temp. Ext. ( C) Chaudière Temp. Ext. ( C) FONCTIONNEMENT TECHNOLOGIES RÉGULATION RÉVERSIBILITÉ 29 PRINCIPE DE MONOVALENCE ET DE BIVALENCE Température de dimensionnement Pompe à chaleur Température de bivalence Limite de chauffage Puissance de base Jours Température de dimensionnement Chaudière Pompe à chaleur Température de bivalence Limite de chauffage Puissance de base Jours

30 INFLUENCE DE LA RÉGULATION Température optimale de la source: N Les performances annuelles sont optimisées si la température de la source chaude est abaissée lorsque les conditions climatiques le permettent. Influence du choix de régulation sur le dimensionnement et inversément: N Puissance nominale est influencée par le type de régulation: Fonctionnement sur horaire d occupation: puissance de relance à inclure. Surdimensionnement nécessaire de la(des) pompe(s) à chaleur mais également des émetteurs, des auxiliaires voir même de la source froide (surface d échangeur géothermique plus importante par exemple). Fonctionnement 24h/24: puissance nominale plus faible. Surdimensionnement non nécessaire mais possible augmentation des déperditions de chaleur et perte de réactivité.

31 INFLUENCE DE LA RÉGULATION N Régulation optimale fonction du type de système: configuration choisie source froide + pompe à chaleur + source chaude. N Influence de la régulation des auxiliaires sur la performance globale annuelle de l installation Emetteurs Pompe à chaleur COP 1 COP 2 COP3 COP 4 Source froide

32 INFLUENCE DE LA RÉGULATION Exemple: résultat d un campagne de mesure sur 2 bâtiments équipés de: N Echangeur géothermiques verticales N Pompe à chaleur eau/eau N Dalles actives avec activation du noyau de béton Bâtiment 2 : influence très importante des auxiliaires en mode chauffage Importance de suivi (monitoring) Unité Bâtiment 1 Bâtiment 2 SCOP 1 [-] 5.15 3.56 SCOP 2 [-] 4.71 1.96 SCOP 3 [-] - 1.59 SCOP 4 [-] 4.38 1.23

33 TABLE DES MATIÈRES PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT PRÉSENTATION DES TECHNOLOGIES N Types N PAC à compression: moteur électrique N PAC à compression: moteur gaz N PAC à absorption N Sources froides N PAC aérothermique N PAC géothermique N Sources chaudes RÉGULATION RÉVERSIBILITÉ ET SIMULTANÉITÉ

34 RÉVERSIBILITÉ Réversibilité: N PAC peut fonctionner: En chauffage En refroidissement/rafraichissement N Utilisation d une vanne 4 voies (vanne d inversion de cycle)

35 SIMULTANÉITÉ Possibilité de récupération de chaleur lorsqu une installation est en demande simultanée de chauffage et de refroidissement: N Exemple local informatique et bureau Deux condenseur sont nécessaires Deux condenseurs Chaleur excédentaire

36 RÉVERSIBILITÉ ET SIMULTANÉITÉ Possibilité de trouver de PAC permettant à la fois la simultanéité et la réversibilité: N Mode refroidissement principal / chauffage secondaire N Mode chauffage principal / refroidissement secondaire N Mode chauffage et refroidissement principal

37 CE QU IL FAUT RETENIR DE L EXPOSÉ N Performances d une PAC varient fortement en fonction des choix posés en matière de Type de PAC Dimensionnement de la PAC, de la source chaude et de la source froide Régulation du système Régimes de température nominaux et instantanés Bien définir les besoins et les possibilités d un projet avant de sélectionner son système

38 OUTILS Guide bâtiment durable N Thème Energie Dossier I Garantir l'efficience des installations de chauffage et ECS (distribution et émission) Dossier I Optimiser la production et le stockage pour le chauffage et l'eau chaude sanitaire Dossier I Choisir les meilleurs modes de production de refroidissement renouvelable

39?

40 CONTACT François RANDAXHE Ingénieur projet écorce sa + 32 4 226 91 60 info@ecorce.be MERCI POUR VOTRE ATTENTION