Conception de la PAC air et eau à haute efficacité énergétique

Les spécifications usuelles des pompes à chaleur résidentielles prenaient en compte un chauffage additionnel. De nombreuses pompes à chaleur ont été dimensionnées pour une production de chaleur maximale à 0 °C, le complément étant produit par des résistances électriques. Cette stratégie n’a pas d’avenir si des objectifs forts de limitation des émissions de CO2 sont fixés pour le chauffage résidentiel. Le dimensionnement nominal doit alors fournir la totalité du besoin de chauffage à la température extérieure minimale. D’autre part, pour que la pompe à chaleur puisse se substituer en grande partie à une chaudière traditionnelle utilisant un combustible il faut, pour limiter les coûts d’investissement, que la puissance de chauffage soit délivrée sur le réseau hydraulique existant avec des modifications les plus limitées possibles. Cette contrainte amène à chauffer l’eau à un plus haut niveau de température au point de sortie de la chaudière et donc au point de sortie du condenseur de la PAC. Dans le cadre de cette étude, la température de départ d’eau maximale est limitée à 65 °C. De plus, une PAC en substitution de chaudière doit aussi assurer la production d’eau chaude sanitaire (ECS) à la fois en conditions d’hiver et hors de la saison de chauffage. Compte tenu de ces différentes contraintes, une conception d’un système à puissance variable est indispensable pour atteindre un COP saisonnier élevé. La conception et le développement d’une nouvelle pompe à chaleur air/eau pour les régions à climat froid et répondant partiellement au cahier des charges de la réhabilitation en France, constitue la base de la présente étude. Les systèmes de chauffage demandant une température de sortie d’eau de la PAC supérieure à 65 °C sont exclus. Dans ce chapitre, les différentes voies d’amélioration des PAC air/eau sont rappelées. L’inversion PAC/machine de froid, le contrôle de la puissance, le fonctionnement sans appoint dans les conditions extrêmes de températures froides et la production combinée d’eau de chauffage et d’ECS, sont analysés. Un prototype intégrant les meilleures solutions disponibles est ensuite conçu avec le mélange de référence, le R-407C.

En raison de l’importance récemment accordée à l’efficacité énergétique et à la réduction des émissions, les installations de chauffage à haut rendement sont devenues une option envisageable pour les installations neuves ou à rénover grâce aux économies qu’elles peuvent générer au cours de leur cycle de vie. Les éléments d’amélioration du fonctionnement des PAC (dégivrage, régulation, formulation des mélanges de fluides frigorigènes, vitesse variable) amènent à des COP annuels plus élevés d’où des économies annuelles importantes de consommation, même si les coûts initiaux sont légèrement augmentés. Les générateurs thermodynamiques inversables destinés à l’habitat constituent un enjeu pour la diminution des consommations d’énergies. « L’inversabilité » des PAC air/eau est une option très répandue. Elle permet le chauffage en hiver et le rafraîchissement en été. Le système correspondant doit être équipé d’une vanne 4 voies d’inversion de cycle. L’eau qui circule dans le réseau hydraulique peut être chauffée ou refroidie selon que l’échangeur du réseau de chauffage fonctionne respectivement en condenseur ou en évaporateur. Cependant pour les PAC air/eau en réhabilitation la température d’eau circulant dans les radiateurs est limitée à la température de rosée (typiquement 18 °C de température sèche en été), ce qui limite fortement la capacité de rafraîchissement avec des radiateurs classiques. Le générateur thermodynamique (PAC) est optimisé pour le chauffage ou le rafraîchissement. Dans le cadre de cette étude, le chauffage est le mode principal pour l’optimisation, le mode rafraîchissement est un mode secondaire dont les performances dépendent du dimensionnement en mode chauffage.

Les cycles actuellement utilisés dans les PAC présentent l’inconvénient de ne fonctionner que sur une plage restreinte de températures extérieures. Pour les pompes à chaleur conventionnelles, les températures en fin de compression dépassent généralement les valeurs limites imposées par les constructeurs. Pour résoudre le problème, les pompes à chaleur sont souvent des systèmes bivalents (générateurs thermodynamiques + résistance électrique compacte) dimensionnés pour fournir la totalité de besoin pour des températures extérieures modérées et accompagnés d’un appoint par effet Joule pour des températures extérieures plus basses. Plusieurs options techniques (cf. figure 2.1) ayant pour but de diminuer les températures en fin de compression et d’augmenter le COP et la puissance fournie à faibles températures extérieures sont présentées dans une revue récente sur les PAC air/eau en région froide [Stefan, 2004]. Parmi ces cycles, adaptés aussi au marché de la rénovation, nous distinguons des cycles mono-étagés et d’autres bi-étagés. Les cycles mono-étagés monovalents Il est possible de fabriquer des pompes à chaleur mono-étagées pour des climats très froids et des températures élevées de départ d’eau. En effet, plusieurs compresseurs, conçus pour fonctionner avec des taux de compression élevés, sont déjà disponibles. Cependant, les performances mesurées avec ce type de compresseurs sont très faibles, comparées à celles des cycles bi-étagés. De plus, pour des températures extérieures modérées, la puissance fournie augmente rapidement, en même temps que le besoin de chauffage diminue. Le compresseur doit donc fonctionner en mode marche/arrêt (cyclage) sur des courtes durées, ce qui affecte négativement l’efficacité du cycle : les pics d’intensité de courant de démarrage se multiplient et les pertes à charges partielles dues à la consommation de veille augmentent (le temps de fonctionnement de la PAC devient faible). Une autre solution pour étendre les limites de fonctionnement des cycles mono-étagés, consiste à injecter un débit non négligeable d’huile, séparé dans un séparateur d’huile et refroidi dans le condenseur, pour refroidir le fluide frigorigène en cours de compression. Ce circuit est représenté schématiquement figure 2.1-a. Les deux inconvénients majeurs de ce cycle sont ses faibles performances et sa capacité directement liée au débit et à la température de retour d’huile. Les cycles bi-étagés monovalents Les cycles bi-étagés comparés et analysés sont : • le cycle bi-étagé avec un refroidisseur intermédiaire • le cycle bi-étagé à économiseur et qui comporte : – le cycle bi-étagé simple – le cycle bi-étagé à injection totale – le cycle bi-étagé à injection partielle – le cycle bi-étagé à injection partielle modifiée • le cycle en cascade • le cycle à injection intermédiaire avec un seul compresseur • le cycle bi-étagé avec un sous-refroidisseur en cascade. ► Dans le cycle bi-étagé avec un refroidisseur intermédiaire (cf. figure 2.1-b), la vapeur refoulée par le compresseur basse pression est refroidie dans un échangeur intermédiaire. Ce refroidissement, limité par la température de retour d’eau de chauffage, est généralement insuffisant et n’amène pas à une réduction forte de la température de refoulement en sortie du compresseur haute pression.