POMPES À CHALEUR
Install Magazine 955 – novembre 2018

Quelles sont les sources de chaleur optimales pour les pompes à chaleur ?

Combinaison de géothermie et de solaire thermique

Toujours plus de bâtiments sont équipés de pompes à chaleur (PAC). Ces dernières années, les appareils air–eau sont en tête des ventes, mais d’autres solutions existent pour utiliser l’air comme source de chaleur (géothermie, eau souterraine, air de ventilation, solaire thermique). Mais en l’absence de concepts validés et d’outils de conception/analyse, définir la solution optimale est un défi, vu la diversité des sources de chaleur et des systèmes. Deux groupes de chercheurs apportent leur contribution pour optimiser la mise en concordance.

La solution des capteurs dans le sol étant peu utilisée par manque de place, un groupe de recherche de l’ISFH (Emmerthal, Allemagne) se propose de réduire la surface requise, via régénération du collecteur par capteurs solaires thermiques. Pour affiner l’analyse du concept, les chercheurs ont développé, avec la BWP (fédération allemande des PAC) et la firme Tewag une modélisation des capteurs dans le sol. Ce modèle de simulation numérique a été validé avec un montage expérimental. Les données ont servi à déterminer les paramètres d’un dimensionnement optimal pour ce genre de système hybride, afin d’éviter l’épuisement thermique du sol.

Dans un autre projet, les chercheurs de l’Institut für Gebaüde- und Solartechnik (Braunschweig, Allemagne) se proposent de contribuer à la conception des installations en dressant une liste des critères objectifs de décision. Pour cela, ils ont développé un outil de calcul Excel, qui permet de déterminer et évaluer les sources de chaleur et systèmes les plus adéquats sur base des récentes données du marché et paramètres d’installation empiriques. On peut alors établir une comparaison avec différents types de bâtiment ou d’utilisateurs sur base de facteurs énergétiques ou économiques. Les calculs ont été validés avec les données de mesure provenant d’installations réelles et par simulations.

Déjà à un mètre de profondeur, les différences de température saisonnières sont moindres par rapport à l’air extérieur. En comparaison avec les capteurs à la verticale, les capteurs à l’horizontale sont faciles à installer. De plus, les critères sont moindres pour l’obtention du permis. Et le fonctionnement est moins tributaire des propriétés géologiques du sol.

Capteurs solaires thermiques en complément des capteurs dans le sol

La surface requise pour un collecteur dans le sol étant souvent un problème, l’équipe ISFH a fait l’hypothèse que la surface pourrait être réduite par mise en oeuvre de capteurs solaires thermiques, limitant ainsi le risque inhérent au gel avec le chauffage électrique d’appoint.

Simulation test d’efficience et durabilité.

Pour dimensionner et tester le collecteur dans le sol, les chercheurs ont développé un modèle numérique de simulation, permettant une analyse fine tenant compte des facteurs d’environnement, du processus de gel dans le sol et de la capacité thermique du fluide dans le collecteur. Ce modèle, intégré dans le programme de simulation TRNSYS, est optimalisé pour réaliser des simulations dynamiques montrant l’incidence de chaque paramètre sur le système.

Expériences validant le modèle et le concept

Pour valider la simulation, les chercheurs ont construit un montage expérimental : un collecteur de 150 m² composé de quatre zones commutables séparément. La commutation en série d’une PAC et d’une résistance électrique permet l’ajout/retrait de chaleur au niveau du collecteur. En plus des températures entrée/retour vers le collecteur et PAC, les chercheurs ont mesuré les températures du sol à différentes profondeurs et distances.

Les essais ont montré une bonne concordance entre les mesures réelles/simulations, ouvrant la voie à des études plus approfondies sur les principaux facteurs de dimensionnement. Des simulations avec différentes dimensions de collecteurs et divers concepts de régulation ont permis le calcul de facteurs de réduction pour le dimensionnement.

Les études de paramétrage conduisent à des recommandations pour la conception

Les études de simulation ont montré que la combinaison PAC et simples capteurs solaires thermiques permet de réduire de 50% la surface du collecteur au sol, par rapport au dimensionnement standard selon VDI 4640-2. Le principal paramètre est la plus petite distance entre les conduites dans le sol, qui augmente l’efficience et réduit la place requise. Sans régénération, il y a toutefois un risque de gel, néfaste au bon fonctionnement de la PAC.

Lorsque les distances sont plus courtes, l’apport de chaleur solaire a une incidence visible sur le fonctionnement du système (figures 1 et 3). La régénération via les capteurs solaires thermiques réduit le risque d’épuisement thermique du sol et, par conséquent, le recours au chauffage d’appoint. Pour retirer un avantage prédéterminé, on peut donc se contenter d’un collecteur au sol plus petit. Par contre, lorsque le collecteur dans le sol est dimensionné selon VDI, une combinaison avec des capteurs solaires thermiques n’apporte aucun avantage mesurable en terme de rendement, à cause de la consommation de la pompe de circulation des capteurs solaires thermiques.

Sources de chaleur et systèmes de production de chaleur

Le choix de la source thermique et le mode d’extraction ont une incidence sur la rentabilité et sur la surface requise. Faire le bon choix n’est pas une sinécure vu la multiplication des méthodes permettant d’exploiter la chaleur de l’environnement. En plus des classiques PAC air-eau, sondes dans le sol, eau souterraine,… il existe dorénavant d’autres options, notamment capteurs dans le sol, réseaux géothermiques, stockage de glace, absorbeurs d’air statiques, échangeurs de chaleur (eau de surface, eaux usées),… Il existe certes une documentation indiquant les données relatives à des concepts spécifiques et types d’appareils, mais pas de comparaison systématique entre les différents concepts et variantes d’installation. Souvent même, des appareils sont installés sans que l’on dispose de données fiables sur les coûts/avantages. Les concepteurs n’ont aucun aperçu des contraintes (surface requise, coûts d’investissement et de fonctionnement), facilité d’utilisation, etc..

Étude de marché et analyse de fonctionnement

C’est pourquoi l’Institut für Gebäude- und Solartechnik a développé un outil pour le pré- planning. Une feuille de calcul Excel permet de réaliser une évaluation détaillée, au double plan énergétique et rentabilité économique, pour des bâtiments existants, selon le besoin en chaleur et en froid. Pour une installation de PAC, on peut déterminer tant la source de chaleur que la méthode de production la plus adéquate.

De plus, une étude de la littérature technique et une étude de marché ont été réalisées pour réunir les données pertinentes sur les sources de chaleur et PAC disponibles. Les chercheurs de Braunschweig ont également mesuré et analysé le fonctionnement de 14 bâtiments équipés de systèmes parmi les plus divers. Ensuite, des études plus approfondies de paramétrage et analyse de sensitivité ont été réalisées sur des systèmes déterminés concernant les processus et scénarios thermodynamiques. Les chercheurs ont ainsi réuni une documentation sur les performances, rendement et caractéristiques de fonctionnement des diverses sources de chaleur basse température. Les simulations ont été validées sur base de données provenant d’installations réelles.

Aide à la décision pré-planning

Avec Wpsource, les chercheurs se proposent de fournir, d’ici fin 2018, un outil facile d’aide à la conception. Le logiciel donne un aperçu des sources de chaleur, contraintes, indices et performances. Ces données permettent d’inférer le rendement de l’installation, les coûts d’investissement et de fonctionnement. Les concepteurs et architectes pourront faire un choix adéquat en fonction des contraintes spécifiques au projet.

Dans une première phase, WPsource inclura un module de calcul pour les maisons unifamiliales, immeubles à appartements et de bureaux. Pour les logements d’habitation, il est possible de régler les systèmes de PAC pour le chauffage et l’ECS. Pour les bureaux, uniquement le chauffage.

Perspectives pour WPsource

La structure modulaire facilite l’ajout de fonctionnalités. Dans un projet suivant, les chercheurs tiendront compte de la consommation intrinsèque en électricité verte et de l’exploitation de la thermie solaire pour la régénération ou comme source de chaleur primaire. Une extension est envisagée pour quartier résidentiel.

Nouvelles idées pour la pompe à chaleur

On constate une nette tendance vers les bâtiments basse consommation, une tendance favorable pour les chauffages basse température. Vu la part croissante de l’électricité verte, les PAC deviennent une option attrayante. Il est important de concevoir et exploiter ce type de systèmes de manière optimale. En plus des initiatives mentionnées dans cet article, d’autres possibilités sont à l’étude dans le cadre du projet allemand Energiewendebauen.

Après les capteurs solaires thermiques, sans vitrage, on envisage les collecteurs hybrides, les dénommés capteurs PVT (électricité-chaleur). Les capteurs PVT non recouverts sont combinables avec les PAC sol-eau. L’électricité des capteurs solaires actionne la pompe de circulation du circuit des capteurs solaires thermiques, et contribue au fonctionnement de la PAC. La chaleur est évacuée, améliorant le rendement du module PV, et peut servir de source pour la PAC.

Le projet de recherche Twin Power va plus loin. Il s’agit d’étudier un système intégré d’approvisionnement en énergie des bâtiments, via des collecteurs solaires hybrides (électricité/chaleur) comme source de chaleur pour des PAC. Les nouveaux capteurs PVT devraient permettre de couvrir en grande partie la consommation des appareils ménagers, l’ECS et le chauffage.

Pour réaliser un concept d’installation fiable, la procédure de test développée récemment est intéressante. Elle permet de calculer le rendement annuel des PAC et mini systèmes de cogénération, d’établir un bon pronostic de fonctionnement et d’optimaliser l’installation. Contrairement à l’actuelle méthode selon VDI4650, partant d’une situation statique, les chercheurs souhaitent inclure les circonstances dynamiques, par exemple, cycles démarrage-arrêt, et les pertes inhérentes au stockage de la chaleur. Ce dernier point a une incidence non négligeable sur la rentabilité de l’installation.

Par Johannes Lang

Illustrations : BINE