Pompe à chaleur

Dimensionnement

La consommation et les performances saisonnières du système de PAC sont calculées avec le modèle présenté au chapitre 2. A chaque climat correspond une puissance de PAC déterminée selon la méthode de dimensionnement couramment utilisée par les bureaux d’étude (chapitre 1, § 4.3). Un choix est effectué parmi les tables de puissances calorifiques à pleine charge établi à partir du modèle détaillé de l’ORNL. -209- Modélisation des équipements Chapitre 5 – Applications et étude des différentes possibilités de couplage La figure 124 présente le choix de la puissance calorifique des PAC en fonction des déperditions de la maison réhabilitée et du climat. Pour chacune des régions climatiques, les puissances calorifiques nominales et les puissances d’appoint sélectionnées sont présentées au tableau suivant. Le dimensionnement de la PAC contraint alors les débits d’air au niveau de l’unité extérieure pour assurer le bon fonctionnement du système. Ils sont également indiqués au tableau 35. Puissance nominale Puissance de l’appoint [kW] Puissance nominale ventilateur UI [W] Puissance nominale ventilateur UE [W] Débit nominal d’air au niveau de l’UE [m3 .h-1] Nancy 7 kW 2 x 2,5 230 140 2700 Trappes 5 kW 2 x 1,5 166 100 1900 Rennes 4 kW 2 x 1,5 130 80 1500 Nice 3 kW 2 x 1,5 100 60 1200 Tableau 35: Dimensions nominales de la PAC en fonction de la région climatique Dans le cas de PAC contrôlées par marche-arrêt, on suppose le débit du ventilateur constant et égal au débit nominal indiqué dans le tableau 35. 2.4.2.2. Modèle à pleine charge Le modèle à pleine charge est celui de Jin et Spitler [JIN2002a], [JIN2002b], présenté -210- Figure 124: Sélection de la puissance calorifique des PAC selon le climat 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 Température air extérieur [°C] Puissance [kW] Point de dimensionnement pour Nancy (Tb=-15°C) Point de dimensionnement pour Trappes (Tb=-7°C) Point de dimensionnement pour LaRochelle (Tb=-4°C) Point de dimensionnement pour Nice (Tb=-2°C) PAC (7 kW) PAC (5 kW) PAC (4 kW) PAC (3 kW) Déperditions D 0,6 x D Chapitre 5 – Applications et étude des différentes possibilités de couplage au chapitre 2. Les paramètres des composants de la PAC (compresseur, échangeurs, détendeur) sont identifiés, via la méthode d’optimisation de Nelder-Mead et des tables de puissances à pleine charge établies à partir du modèle détaillé du laboratoire d’Oak Ridge. Plusieurs jeux de paramètres sont proposés en annexe F pour la modélisation de PAC de différentes puissances nominales, allant de 3 kW à 8 kW.

Modèle à charge partielle

Le modèle à charge partielle traduit le comportement de la PAC (compresseur + ventilateurs) pour des régimes de fonctionnement à charge réduite. Lorsque la puissance délivrée par la PAC est supérieure aux besoins, celle-ci adapte sa puissance soit par une suite de cyclage de marche et arrêt, soit par adaptation de la vitesse de rotation du compresseur dans le cas de PAC équipées d’inverter. Deux modèles distincts sont utilisés dans les applications de ce chapitre. Le premier caractérise le comportement des PAC contrôlés par marche-arrêt, et est basé sur le modèle de [HEND2000] (chapitre 4, §4.3.1, équations 23 à 25). Le second caractérise les PAC contrôlées par inverter se base sur les travaux de [MARC2000] (chapitre 2, §4.3.2, équations 26 à 30) et une série de résultats issus des tests effectués de l’institut suédois SP sur plus d’une vingtaine de PAC air-air du marché suédois. Les courbes caractéristiques de ces deux modèles sont données aux figures suivantes. -211- Figure 125: Courbes caractéristiques du modèle de charge partielles pour les PAC contrôlée par marchearrêt 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 [A lpha = 0,01] [A lpha = 0,05] [A lpha = 0,1] Taux de charge partielle Facteur de charge partielle (PLF) Figure 126: Courbes caractéristiques du modèle de charge partielle pour les PAC contrôlées par inverter 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 [A lpha = 0,01] [A lpha = 0,1] [A lpha = 0,05] Taux de charge partielle Facteur de charge partielle (PLF) 

Modèle de dégivrage

Le modèle de dégivrage est une proposition de modèle basée sur une compilation des travaux de la littérature [MILL1982], [KAYG1996], [SCHI2000]. Un coefficient de dégradation est appliqué au modèle de puissance calorifique et au COP (compresseur + ventilateurs) à pleine charge en fonction de l’humidité relative de l’air entrant au niveau de l’unité extérieure de la PAC. Ce coefficient traduit une dégradation moyenne de la puissance calorifique et du COP (compresseur + ventilateurs) au cours de plusieurs cycle de givrage et dégivrage de l’échangeur de l’unité extérieure de la PAC. Les paramètres du modèle utilisé dans la suite du chapitre sont précisés ci-dessous. Une illustration de comportement de ce modèle est présentée à la figure 127

Modèle de régulation du ventilateur de l’unité extérieure

Le modèle de régulation du ventilateur de l’unité extérieure est celui proposé à partir des données issues des catalogues constructeurs. Ce modèle suppose une évolution linéaire du débit délivré par le ventilateur de l’unité extérieure entre le débit minimum et le débit nominal (chapitre 2, §5.4) 

Ventilateurs supplémentaires

L’étude de certaines variantes de couplage nécessite la prise en compte de ventilateurs supplémentaires pour acheminer l’air d’une zone tempérée à la source froide la PAC. L’évaluation de ces consommations se fait par l’intermédiaire d’un ratio -212- Figure 127: Évolution de la dégradation due au cycle de givrage/dégivrage en fonction de l’humidité relative de l’air à l’entrée de l’unité extérieure de la PAC -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 HR = 60% HR = 70% HR = 80% HR = 90% HR = 100% Température de l’air à l’entrée de l’unité extérieure [°CBS] Puissance calorifique à pleine charge [kW] Chapitre 5 – Applications et étude des différentes possibilités de couplage exprimant la puissance électrique absorbée par le ventilateur en fonction du débit volumique déplacé. Deux catégories de ventilateurs sont envisagées : standard et économe. Leurs caractéristiques sont données au tableau suivant. Puissance absorbée [W.m-3.h-1] Ventilateur standard 0,25 Ventilateur économe 0,1 2.5. Résultats et performances La maison étudiée a connu différents états de performance énergétique au cours de sa durée de vie. Cette partie expose les résultats des simulations effectuées avec le modèle d’enveloppe Comfie et le modèle de PAC choisi au chapitre 2. Les résultats sont présentés à la fois en kWh.an-1 et en kWh.m-2 .an -1, car les changements de surfaces habitables viennent perturber l’impact réel d’une amélioration de l’enveloppe sur les besoins et sur les consommations. Une diminution des besoins en kWh.m-2 .an -1 peut être constatée alors qu’en réalité les besoins augmentent globalement en kWh.an-1. Par exemple entre 1971 et la réhabilitation de 2007, les besoins de chauffage en kWh.m-2 .an -1 ont été divisés par presque quatre alors que les besoins de chauffage en kWh.an-1 n’ont même pas été divisés par deux. On peut remarquer l’influence du recours à l’énergie électrique par convecteurs électriques sur les consommations en énergie primaire.