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Conception de la PAC air/eau à haute efficacité énergétique
Objectifs
Les spécifications usuelles des pompes à chaleur résidentielles prenaient en compte un chauffage additionnel. De nombreuses pompes à chaleur ont été dimensionnées pour une production de chaleur maximale à 0 °C, le complément étant produit par des résistances électriques. Cette stratégie n’a pas d’avenir si des objectifs forts de limitation des émissions de CO2 sont fixés pour le chauffage résidentiel. Le dimensionnement nominal doit alors fournir la totalité du besoin de chauffage à la température extérieure minimale.
D’autre part, pour que la pompe à chaleur puisse se substituer en grande partie à une chaudière traditionnelle utilisant un combustible il faut, pour limiter les coûts d’investissement, que la puissance de chauffage soit délivrée sur le réseau hydraulique existant avec des modifications les plus limitées possibles. Cette contrainte amène à chauffer l’eau à un plus haut niveau de température au point de sortie de la chaudière et donc au point de sortie du condenseur de la PAC. Dans le cadre de cette étude, la température de départ d’eau maximale est limitée à 65 °C.
De plus, une PAC en substitution de chaudière doit aussi assurer la production d’eau chaude sanitaire (ECS) à la fois en conditions d’hiver et hors de la saison de chauffage.
Compte tenu de ces différentes contraintes, une conception d’un système à puissance variable est indispensable pour atteindre un COP saisonnier élevé. La conception et le développement d’une nouvelle pompe à chaleur air/eau pour les régions à climat froid et répondant partiellement au cahier des charges de la réhabilitation en France, constitue la base de la présente étude. Les systèmes de chauffage demandant une température de sortie d’eau de la PAC supérieure à 65 °C sont exclus.
Dans ce chapitre, les différentes voies d’amélioration des PAC air/eau sont rappelées. L’inversion PAC/machine de froid, le contrôle de la puissance, le fonctionnement sans appoint dans les conditions extrêmes de températures froides et la production combinée d’eau de chauffage et d’ECS, sont analysés. Un prototype intégrant les meilleures solutions disponibles est ensuite conçu avec le mélange de référence, le R-407C.
Analyse des options techniques pour les PAC air/eau
En raison de l’importance récemment accordée à l’efficacité énergétique et à la réduction des émissions, les installations de chauffage à haut rendement sont devenues une option envisageable pour les installations neuves ou à rénover grâce aux économies qu’elles peuvent générer au cours de leur cycle de vie. Les éléments d’amélioration du fonctionnement des PAC (dégivrage, régulation, formulation des mélanges de fluides frigorigènes, vitesse variable) amènent à des COP annuels plus élevés d’où des économies annuelles importantes de consommation, même si les coûts initiaux sont légèrement augmentés.
Conception de la PAC air/eau à haute efficacité énergétique
Les PAC inversables
Les générateurs thermodynamiques inversables destinés à l’habitat constituent un enjeu pour la diminution des consommations d’énergies. « L’inversabilité » des PAC air/eau est une option très répandue. Elle permet le chauffage en hiver et le rafraîchissement en été.
Le système correspondant doit être équipé d’une vanne 4 voies d’inversion de cycle. L’eau qui circule dans le réseau hydraulique peut être chauffée ou refroidie selon que l’échangeur du réseau de chauffage fonctionne respectivement en condenseur ou en évaporateur.
Cependant pour les PAC air/eau en réhabilitation la température d’eau circulant dans les radiateurs est limitée à la température de rosée (typiquement 18 °C de température sèche en été), ce qui limite fortement la capacité de rafraîchissement avec des radiateurs classiques.
Le générateur thermodynamique (PAC) est optimisé pour le chauffage ou le rafraîchissement. Dans le cadre de cette étude, le chauffage est le mode principal pour l’optimisation, le mode rafraîchissement est un mode secondaire dont les performances dépendent du dimensionnement en mode chauffage.
Les PAC pour le marché de rénovation et pour les régions à climat froid
Les cycles actuellement utilisés dans les PAC présentent l’inconvénient de ne fonctionner que sur une plage restreinte de températures extérieures. Pour les pompes à chaleur conventionnelles, les températures en fin de compression dépassent généralement les valeurs limites imposées par les constructeurs. Pour résoudre le problème, les pompes à chaleur sont souvent des systèmes bivalents (générateurs thermodynamiques + résistance électrique compacte) dimensionnés pour fournir la totalité de besoin pour des températures extérieures modérées et accompagnés d’un appoint par effet Joule pour des températures extérieures plus basses.
Cycles de pompe à chaleur pour les régions à climat froid
Plusieurs options techniques (cf. figure 2.1) ayant pour but de diminuer les températures en fin de compression et d’augmenter le COP et la puissance fournie à faibles températures extérieures sont présentées dans une revue récente sur les PAC air/eau en région froide [Stefan, 2004]. Parmi ces cycles, adaptés aussi au marché de la rénovation, nous distinguons des cycles mono-étagés et d’autres bi-étagés.
Les cycles mono-étagés monovalents
Il est possible de fabriquer des pompes à chaleur mono-étagées pour des climats très froids et des températures élevées de départ d’eau. En effet, plusieurs compresseurs, conçus pour fonctionner avec des taux de compression élevés, sont déjà disponibles. Cependant, les performances mesurées avec ce type de compresseurs sont très faibles, comparées à celles des cycles bi-étagés. De plus, pour des températures extérieures modérées, la puissance fournie augmente rapidement, en même temps que le besoin de chauffage diminue. Le compresseur doit donc fonctionner en mode marche/arrêt (cyclage) sur des courtes durées, ce qui affecte négativement l’efficacité du cycle : les pics d’intensité de courant de démarrage se multiplient et les pertes à charges partielles dues à la consommation de veille augmentent (le temps de fonctionnement de la PAC devient faible).
Une autre solution pour étendre les limites de fonctionnement des cycles mono-étagés, consiste à injecter un débit non négligeable d’huile, séparé dans un séparateur d’huile et refroidi dans le condenseur, pour refroidir le fluide frigorigène en cours de compression. Ce circuit est représenté schématiquement figure 2.1-a. Les deux inconvénients majeurs de ce cycle sont ses faibles performances et sa capacité directement liée au débit et à la température de retour d’huile.
Les cycles bi-étagés monovalents
Les cycles bi-étagés comparés et analysés sont :
• le cycle bi-étagé avec un refroidisseur intermédiaire
• le cycle bi-étagé à économiseur et qui comporte :
– le cycle bi-étagé simple
– le cycle bi-étagé à injection totale
– le cycle bi-étagé à injection partielle
– le cycle bi-étagé à injection partielle modifiée
• le cycle en cascade
• le cycle à injection intermédiaire avec un seul compresseur
• le cycle bi-étagé avec un sous-refroidisseur en cascade.
► Dans le cycle bi-étagé avec un refroidisseur intermédiaire (cf. figure 2.1-b), la vapeur refoulée par le compresseur basse pression est refroidie dans un échangeur intermédiaire. Ce refroidissement, limité par la température de retour d’eau de chauffage, est généralement insuffisant et n’amène pas à une réduction forte de la température de refoulement en sortie du compresseur haute pression.
Comparativement aux autres cycles bi-étagés, les avantages du cycle avec un refroidisseur intermédiaire sont la simplicité du circuit frigorifique et la possibilité de moduler la puissance chaude par la configuration des compresseurs. Dans ce dernier cas, des vannes supplémentaires sont nécessaires.
► L’injection vapeur ou liquide entre les deux compresseurs peut aussi servir pour le refroidissement des vapeurs au niveau de la pression intermédiaire. Les cycles à économiseur qui en résultent, varient en fonction des applications et des contraintes techniques [Duminil, 1996]. Les principales modifications d’un cycle à un autre (cf. figures
2.1-c à 2.1-f) sont liées aux problèmes de l’échauffement excessif au cours de la compression, de l’alimentation risquée par un mélange liquide-vapeur du détendeur basse pression et surtout de l’accumulation d’huile en raison des faibles vitesses des vapeurs dans les bouteilles avec les frigorigènes miscibles à l’huile. L’utilisation de la bouteille contribue aussi à augmenter la charge en fluide frigorigène du système, avec les inconvénients suivants :
– augmentation du TEWI direct (émissions liées à la fuite du fluide frigorigène),
– variation de la composition circulante des mélanges zéotropes du fait de la différence de volatilité des corps purs mélangés (cas des mélanges utilisés).
Table des matières
NOMENCLATURE
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 – LA SUBSTITUTION DES CHAUDIÈRES PAR DES SYSTÈMES THERMODYNAMIQUES
1.1 – Le Parc réhabilitable
1.1.1 – Contexte et caractéristiques principales d’une PAC conçue pour la réhabilitation
1.1.2 – Les objectifs
1.1.3 – Le parc
1.2 – Les PAC air/eau face aux chaudières à gaz et au fioul
1.2.1 – Les principes de base d’un système thermodynamique
1.2.1.1 – La production de chauffage
1.2.1.2 – L’efficacité énergétique
1.2.2 – Les principaux facteurs favorisant la substitution des chaudières
1.2.2.1 – Le mix d’énergie
1.2.2.2 – Le prix de l’électricité, du gaz et du fioul
1.2.2.3 – Les crédits d’impôts
1.3 – Les PAC air/eau en substitution des chaudières
1.3.1 – Les conditions de fonctionnement et le contexte général
1.3.1.1 – Le climat en France : les conditions à l’évaporateur
1.3.1.2 – Le réseau hydraulique : les conditions au condenseur
1.3.2 Les degrés de couverture des PAC air/eau usuelles
1.3.2.1 – Les contraintes techniques pour les systèmes mono-étagés
1.3.2.2 – La dégradation des performances saisonnières
1.4 – Les émissions de CO2 évitées, intérêts substantiels
1.4.1 – Evaluation des émissions de CO2 des chaudières remplaçables
1.4.2 – Evaluation des émissions de CO2 et de frigorigène des PAC
1.4.2.1 – Effet direct dû aux émissions
1.4.2.2 – Effet Indirect dû à la consommation énergétique
1.4.3 – Emissions comparées chaudières et PAC
1.5 – Conclusions
CHAPITRE 2 – CONCEPTION DE LA PAC AIR/EAU À HAUTE EFFICACITÉ ÉNERGÉTIQUE
2.1 – Objectifs
2.2 – Analyse des options techniques pour les PAC air/eau
2.2.1 – Les PAC inversables
2.2.2 – Les PAC pour le marché de rénovation et pour les régions à climat froid
2.2.3 – Les PAC à puissance variable
2.2.4 – Les PAC pour la production combinée de chauffage et d’ECS
2.3 – Description de la PAC air/eau combinant les différentes fonctions
2.3.1 – Les modes de fonctionnement
2.3.2 – Régulation de la PAC et intégration dans la boucle de chauffage
2.3.3 – Logique simplifiée pour le choix du mode de fonctionnement
2.3.4 – Réduction du coût du système correspondant aux besoins du marché
2.4 – Analyse du cycle thermodynamique
2.4.1 – Conditions de fonctionnement du système globa
2.4.2 – Analyse du COP et des puissances de chauffage
2.4.3 – Dimensionnement des échangeurs en mode chauffage
2.5 – Conclusions
CHAPITRE 3 – MÉTHODE DE SÉLECTION DES FLUIDES FRIGORIGÈNES À FAIBLE IMPACT ENVIRONNEMENTAL
3.1 – Objectifs
3.2 – Les fluides frigorigènes utilisés et les émissions des PAC
3.2.1 – Cycle de vie des PAC et catégories d’émissions
3.2.2 – Les fluides frigorigènes utilisés dans les pompes à chaleur
3.2.3 – Les options pour réduire les émissions des HFCs
3.2.3.1 – Le développement de nouveaux mélanges
3.2.3.2 – La réduction de la charge et le confinement du fluide frigorigène
3.2.3.3 – Utilisation des fluides toxiques et inflammables
3.3 – La méthode de sélection
3.3.1 – Description de la méthode de sélection
3.3.2 – Les principaux critères de sélection
3.3.3 – Les conditions de simulation du cycle de référence
3.3.4 – Les fluides purs choisis et leurs performances
3.3.5 – Les approches utilisées pour la classification par le niveau d’inflammabilité
3.3.5.1 – Calcul des limites inférieures et supérieures d’inflammabilité (LII et LSI)
3.3.5.2 – Calcul du pouvoir calorifique (PC)
3.4 – Résultats de la sélection pour le fonctionnement PAC air/eau
3.4.1 – Evaluation générale sans critère d’inflammabilité
3.4.2 – Evaluation restreinte avec critère d’inflammabilité
3.4.2.1 – Exemple du ternaire R-407 (R-32/R-125/R-134a)
3.4.2.2 – Autres mélanges ternaires identifiés
3.5 – Conclusions
CHAPITRE 4 – RÉALISATION DU PROTOTYPE ET RÉSULTATS D’ESSAIS
4.1 – Objectifs
4.2 – Banc d’essais de la PAC air/eau prototype
4.2.1 – Vue globale du banc d’essais
4.2.2 – Conception des systèmes auxiliaires
4.2.3 – La préparation du prototype aux essais
4.2.3.2 – Chargement de la PAC en R-407C
4.2.3.3 – Consommations des auxiliaires
4.3 – Performances du prototype en mode chauffage
4.3.1 – Essais en configuration mono-étagée
4.3.1.1 – Résultats d’essais avec le compresseur haute pression (ZR34)
4.3.1.2 – Résultats d’essais avec le compresseur basse pression (ZR72)
4.3.1.3 – Les rendements des compresseurs
4.3.2 – Essais en configuration bi-étagée
4.3.2.1 – Performances en fonction de l’ouverture du détendeur d’injection
4.3.2.2 – Performances pour une ouverture du détendeur d’injection fixe
4.3.3 – Modèles de régressions des performances de la PAC
4.3.4 – Interprétation des résultats
4.4 – Performances du prototype en mode production d’ECS
4.4.1 – Production d’ECS en mode combiné durant la saison de chauffe
4.4.1.1 – Exemple des essais menés sur le prototype en mode combiné
4.4.1.2 – Les résultats d’essais de la production combinée
4.4.2 – Production d’ECS seule hors saison de chauffe
4.4.3 – Conclusions
4.5 – Performances du prototype avec les mélanges candidats
4.5.1 – Essais en mode chauffage
4.5.2 – Essais de séparation pour le contrôle de puissance
4.6 – Vérification des performances sur un prototype compact
4.6.1 – Description du prototype compact
4.6.2 – Performances en régime stationnaire avec le R-407C
4.7 – Conclusions
CHAPITRE 5 – INTRODUCTION DU NOUVEAU CONCEPT SUR LE MARCHÉ
5.1 – Objectifs
5.2 – La méthode de calcul pour la quantification des gains
5.2.1 – Les données et les hypothèses
5.2.2 – Les consommations saisonnières d’une installation de chauffage
5.2.2.1 – Dimensionnement et consommations d’une PAC air/eau mono-étagée
5.2.2.2 – Dimensionnement et consommations d’une PAC air/eau bi-étagée
5.2.2.3 – Consommations d’une chaudière
5.2.3 – Les coûts totaux d’une installation de chauffage
5.2.4 – Les émissions totales d’une installation de chauffage
5.3 – Quantification des gains
5.3.1 – Gains du nouveau concept par rapport à un système classique
5.3.1.1 – Exemple de dimensionnement
5.3.1.2 – Comparaison en terme d’efficacité énergétique
5.3.1.3 – Comparaison en terme des émissions de CO2
5.3.2 – Réduction des émissions de CO2 avec les mélanges à faible GWP
5.3.3 – Comparaison des solutions de chauffage pour la réhabilitation
5.3.3.1 – Les niveaux de la réhabilitation
5.3.3.2 – Les impacts économiques et environnementaux
5.3.4 – Gisement des émissions de CO2 évitées par l’introduction du nouveau concept
5.4 – Conclusions
CONCLUSIONS GENERALES ET PERSPECTIVES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
Annexe 1 : Liste des principaux composants du prototype CEP
Annexe 2 : Exemple de régulateur de courbe de chauffe
Annexe 3 : Corrélations utilisées dans le modèle numérique
Annexe 4 : Choix des détendeurs électroniques installés sur le prototype
Annexe 5 : Algorithme simplifié de la méthode de sélection des fluides frigorigènes
Annexe 6 : Schémas électriques de puissance et de commande
Annexe 7 : Concept de logiciel de dimensionnement/sélection de solution de chauffage
Annexe 8 : Dimensionnement des PAC en fonction des villes et du type d’émetteur
Annexe 9 : Coûts et émissions totaux des solutions de chauffage
Annexe 10 : Gisement des émissions de CO2 évitées sur 20 ans
