Potentiel énergétique d’une sourcefroide alimentant une pompe à chaleur

Potentiel énergétique d’une source froide
alimentant une pompe à chaleur

L’évaluation de l’intérêt du couplage d’une pompe à chaleur (PAC) air-air avec des sources d’air tempérées intégrées au bâtiment consiste à comparer les performances et les consommations d’une PAC installée de façon conventionnelle à celle d’une PAC couplée à des sources dont la température est supérieure à la source conventionnelle : l’air extérieur. Comment évaluer l’intérêt d’utiliser un air plus doux que l’air extérieur comme source froide d’une PAC ? Dans un premier temps il semble intéressant de comprendre le comportement d’une PAC dans son environnement. À l’aide du modèle de PAC de Jin et Spitler, sélectionné au chapitre 2, intégré au modèle thermique dynamique d’enveloppe du bâtiment Pléiades + Comfie, le comportement d’une PAC installée de façon conventionnelle est analysé. Les conditions de fonctionnement d’une PAC installée sur site diffèrent grandement de celles imposées lors de tests standardisés de la norme NF EN 14511. Les résultats issus de ces tests permettent une comparaison des produits entre eux dans les conditions de fonctionnement données, mais ne reflètent aucunement le comportement du système une fois en place dans son environnement. Le modèle global enveloppe/système dont on dispose désormais permet d’évaluer le comportement d’une PAC intégrée au bâtiment, et évaluer l’impact de différents paramètres sur les performances et consommations saisonnières d’une PAC : régions climatiques, caractéristiques constructives de l’enveloppe du bâtiment, scénarios d’utilisation, dimensionnement et type de régulation. Dans un second temps, avant d’imaginer des solutions permettant d’augmenter la température de la source froide d’une PAC air-air, essayons de quantifier l’impact d’un écart constant de température par rapport à la source froide conventionnelle (la température extérieure) sur les performances de la PAC. Il s’agit alors d’évaluer les gains maximums d’une source froide « idéale » sur les performances d’une PAC air-air et d’identifier un potentiel maximal de référence, qui permettra de comparer les différentes sources d’air tempérées entre elles. Enfin, une analyse des paramètres caractéristiques d’une source froide (débit, température moyenne, etc.) permet de proposer une définition du « potentiel énergétique » d’une source  

Comportement d’une PAC installée de façon conventionnelle 

On l’a vu au chapitre 2, le comportement d’une PAC dépend de trois principaux paramètres :  des conditions extérieures ;  des besoins de chauffage des locaux (caractéristique constructive de l’enveloppe, apports internes, apports solaires) ;  du type de PAC (dimensionnement, technologie de régulation de fonctionnement (marche-arrêt, inverter ou non) et de dégivrage de l’échangeur extérieur). Prenons l’exemple d’une PAC air-air de 8 kW de puissance calorifique nominale installée dans une maison de 135 m2, située en région parisienne au climat de Trappes. Les simulations couvrent la période hivernale du 15 octobre au 20 mai soit un total de 5208 heures. Sur cette période de simulation la PAC est en marche 70% du temps, soit 3669 heures. Le reste du temps elle se trouve en veille. La performance saisonnière d’une PAC avec comme source froide l’air extérieur est extrêmement dépendante des conditions climatiques. Plus la température de la source froide s’abaisse et s’éloigne de la température de la source chaude, moins la PAC est performante. Afin de mieux se représenter les plages de fonctionnement sur lesquelles une PAC installée en région parisienne fonctionne, il est possible d’observer dans un premier temps l’occurrence des températures de l’ambiance extérieure. On définit la fréquence d’occurrence d’une température comme le pourcentage de temps d’une période où la température extérieure est égale à une température donnée. OC Ta   i0 N hT i   i0 N f t i  où # h T i 1 si T iT a h T i 0 si T i’T a (103) La fonction f définit la période de référence sur laquelle est fait le calcul de la fréquence d’occurrence où N est le nombre d’heure de la période. Pour une année N8760 heures. Si la période de simulation est définie comme la période de référence, la fonction f est définie par les conditions (103). Si la période de référence est le temps de fonctionnement de la PAC, la fonctions f era défini par les conditions (104). 

Source d’air tempérée idéale

 Avant d’imaginer des concepts et couplage permettant une augmentation des températures de la source froide d’une PAC air-air et une amélioration de l’occurrence des températures dans le but d’améliorer sa performance, les paragraphes qui suivent apportent quelques éléments de réponses aux questions suivantes : – Toutes choses égales par ailleurs, quel impact une augmentation d’un degré Celsius de la température de la source froide d’une PAC a-t-elle sur ses performances saisonnières ? Qu’en est-il d’une augmentation de deux, trois, quatre… dix degrés Celsius ? – Peut-on quantifier l’intérêt énergétique de l’augmentation de quelques degrés Celsius de la source froide d’une PAC ? – L’augmentation de n degrés Celsius à une température de –5°C a-t-elle le même impact que l’augmentation de n degrés Celsius à une température de +5°C ? ) Existe-t-il une plage de température préférentielle vers laquelle il faudrait faire tendre la température de source froide d’une PAC sur l’air pour aboutir à un fonctionnement optimal .

 Définition 

Ce paragraphe propose une définition de la notion de source froide idéale d’une PAC. Au premier abord, plusieurs définitions sembleraient correspondre à cette notion. La source froide idéale pourrait se définir comme: (a) une source dont l’écart de température  T avec la source conventionnelle (dans notre cas l’air extérieur) est constant tout au long de la période fonctionnement de la PAC (figure 95); (b) une source capable d’adapter sa température à la température d’air à l’entrée de l’évaporateur nécessaire à la PAC pour délivrer une puissance calorifique à pleine charge égale aux besoins de chauffage (figure 94). La définition (a) sera utilisée par la suite pour évaluer l’impact de l’augmentation de la température de la source froide sur les performances et la consommation.

 Impact énergétique d’une hausse de la température de la source froide d’une PAC air-air

Avant d’imaginer des solutions permettant d’augmenter la température de la source froide d’une PAC air-air, essayons de quantifier l’impact de la hausse de sa température sur les performances de la PAC. La différence de température entre la source froide et la source chaude d’une PAC est certes l’une des principaux facteurs influençant ses performances, mais son dimensionnement, son intégration dans le bâtiment, et son système de contrôle et de régulation le sont également. Les constructeurs annoncent les performances de leur machine selon des essais définis par la norme NF EN 14511. Cette norme fixe la température des sources pour lesquelles les tests doivent être effectués, ce qui permet d’évaluer les performances à pleine charge (à plein régime). Ils annoncent alors les performances « nominales » de leur machine. Ces chiffres sont certes utiles pour la comparaison de machines équivalentes entre elles, mais n’est pas un critère suffisant, pour pouvoir estimer les consommations ou les performances réelles que pourra avoir une PAC une fois installée dans son environnement. En effet, les conditions nominales seront rencontrées à peine 5% du temps de fonctionnement de la machine. Si l’on reprend l’exemple précédemment cité (PAC 8KW chaud dans une maison de 135 m2 au climat de Trappes), les conditions ne sont même jamais rencontrées. A l’aide du modèle de PAC implémenté dans le modèle thermique du bâtiment Comfie-Pléiades nous avons cherché à quantifier l’influence d’un degré supplémentaire à la source froide sur les consommations et les performances de la PAC.