Optimisation des performances saisonnières

 Disposant d’un modèle de calcul « PAC + Bâtiment », le chapitre 5 classifie à présent les voies d’optimisation des performances saisonnières des pompes à chaleur réversible, basé sur la méthode de calcul des performances saisonnières exposée dans les chapitres 3 et 4. Les voies d’optimisation sont classées sous deux grands axes : – Optimum du point de vue local : optimisation par rapport à une courbe de besoin donnée, on s’intéresse particulièrement à la régulation de la puissance, et à la logique de la conception du compresseur « optimisé pour le mode chaud » ou « optimisé pour le mode froid » et à quelques autres variantes définies au cours de ce chapitre. – Optimum du point de vue de l’industriel : cela passe par l’intégration de composants innovants à fort enjeu concurrentiel dans le but de bien positionner les produits vis-à-vis de l’étiquetage européen des systèmes de climatisation: SEER et SCOP normalisé. Les solutions améliorées seront évaluées par rapport à une PAC de référence existante sur le marché des systèmes thermiques. Ensuite, les améliorations exposées seront complétées par une étude technico-économique, comportant une approximation de la décomposition des coûts des principaux composants d’une PAC, afin d’avoir une estimation du temps de retour sur investissement de la machine optimisée en fonction du lieu géographique de son installation. 

Optimum de point de vue local

L’optimisation du point de vue local est présentée ici de manière à faire ressortir les spécificités propres aux différents bâtiments dans les différents climats. C’est une approche assez théoriques puisqu’il n’est pas envisageable de multiplier les variantes constructives. Cette optimisation consiste à améliorer les performances de la PAC par rapport à une courbe de besoin donnée. Pour ce faire, on propose plusieurs méthodes d’amélioration : – amélioration composant par composant ; – régulation de la puissance du système ; – dimensionnement du compresseur en fonction d’une priorité de fonctionnement en mode chaud ou en mode froid.

Courbe de charge

Les besoins de chauffage et de rafraîchissement d’un bâtiment dépendent du type du bâtiment résidentiel ou tertiaire (bureau, hôtel, restaurant, bâtiment de santé, …), de son âge ancien ou neuf, et de sa zone géographique (cf. chap. 4). Pour répondre au mieux aux besoins thermiques qui varient au cours de l’année en assurant l’efficacité énergétique, le système thermique peut être conçu de manière à privilégier les fonctionnements les plus fréquents. 

Machine de référence

Les performances d’une machine de référence considérée sont évaluées dans ce paragraphe. La machine choisie appartient à la nouvelle gamme ILD2, modèle 300 CIAT, Chapitre 5 : Optimisation des performances saisonnières Elias Kinab 120 Mines ParisTech PAC air / eau réversible (Figure 5-1). Cette gamme représente déjà une évolution par rapport aux systèmes existants. La PAC fonctionne au R410A et est constituée de deux compresseurs scroll ZP180 (deux étages de puissance, 50 et 100 %) en parallèle de taille identique, un échangeur à plaques (64 plaques), une batterie tubes ailetés en U à ailettes ondulées gaufrées et de deux détendeurs thermostatiques fonctionnant respectivement en mode été et hiver. Figure 5-1 : Machine de référence CIAT ILD2 Cette PAC de référence a une puissance frigorifique nominale de 75 kW en mode refroidissement (Teau = + 12 °C / + 7 °C et température entrée d’air condenseur + 35 °C) et une puissance calorifique nominale de 81 kW (Tsortie eau chaude = + 45 °C et air extérieur + 7 °C pour une humidité relative HR = 86 %). Cependant, comme expliqué au chapitre précédent les besoins et les puissances du bâtiment de référence varient en fonction des zones climatiques et du type de bâtiment. Comme précédemment, on adapte les différentes configurations de bâtiments à la puissance de la PAC considérée en divisant les besoins horaires par un facteur de dimensionnement dont on rappelle sa formule : ( ) ( ) max( ) max( ) froid froid PAC P facteur P TP = Les facteurs de dimensionnement des différentes zones géographiques et type de bâtiment issus des besoins et puissances maximales représentés dans le chapitre précédent dans les tableaux 4.6 et 4.7, sont déduits : Nice Nancy Mâcon Trappes Bâtiment ancien 1,270 1,389 1,227 1,015 Bâtiment neuf 0,825 0,837 0,800 0,653 Tableau 5-1 : Facteur de dimensionnement en fonction de la zone géographique et du type bâtiment On constate que la PAC de référence choisie est sous dimensionnée pour les bâtiments anciens (facteur > 1) et surdimensionnée (facteur < 1) pour les bâtiments neufs. Les performances saisonnières obtenues en couplant cette machine de référence au bâtiment de bureaux de surface de 1000 m² (cf. § 4.3.2) corrigées par le facteur de dimensionnement, sont rassemblées pour les différentes zones géographiques dans le Tableau 5-2 dans le cas d’un bâtiment ancien et dans le Tableau 5-3 pour un bâtiment neuf : Nice Nancy Mâcon Trappes Machine de référence 2 X ZP180 Bâtiment ancien SEER 4,69 4,86 4,90 5,21 SCOP 2,90 2,31 2,44 2,48 COP annuel 3,68 2,70 3,00 2,92 Tableau 5-2 : Performances annuelles de la machine de référence couplée à un bâtiment ancien Chapitre 5 : Optimisation des performances saisonnières Elias Kinab 121 Mines ParisTech : Nice Nancy Mâcon Trappes Machine de référence 2 X ZP180 Bâtiment neuf SEER 4,80 4,80 4,82 5,15 SCOP 2,88 2,32 2,48 2,50 COP annuel 3,99 2,74 3,15 2,93 Tableau 5-3 : Performances annuelles de la machine de référence couplée à un bâtiment neuf Les consommations annuelles électriques sont aussi calculées pour les différentes zones géographiques dans le Tableau 5-4 dans le cas du bâtiment ancien,ainsi que dans le cas du bâtiment neuf dans le Tableau 5-5. en MWh Nice Nancy Mâcon Trappes Machine de référence 2 X ZP180 Bâtiment ancien Consommations électriques froid 17,5 8,9 10,4 7,5 Consommations électriques chaud 11,8 34,0 23,1 26,5 Consommations résistances carter 2,3 2,3 2,3 1,9 Total 31,7 45,2 35,7 35,9 Tableau 5-4 : Résultats de simulations saisonnières de la PAC de référence en consommation (bâtiment ancien) en MWh Nice Nancy Mâcon Trappes Machine de référence 2 X ZP180 Bâtiment neuf Consommations électriques froid 13,6 5,5 8,0 4,5 Consommations électriques chaud 2,1 13,8 11,2 10,9 Consommations résistances carter 2,2 2,0 1,9 1,8 Total 18,0 21,3 21,1 17,3 Tableau 5-5 : Résultats de simulations saisonnières de la PAC de référence en consommation (bâtiment neuf) N.B : La consommation des résistances de carter comprend la consommation de la résistance de chaque compresseur quand la machine est à l’arrêt et la consommation d’une seule résistance quand la machine fonctionne avec un seul compresseur. La puissance d’une résistance de carter est de l’ordre de 180 W sur cette gamme de compresseur.

Etagement de puissance

Une première solution d’adaptation à la demande thermique du bâtiment consiste en un fractionnement de la puissance entre deux ou trois petits compresseurs. Le taux de partition de puissance peut être par exemple 33 % – 66 % pour 2 compresseurs ce qui donne 3 étages possibles. Cette partition de puissance permet un gain de performance à charge partielle : en effet à puissance réduite, les échangeurs se trouvent « surdimensionnés » par rapport au débit de fluide frigorigène qui est relativement plus faible qu’à pleine puissance. On résume les options possibles pour le choix des compresseurs d’un groupement tandem ou trio à partir de compresseurs existants sans les modifier pour les modes chaud et froid : ƒ Tandem : 50 % – 50 %, 33 % – 66 %, et 40 % – 60 % ƒ Trio : 33 % – 33 % – 33 % Le groupement trio n’est pas conseillé par les fabricants de compresseurs pour des installations de faible puissance. Une configuration d’un système de même puissance nominale que celle de la machine de référence d’environ 80 kW (en chaud) est présentée ci-après. D’après le catalogue de sélection du compressoriste [Copeland], les puissances de 3 compresseurs ZP120, ZP180, et ZP235 sont données pour les conditions nominales de température d’évaporation de 5 °C et de température de condensation de 35 °C en mode froid, et de température d’évaporation de 5 °C et de température de condensation de 50 °C en mode chaud : COMPRESSEURS (*) COPELAND En froid Tévap = 5 °C Tcond = 35 °C En chaud Tévap = 5 °C Tcond = 50 °C Pfrigo (kW) Pcomp (kW) Pcalo (kW) Pcomp (kW) ZP120 32,0 5,8 34,0 8,2 ZP180 47,0 8,8 50,5 12,1 ZP235 62,5 11,9 65,5 15,9 Tableau 5-6 : Puissances nominales des compresseurs ZP120 ZP180 et ZP235 [Copeland] (*) les valeurs sont fournies pour un sous refroidissement de 0 K et surchauffe de 10 K, à 50 Hz, et pour le fluide 410A La combinaison des compresseurs peut aboutir aux groupements suivants : (i) Partition de puissance de 50 % – 50 % : 2 compresseurs ZP180 (machine de référence) (ii) Partition de puissance de 33 % – 66 % : 1 compresseur ZP120 et 1 compresseur ZP235 (iii) Partition de puissance de 33 % – 33 % – 33 % : 3 compresseurs ZP120 Les partitions (ii) et (iii) se traduisent par 3 étages de puissance de 33%, 66% et 100%. La configuration (ii) est préférée. Les résultats de simulations des performances saisonnières de la machine de référence équipée des 2 compresseurs ZP120 et ZP235 (33% – 66%) à la place du tandem 2xZP180 Chapitre 5 : Optimisation des performances saisonnières Elias Kinab 123 Mines ParisTech couplée au bâtiment de bureau décrit au § 4.3.2, sont rapportées ci-après, pour le bâtiment de référence ancien (Tableau 5-7) et neuf (Tableau 5-8) dans les différentes zones géographiques, et cela pour un niveau de température en chauffage de 40 °C – 45 °C, et un niveau de température en refroidissement de 7 °C – 12 °C ; les autres éléments de la PAC de référence sont inchangés. Nice Nancy Mâcon Trappes Machine de référence ZP120 + ZP235 Bâtiment ancien SEER 4,45 4,45 4,51 4,73 SCOP 3,97 2,98 3,22 3,26 COP annuel 3,91 3,13 3,40 3,41 Tableau 5-7 : Performances annuelles de la machine de référence équipée des compresseurs ZP120 et ZP235 couplée à un bâtiment ancien Nice Nancy Mâcon Trappes Machine de référence ZP120 + ZP235 Bâtiment neuf SEER 4,57 4,46 4,55 4,73 SCOP 3,90 3,00 3,29 3,33 COP annuel 3,91 3,09 3,48 3,34 Tableau 5-8 : Performances annuelles de la machine de référence équipée des compresseurs ZP120 et ZP235 couplée à un bâtiment neuf Les performances annuelles simulées pour le bâtiment neuf sont meilleures que celles simulées pour le bâtiment ancien quelle que soit la zone géographique.