Ça chauffe pour les pompes à chaleur !

Le pôle d’innovation technologique est chauffé et rafraîchit essentiellement grâce un système de pompes à chaleur (PAC), relié à des batteries de chauffe elles-mêmes intégrées à des groupes de ventilation. Cette technique de chauffage moderne permet de substituer l’utilisation des combustibles fossiles par une source d’énergie presque entièrement renouvelable, comme la chaleur du sol.

Le bâtiment est en grande partie chauffé par l’air pulsé, aucun système hydraulique permettant la diffusion de chaleur n’a été installé dans les étages. Il possède précisément trois pompes à chaleur. Les deux plus importantes (une PAC du fabricant Waterkotte et une PAC du fabricant Viessmann), sont montées en cascade, dans le but de gérer efficacement l’énergie. Afin d’alimenter ces deux premières PAC d’une puissance de 10 kW chacune, trois types de ressources sont utilisées en formant 2 combinaisons :

• La géothermie avec deux forages verticaux de 80 mètres de profondeur et d’une puissance de 5 kW chacun
• Un système combinant un bac à glace et des absorbeurs solaires appelé « Eisspeicher ». Ce système conçu par Viessmann permet la récupération de chaleur de plusieurs ressources sur les deux éléments. La chaleur de l’eau est extraite du bac à glace et celle de l’air combiné aux rayonnements solaires sur les absorbeurs solaires.

Chacune des PAC a la possibilité de permuter sur la ressource voulue, mais elles ne peuvent pas être toutes les deux sur la même ressource sinon elles ne permettraient pas une utilisation représentative du sol. Ces pompes à chaleur eau glycolée/eau captant soit la chaleur du sol, de l’eau, de l’air ou bien des rayonnements solaires alimentent un ballon tampon permettant le stockage de chaleur (figure 1).

Une autre partie du bâtiment est alimentée par une petite pompe à chaleur air/eau d’une puissance de 1 kW combinée à un système d’eau chaude sanitaire (ECS) et d’une batterie chaude de ventilation. Afin que toute cette installation prenne le moins de place possible, le fabricant Drexel und Weiss a rassemblé le tout dans une box.
Le principe de combinaison est simple ; le circuit de la batterie chaude qui permet de chauffer l’air du circuit de ventilation passe au préalable par le ballon d’ECS lui-même chauffé par la PAC. Ce principe permet à la PAC de chauffer l’air des pièces mais également l’eau chaude sanitaire. (figure 2).

Neobuild suit les performances en temps réel de ces trois pompes à chaleur en observant par exemple les températures des circuits primaires et secondaires et ainsi connaître l’efficacité d’échange thermique, les températures aux niveaux des ressources, la puissance délivrée par jour et cumulée tout au long de l’année.

Dans ce numéro, nous allons nous intéresser uniquement aux 2 pompes à chaleur principales et à leurs ressources.

Les PAC pouvant utiliser les 2 combinaisons, nous allons dans un premier temps étudier les températures des sources de chaleur, afin de déterminer quelle est la plus adéquate à une installation de pompe à chaleur. Voici les températures obtenues depuis le début de l’année pour les 3 ressources (voir figure 3). On constate que les absorbeurs solaires (courbe rouge) ont des températures négatives lors de la période hivernale et très élevées en été avec de grosses variations à court terme. Cette ressource dans notre configuration n’est pas idéale pour les saisons hivernale et estivale. Elle est surtout utilisée lors de la mi-saison printemps/automne car les demandes en chaleur des occupants du bâtiment varient et les absorbeurs solaires permettent de répondre à cette courte variation. Le reste du temps, les absorbeurs solaires servent à faire fondre la glace contenue dans le bac à glace. Celle-ci permet lorsqu’elle est fondue de se retransformer en glace et de diffuser à nouveau plus de chaleur. Le changement de phase dégage une plus grande quantité d’énergie que l’on récupère.

Le bac à glace précisément a des variations de température très faibles (courbe de couleur mauve) et devrait être idéal pour les périodes hiver/été. Le problème survient pour la période estivale, dans la mesure où l’on constate que, lorsque le bâtiment doit être rafraîchi, les pompes à chaleur captent très rapidement les quantités de chaleur et le bac à glace ne parvient pas à fournir ce rafraîchissement nécessaire sur toute la période chaude. Une optimisation de la régulation sur la régénération de l’énergie est donc à prévoir.

Les forages ont une très bonne stabilité en température (courbe verte) à toutes les périodes, garantissant ainsi une bonne source de chaleur et donc de bons rendements pour les pompes à chaleur. L’inertie thermique en été est également meilleure en profondeur, puisqu’il y a une plus grande quantité de chaleur disponible.

Observons la production de chaleur de la PAC Viessmann et les températures du circuit secondaire « départ-retour PAC » alimentant le ballon tampon :
Le suivi de cette production de chaleur a permis de déterminer un coefficient de performance (COP) annuel variant entre 3 et 3,4 depuis le début de cette année. Ces résultats sont parfaitement acceptables puisque les ressources utilisées à savoir l’eau et le sol n’ont de manière générale pas de changement significatif de température durant les journées et les saisons. Ces rendements sont également obtenus grâce à une bonne régulation de mise en marche des PAC au moment souhaité.

En observant le nombre d’heures de fonctionnement, on constate qu’il est en dessous de la moyenne. En effet, le temps de fonctionnement moyen d’une PAC se situe entre 2 000 et 2 500 heures par an pour tout type de pompe à chaleur.

Dans le bâtiment, depuis maintenant 2 ans, les pompes à chaleur ont tournée 3870 heures pour la 1^re (PAC Waterkotte) et 2 761 heures pour la 2de (PAC Viessmann). Ces valeurs sont donc inférieures à la moyenne, notamment parce que lors de la saison estivale, un système de by-pass permet de « court-circuiter » la pompe à chaleur principale Viessmann via un échangeur à plaques, qui transmet directement la chaleur de la source vers le ballon de stockage et qui permet de ne pas enclencher la PAC (voir graphique production de chaleur ci-dessus). Ce n’est pas le cas de la pompe à chaleur Waterkotte qui doit, elle, s’enclencher pour produire le froid et accumulant ainsi plus d’heures de fonctionnement.

Pour conclure, nous pouvons constater que sur les différentes ressources exploitées par les PAC du bâtiment, le forage géothermique reste le meilleur moyen d’exploitation de l’énergie (chaud et froid) en termes de modularité des ressources sur toutes saisons confondues dans notre région.

L’exploitation géothermique verticale reste cependant un investissement très élevé par rapport aux deux autres ressources notamment dû à sa mise en œuvre. Il est donc important de réaliser une analyse de vos sols avant de vouloir vous lancer dans la géothermie afin de vérifier si votre sol peut être foré et si la quantité de chaleur à capter est suffisante pour votre bâtiment. Le système « Eisspeicher » est une très bonne solution alternative au forage. Il convient cependant de dimensionner une quantité et un volume suffisants de chaleur et de réaliser une bonne régulation, afin de pouvoir l’utiliser constamment sur une saison, en particulier en été.

Les pompes à chaleur restent dépendantes de l’environnement et du climat et les COP ne sont pas toujours garantis. D’autant plus que pour maintenir le meilleur rendement possible, les éléments à chauffer dans les bâtiments doivent être des corps de basse température comme des planchers chauffants. Mais la PAC reste néanmoins un bon système de production d’énergie.

D’autres tests et problématiques sur les PAC couplées au système de ventilation par exemple sont encore à étudier. Ces thématiques seront abordées lors des prochains numéros du NEOMAG !

Lucas Karmann, Neobuild Innovation Development Engineer

Source : NEOMAG

Consultez en ligne NEOMAG #02 novembre 2016

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