Les différentes technologies de pompes à chaleur adaptées au

Pompes à chaleur et Géothermie 2013
Les différentes technologies de pompes à chaleur
adaptées au secteur tertiaire et à l’industrie
Vincent Lemort
Laboratoire de Thermodynamique, Université de Liège
Namur, le 23 mai 2013
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
Introduction
 Remplacer une chaudière par une PAC permet de réduire rapidement et facilement
les émissions de CO2 (! Rendement du parc électrique).
 Les PAC sont reconnues comme une technologie de valorisation
 des ER: air ambiant, eau, sol peu profond (efficacité sur énergie primaire doit
être >115% (par ex: SPF de 2.875 pour un rendement de parc de 40%))
 des rejets de chaleur industriels.
 Les PAC constituent une technologie éprouvée depuis des dizaines d’années (de
nombreux développements en cours pour les rendre compatible avec l’évolution de
l’habitat).
 Le marché est principalement concentré (en Europe) sur l’habitat résidentiel.
 Les bâtiments tertiaires présentent généralement à la fois des besoins en chaud et
en froid (parfois simultanément): possibilité d’utiliser des machines réversibles et
permettant la récupération de chaleur.
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
2
Contenu
Objectifs de la formation: identifier, comprendre, comparer différentes technologies
de PAC et être capable de faire un choix parmi ces techniques
1. Introduction
2. Classification des PAC
3. Performances des PAC
4. Conception d’un système de PAC
5. Exemples de réalisations
6. Pistes de R&D
7. Conclusions
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
3
Classification des PAC
Les PACs se différencient par:
 Leur utilisation: refroidissement, chauffage d’ambiance, ECS (une seule machine peut
réaliser ces trois fonctions)
 La nature des source froide et puits chaud: air/eau/géothermie et air/eau
Air extérieur:
- Pros: Universellement disponible
- Cons: Température (et donc COP et capacité) variable, givre
Air ventilation:
- Pros: température constante, bonne coïncidence avec les besoins
- Cons: capacité est limitée
Aquifères:
- Pros: Très bons puits/source de chaleur, température stable
- Cons: accessibilité (+ permis)
Sol:
- Pros: Généralement bons puits/source de chaleur (attention aux propriétés)
- Cons: coûts investissement
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
4
Classification des PAC
 La nature de leurs composants: échangeurs, compresseurs, détendeur, réfrigérant
o Une catégorie de machine est caractérisée par une
vitesse périphérique (m/s) optimale indépendante de sa
taille (Persson, 1990).
o Les turbomachines opèrent à des vitesses plus
importantes que les machines volumétriques
Source: Grip, 2009
Approximate range of chiller cooling
capacity range by compressor type
(ASHRAE, 2008)
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
60 HP
7.5 HP
Source: Emerson, 2012
5
Performances des PAC
kW]
Qheat
[
COP =
= hII ,H ×COPCarnot
Wcompresseur (+Wauxiliaires ) [ kW]
EER =
Qcool
[ kW] = h × EER
II ,C
carnot
Wcompresseur (+Wauxiliaires ) [ kW]
= Limite technique
= performances des composants
 design
 régulation
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
EERcarnot =
Tcool
Theat - Tcool
COPCarnot =
Theat
Theat - Tcool
= Limite thermodynamique
« Froid à haute température et Chaleur à basse
température »
 nature des sources chaude/froide
 design des systèmes secondaires (émetteurs)
 régulation
6
Performances des PAC
Toutes les pompes à chaleurs ne sont pas nées égales…
Sources: M. Bernier, Pompes à chaleur géothermales: Etat des connaissances et perspectives de
recherche, Séminaire du LABOTHAP 2007
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
7
Performances des PAC
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
8
Performances des PAC
Performances saisonnières:
kWh]
Qheat
[
SCOP =
Wcompresseur (+Wauxiliaires ) [ kWh]
SEER =
Qcool
[ kWh]
Wcompresseur (+Wauxiliaires ) [ kWh]
 design (bonnes performances à charge partielles)
 régulation (utilisation de moyens de stockage thermiques)
 exploitation de sources de températures stables dans le temps
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
9
Conception d’un système de PAC
La sélection du système de PAC dépend de:
 La taille du bâtiment (de sa surface conditionnée): par exemple, VRF et multi-split
adaptés à la rénovation de petits bâtiments.
 Les sources et puits de chaleur disponibles: on préférera les sources à haute et stable
température.
 Le ratio entre les demandes de chaud et de froid en conditions de design
 La simultanéité entre les demandes de chaud et de froid: on peut tirer profit de la
récupération de chaleur.
De manière à maximiser les performances, on veillera à:
 Correctement dimensionner le système: un système sur-dimensionné entraîne de moins
bonnes performances à charge partielles (+ coût)
 Sélectionner une machine avec de bonnes performances à charge partielles
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
10
Conception d’une installation de PAC
Profils de charges du bâtiment
Bâtiment
1. Chauffage basse
température et
refroidissement haute
température
Chaudière
PAC
Machine
frigorifique
Gas
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
11
Conception d’une installation de PAC
Chauffage BT et refroidissement HT
 Promouvoir l’utilisation d’émetteurs radiatifs (au moins 50% d’émissions
par radiation): structures légères, TABS
 Dans les climats humides, dissocier le contrôle de la température de celui
de l’humidité (THIC).
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
12
Conception d’une installation de PAC
Exploitation de sources froides à plus haute t°
Bâtiment
2. Récupération
de chaleur
PAC
Chaudière
Gas
Machine
frigorifique
2. Exploitation de sources
froides à plus haute t°
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
13
Conception d’une installation de PAC
Exploitation de sources froides à plus haute t°
 Promouvoir l’utilisation de la géothermie (en boucle ouverte ou fermée)
COPcarnot,heat 
Theat
Theat  Tcool

Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
Evolution temporelle de la température dans le sol
14
Conception d’une installation de PAC
Exploitation de sources froides à plus haute t°
 Promouvoir la valorisation des rejets de chaleurs:
o PAC sur ventilation
Puissance thermique maximale
disponible est calculée (somme de la
puissance récupérée et de la
demande froid).
Si elle n’est pas suffisante, la
chaudière d’appoint est enclenchée.
(Source: IEA-Annex 48)
o rejets industriels (localement ou via un réseau de chaleur, avec en appoint
ERs )
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
15
Conception d’une installation de PAC
Machines réversibles
Bâtiment
PAC
réversible
3. Machines réversibles
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
16
Conception d’une installation de PAC
Machines réversibles
Potentiel de réversibilité
40
maximum heating power of chiller in heat pump mode
30
20
(Source: IEA-Annex 48)
10
priority to the cooling mode
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
-10
heating demand
cooling demand
reversibility potential
Chiller refroidis à air: 85% du marché
européen
-20
Attention au ratio entre
demandes en chaud et froid de
design
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
17
22
23
24
Conception d’une installation de PAC
Exploitation du geocooling (free-cooling)
Bâtiment
Air extérieur
ou sol
4.Free-cooling ou freechilling ou geo-cooling
PAC
Chaudière
Gas
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
18
Conception d’une installation de PAC
Exploitation du geocooling (free-cooling)
 Excellentes performances: SEER >12
peuvent être atteints.
 Emetteurs de froid à haute
température.
 Stratégies de régulation doivent
permettre de maximiser la part de la
demande de froid couverte par le
geocooling.
Modes opératoires d’une PAC géothermique (Source: Clara
Verhelst)
SEER =
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
Qcool
Wauxiliaires
[ kWh]
[ kWh]
19
Conception d’une installation de PAC
Récupération d’énergies sur machines frigorifiques
Bâtiment
5. Récupération de
chaleur sur les chillers
PAC
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
Machine
frigorifique
20
Conception d’une installation de PAC
Récupération d’énergies sur machines frigorifiques
Potentiel de récupération de chaleur
 Machines à deux condenseurs
 Utilisation de PAC de rehausse
de température
(Source: IEA-Annex 48)
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
21
Conception d’une installation de PAC
Machines réversibles
Figure 1 : ULGCS06 facade NW
Demandes agrégées
Potentiel de réversibilité: 52%
Potentiel de récupération: 13%
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
22
Conception d’une installation de PAC
Récupération de chaleur et réversibilité
 Pompes à chaleur sur boucle d’eau
(Source: IEA-Annex 48)
Tmax = maximal water loop temperature: 32°C
Tmin = minimal water loop temperature: 16°C
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
23
Conception d’une installation de PAC
Récupération de chaleur et réversibilité
 Systèmes à débit de réfrigérant variable (VRF) - refroidissement
principal
(Source: Consoclim)
En présence de demandes simultanées en chaud/froid, la performance de ces systèmes peutêtre très élevée et le coût largement réduit (1 seul équipement).
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
24
Conception d’une installation de PAC
Stockage d’énergie
Bâtiment
6. Stockage d’énergie
thermique journalier,
saisonnier,…
PAC
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
Machine
frigorifique
25
Conception d’une installation de PAC
Stockage d’énergie
 Stockage dans une nappe aquifère
• Deux puits
• Stockage saisonnier
• Hiver: possibilité d’utiliser une PAC
 Stockage au moyen d’échangeurs
verticaux enterrés
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
26
Conception d’une installation de PAC
Systèmes à dalles actives (TABS)
Bâtiments à dalles actives (TABS)
o Masse de béton du bâtiment est
utilisé comme réservoir de chaleur ou
de fraîcheur.
o Chauffage basse température (28°C)
et refroidissement haute température
(18°C) => gain énergétique
o Ecrêtage des pics de charge
thermique => réduction taille
équipements
Source: Xpair, 2011
Régulation:
o Découplage fonction de refroidissement et ventilation/déshumidification
o Décaler la production de froid dans le temps (nuit: meilleur COP des chillers)
o Possibilité de free-chilling
o En climatisation, système « réactif » (ventilo-convecteur) si charges internes fortement variables
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
27
Conception d’une installation de PAC
TABS + géothermie
 permet économie d’énergie primaire de l’ordre de 50%
 objectifs de la régulation: performance énergétique ET confort
thermique
 écraitage des pics de charges thermiques permet de diminuer la
taille des échangeurs géothermiques
 complexité de la régulation:
o sous-composants caractérisés par des constantes de temps ≠:
• TABS:~10 heures
• Charges internes, radiation solaires: < 1 heure
• Géothermie: années
(Source: GEOTABS)
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
o maximiser la fraction de la demande de chaleur couverte par la
PAC, maximiser la fraction de la demande de froid couverte par
le geocooling.
o couplage avec les appoints thermiques (chaud/froid) et
ventilation
28
Exemples de réalisations
TABS + géothermie
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
29
Exemples de réalisations
TABS + géothermie
Désagrégation de la demande de chaleur par système primaire
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
30
Exemples de réalisations
TABS + géothermie
Désagrégation de la demande de froid par système primaire
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
31
Exemples de réalisation
Performances
TABS
Heat pump
Chiller
COP1
EER1
COP2
EER2
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
COP3
EER3
COP4
EER4
32
Exemples de réalisations
Performances
Coefficients de performance saisonniers en chaud
A
B
C
D
E
SCOP1
[-]
5.15
3.70
ND
3.56
2.67
SCOP2
[-]
4.71
ND
ND
1.96
ND
SCOP3
[-]
-
ND
3.01
1.59
ND
SCOP4
[-]
4.38
ND
ND
1.23
ND
(ND: No data)
• Les consommations des pompes ne sont pas toujours mesurées (seul
le statut de la pompe est renseigné)
• La consommation des pompes peut dégrader fortement le COP
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
33
Exemples de réalisations
Performances
Coefficients de performance saisonniers en froid
A
B
C
D
E
SEER1
[-]
-
10.8
ND
-
ND
SEER2
[-]
49.70
ND
ND
3.72
ND
SEER3
[-]
20.95
ND
12.16
2.89
ND
SEER4
[-]
-
ND
ND
2.08
ND
(ND: No data)
• Intervalles plus larges de SEERs
• SEER entre 12 et 21 peuvent être atteints
• ! Consommation des pompes
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
34
Quelques pistes de R&D
o Optimisation des composants: beaucoup de composants restent dimensionnés pour la
climatisation
 Echangeurs de chaleur: compacité, réduction charge de réfrigérant, dégivrage
 Compresseurs: fluides naturels, diminution de la charge d’huile (lié à la diminution
de la charge de réfrigérant), modulation capacité (ECM).
 Ventilateurs et pompes: meilleures performances, meilleure régulation
o Développement de nouveaux réfrigérants de synthèse, comme substituts aux HFC
(HFOs). Utilisation plus intense du CO2, NH3, hydrocarbures
o Conception de la PAC pour maximiser ses performances saisonnières
o Permettre une meilleure exploitation des sources d’ER intermittentes et aléatoires: PAC
hybride, PAC + stockage (« smart grid compatible »)
o Fiabilité, compacité, coût, facilité d’installation et maintenance
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
Quelques pistes de R&D
o Pompes à chaleur Haute Température pour la rénovation (pas uniquement pour l’ECS).
o Pompes à chaleur de hautes capacités:
 Réseaux de chaleur: extension ou rehausse de température
 Récupération d’énergie: PAC HT pour l’industrie chimique, papeterie, agroalimentaire. Altereco (130°C), Valenthin (140°C),…
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
Conclusions
o Les pompes à chaleur constituent une technologie mature et performante permettant
l’exploitation des ERs (+ rôle à jouer dans le DSM)
o Quelques règles de base peuvent permettre d’accroître davantage ces performances:
 Privilégier le chauffage à basse température et le refroidissement à haute
température (émetteurs radiatifs)
 Exploiter des sources/puits d’énergies à haute/basse température (+constante)
 Minimiser les consommations des auxiliaires
 Exploiter la réversibilité des système si nécessaire
 Exploiter la récupération de chaleur, éventuellement via des stockages thermiques
journalier/saisonnier
 Sélectionner une PAC affichant de bonnes performances à charge partielle.
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique
Merci pour votre attention!
Vincent Lemort
Laboratoire de
Thermodynamique