Projet Collectif Climatisation Solaire

Rapport technique
Projet Collectif Climatisation Solaire
Compagnie Industrielle
d'Applications Thermiques
Avenue Jean Falconnier
BP 14
01350 CULOZ
Ecole Nationale Supérieure
d’Ingénieurs Electriciens
de Grenoble
961, rue de la houille blanche
Domaine universitaire BP46 38402
St Martin d'Hères cedex.
Maître d’ouvrage :Mr Avenas

Projet Collectif Climatisation Solaire
ENSIEG 2004/2005
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1. Dimensionnement et Maquette
1.1. Système global, Intérêt et Environnement de fonctionnement
Une Pompe à Chaleur utilise les sources de chaleur à proximité et de l’énergie
électrique pour pouvoir chauffer ou climatiser des foyers en évitant une surconsommation
d’énergie.
Une Pompe à Chaleur (PAC) est classiquement utilisée dans les habitations avec un
système de prise d’eau chauffée par le sol. C’est-à-dire que l’eau froide circule d’abord dans
des tuyaux en profondeur pour être réchauffée jusqu’à 14°C avant d’alimenter la PAC. Puis la
PAC va récupérer l’énergie de cette eau pour chauffer l’intérieur de l’habitation. Cependant
ce système ne peut fonctionner qu’avec un système de tuyaux organisé dans le sous-sol de
l’habitation. Il faut pouvoir accéder au sous-sol du lieu d’implantation de la PAC et refaire les
fondations.
Le projet Climatisation Solaire permet d’éviter ces problèmes. Le réseau souterrain
d’alimentation de la PAC est en effet remplacé par le Panneau Solaire, renforcé par la
présence des Nodules (fonctionnement nocturne et mauvais temps) et de l’Aéroréchauffeur
pour palier les faiblesses dues à un fonctionnement prolongé des Nodules ou à un manque
d’éclairement du Panneau Solaire.
La Climatisation Solaire est donc faite principalement pour une utilisation en milieu
urbain.
1.2. Dimensionnement :
Cette partie du Projet a globalement été traitée par Yann, Emmanuel et
Matthieu. Nous avons d’abord réuni de la documentation sur les différents éléments du projet.
Ainsi nous avons pu soulever une partie des problèmes techniques rencontrés durant le projet.
Le système comprend les éléments suivants :
 La Pompe à Chaleur (PAC)
 Le Panneau Solaire (PS)
 Les Nodules (Nod)
 L’Aéroréchauffeur (Aéro)
Les éléments propres à l’habitation, c’est-à-dire les systèmes de chauffage (les radiateurs), et
le ballon d’eau chaude sanitaire (ECS), n’ont pas été pris en compte pour la réalisation de la
maquette. Cependant nous avons pris en compte les débits qui sont généralement utilisés pour
cela, ainsi que les valeurs de puissance mise en jeu dans ces éléments. Par ailleurs, il aurait
fallu utiliser de l’eau glycolée comme liquide caloporteur et non de l’eau pour éviter le gel.

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Ce système devrait avoir une consommation d’énergie du même ordre qu’un système
avec une prise d’eau dans le sous-sol. En effet le système de base possède une source
thermique quasi constante : le sol, avec une température avoisinant les 14°C. Notre source
thermique doit pouvoir approcher au maximum la température à laquelle sera portée l’eau
évacuée par la PAC.
Les éléments constituant la source de la PAC rend le système Climatisation Solaire
plus compliqué à dimensionner que la PAC avec réseau souterrain. En effet avec une source
de chaleur apportée par le sous sol constante, il suffit de dimensionner la PAC. Avec les
températures du lieu pendant l’année, on arrive à savoir quand et comment devra fonctionner
la PAC (en mode chaud ou froid). Ici le dimensionnement est plus complexe car la
température de la source de chaleur pour la PAC n’est pas fixe, elle dépend de l’énergie
apportée par les autres éléments.
Caractéristiques de chaque élément mis en jeu
1.2.1. La Pompe à chaleur (PAC)
Présentation générale d’une PAC :
Il en existe différents modèles : Air/Air, Air/Eau¸ Eau/Air, Eau/Eau suivant
le type d’alimentation et d’évacuation de l’énergie thermique.
Cette machine permet de chauffer un bâtiment l’hiver avec de l’air ou de l’eau
suivant le modèle. Et elle peut, dans le cas d’une PAC réversible, climatiser ce même site
l’été grâce à de l’eau ou de l’air chaud.
Une PAC possède donc des rendements thermodynamiques supérieurs à 1 car
elle permet d’obtenir en sortie des températures élevées (jusqu’à 60°C) avec un fluide en
entrée à des températures basses (inférieure à 10°C). Ce rendement est possible grâce à la
présence d’une source d’énergie électrique qui alimente la PAC.
Principe de la PAC
Une PAC est constituée d’un compresseur,
un évaporateur, condenseur et détendeur.

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PAC nécessaire pour le projet Climatisation Solaire :
Le projet doit permettre d’alimenter des habitations en chauffage/climatisation
et ECS. Cela montre donc la nécessité d’avoir une sortie Eau pour le chauffage et l’ECS. Elle
doit aussi être réversible pour permettre le chauffage et la climatisation de l’habitation. Il faut
qu’elle possède trois circuits différents : circuit ECS, circuit PS/Nod/Aéro, circuit
chauffage/climatisation
Modèle choisi : PAC Eau/Eau Réversible avec 3 échangeurs thermiques
La puissance nécessaire est variable. Elle dépend de la taille de l’habitation à
alimenter. Il faut prendre en compte les puissances suivantes :
Puissance thermique calorifique, source chaude
Puissance thermique frigorifique, source froide
Puissance thermique récupérée par l’ECS
Puissance électrique absorbée par la PAC
1.2.2. Le Panneau Solaire (PS)
Il permet de réchauffer le fluide circulant
dans le circuit en chauffant dans les tuyaux du
Panneau. Il utilise l’énergie solaire et ne consomme
pas de courant (des économies d’énergie). Le
panneau solaire doit être installé de manière
optimale. En hiver, si la température d’alimentation
en eau de la PAC est élevée, il lui sera plus facile
d’arriver à la température désirée dans la maison.
Le Panneau doit capter au maximum l’énergie rayonnée par le soleil. Plus la surface
du Panneau solaire est importante, plus le fluide sera facilement chauffé. Mais
l’encombrement du Panneau limite sa taille, particulièrement en milieu urbain. Pour améliorer
le rendement, nous allons jouer sur son inclinaison. En effet, suivant la saison, la position du
soleil change il faut donc incliner judicieusement le Panneau en favorisant le rayonnement
hivernal (quand le Panneau est le plus important).
Ainsi, en prenant en compte l’ensoleillement annuel, nous arriverons à dimensionner
de manière optimum les éléments du circuit, ce qui nous permettra de moins solliciter la PAC.
1.2.3. Les Nodules (Nod)
Ils fonctionnent sur un principe simple : ils agissent en fait
comme des glaçons pour refroidir le fluide circulant dans le circuit
PS/nod/Aéro. Cependant, la température de fusion de ces nodules
n’est pas 0°C, mais varie selon le type de nodule utilisé (le domaine
de température de ces nodules va de –33°C à +27°C). Les nodules
sont placés dans une cuve isolée de telle sorte que l’environnement
extérieur ne puisse pas interférer sur l’état des nodules : seul le fluide
dans lequel baignent les nodules influe sur ceux-ci.

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Le but est en fait d’apporter de l’inertie au système afin d’éviter les changements
brutaux de température : le système doit être capable de garder une température variant très
peu. Une fois qu’ils ont échangé leur chaleur latente, ils ne sont plus efficaces. C’est pourquoi
nous utilisons un aéroréchauffeur.
1.2.4. L’Aéroréchauffeur (Aéro)
Le fluide dans les tuyaux est refroidi ou réchauffé
par de l’air pulsé dans l’enceinte de l’Aéroréchauffeur. Si
l’air pulsé est plus chaud que l’eau en entrée, il chauffera
dans le cas contraire il refroidira le fluide. L’avantage d’un
tel dispositif est qu’il ne va consommer que la puissance
dont il a besoin pour faire tourner le ventilateur (Puissance
variable suivant la taille du dispositif).
1.2.5. Disposition des éléments les uns entre les autres
Pour que notre système de climatisation solaire fonctionne, nous devons faire en sorte
que le fluide circule dans les circuits avec suffisamment de débit. Pour cela, on place des
pompes dans les différents circuits.
De plus la Pac nécessite un débit bien supérieur à celui du Panneau Solaire.
DPAC  1000 L/h et DPS  80 L/h
Il faudrait donc prévoir un bi-passe au niveau du Panneau Solaire. Cela fait baisser le
rendement du Panneau.
Suivant que l’on soit en été ou en hiver, le fluide circulera dans certains éléments et
l’aiguillage du fluide se fera grâce aux électrovannes (cf annexe 1).
- Cas journée d’hiver ensoleillée (chauffage):
Le panneau solaire est connecté au circuit de la pompe à chaleur en série avec
l’aéroréchauffeur et les nodules (circuit 1). En considérant que la température extérieure est
de 5°C, le panneau solaire va permettre de remonter la température du fluide circulant de
quelques degrés. Ensuite, la PAC refroidit ce circuit en rechauffant l’ECS et les radiateurs.
A la sortie de la pompe à chaleur, le fluide du circuit 1 est plus froid que l’air extérieur. C’est
alors que l’Aéroréchauffeur va servir : il remonte la température du fluide en aspirant l’air
extérieur (si l’air est plus froid que le fluide, l’Aéroréchauffeur ne doit pas fonctionner). Le
fluide passe alors dans les nodules et les liquéfie grâce à l’énergie apportée par le Panneau et
l’Aéroréchauffeur. Les Nodules stockent donc de l’énergie en journée : sa chaleur latente.
- Cas nuit d’hiver (ou journée d’hiver sans soleil) (chauffage)
On déconnecte le panneau solaire du circuit 1 quand la différence de température entre
l’entrée et la sortie des panneaux solaires devient trop faible. On passe alors à la configuration
du circuit 2. La nuit, il faut mettre à profit les nodules qui ont stocké toute la journée. Au fur
et à mesure que la nuit avance, ils cèdent leur chaleur latente au fluide jusqu’à se solidifier
tous. Si l’air est plus chaud que le fluide, l’Aéroréchauffeur va fonctionner pour ralentir la
solidification des Nodules.