Pompe A Chaleur avec Stockage

Introduction

En France, dans les années 90, la volonté de réduire les émissions de CO2 et de limiter l’effet de serre a conduit à la recherche d’équipements de chauffage plus sobres énergétiquement, ce qui a conduit au développement de pompes à chaleur résidentielles qui répondent à ces attentes. Les deux incitations fiscales successives de 2004 et 2005 ont encore accéléré le nombre de pompes à chaleur (PAC) vendues en France pour le chauffage et/ou la production d’eau chaude sanitaire. Cependant la RT 2012 et le coefficient de conversion d’énergie finale en énergie primaire de 2,58 modifient la compétition entre les chaudières à gaz et les pompes à chaleur. Il existe trois principaux types de pompes à chaleur en fonction des technologies mises en œuvre à l’extérieur et à l’intérieur des bâtiments :  eau/eau, influencé principalement par les différents niveaux de température des lois d’eau  air/eau, influencé par les conditions climatiques et les lois d’eau  air/air, influencé par les conditions climatiques et la régulation de la température d’air intérieur. Pour notre étude, il est nécessaire de comprendre le fonctionnement réel des pompes à chaleur air-air pour comprendre ce qu’une pompe à chaleur air/air dotée d’un système de stockage au condenseur peut amener comme améliorations énergétiques ou, au contraire, comme pénalité énergétique. II. Pompe à chaleur dans un bâtiment La puissance calorifique d’une pompe à chaleur est sensible aux températures de la source froide et du puits chaud. En considérant le cas d’une PAC ayant l’air comme source froide, la puissance calorifique générée est plus faible lorsque la température externe est plus basse, à cause l’augmentation de l’écart entre les températures de condensation et d’évaporation. Par contre, plus la température externe est basse, plus les déperditions du bâtiment sont élevées et donc le besoin est plus élevé. La Figure V-1 montre les courbes théoriques de la puissance calorifique d’une PAC à vitesse constante et des besoins d’une maison. Le compresseur a une puissance de 170 W et un rendement global de 0,5. Ce graphe met en évidence trois zones :  la zone -7 °C à +14 °C, la puissance calorifique de la PAC est supérieure aux besoins du logement  la zone inférieure à -7 °C, la puissance calorifique de la PAC n’est pas suffisante pour maintenir la température de confort et un appoint de chauffage est donc nécessaire  la zone d’équilibre de la PAC (-7 °C) où le besoin est égal à la puissance calorifique. Cette zone ne représente qu’une part très minime du fonctionnement durant la saison de chauffe. Pompe A Chaleur avec Stockage Chapitre V. Pompe A Chaleur avec Stockage 116 Figure V-1 – Courbes théoriques de la puissance calorifique d’une PAC et du besoin d’un bâtiment La maison étudiée est une maison « Mozart passive » de type BBC. Le besoin est fortement influencé par les apports internes et les flux solaires et pas uniquement donc par les déperditions. La Figure V-2 montre les vrais besoins de la maison modélisée dans le chapitre 1 durant toute l’année et celle de la puissance calorifique théorique d’une PAC à vitesse constante en fonction de la température externe. Cette figure montre que les besoins sont aléatoires et que même si la tendance globale de la baisse des charges avec la température extérieure est bien vérifiée, la variation des besoins n’est pas uniquement corrélée aux déperditions. En fait, il faut prendre en compte la surface du plan (Text, Besoins) pour dimensionner le système de chauffage et sa régulation. Figure V-2 – Variation des besoins de la maison et de la puissance de la PAC en fonction de Text durant la saison de chauffe II.1 Régime cyclé des pompes à chaleur Le fonctionnement en marche/arrêt des pompes à chaleur est dû à la surpuissance de la PAC vis-à-vis des besoins. Ces marches et arrêts sont d’autant plus fréquents que les besoins thermiques sont faibles. Ce fonctionnement dit cyclé est inévitable du fait de la surpuissance fatale de la PAC pour toutes les occurrences de besoins inférieures au besoin maximal. La régulation des régimes cyclés impose des seuils haut et bas de la température entre deux valeurs limites qui encadrent de ±2 K, voire de ±3 K, ce qui n’est ni favorable pour le confort, ni énergétiquement efficace. Des études menées au CEP [DGUP] [DGALN] montrent que le fonctionnement en régime cyclé peut réduire le COP de l’ordre de 20 %. Par exemple, dans un cas du régime permanent cyclé d’une PAC étudiée par le CEP, la   température de sortie du condenseur fixée à 35 °C montre une fluctuation entre 33 °C et 42 °C en régime cyclé. Les pertes énergétiques sont dues à :  une température moyenne de condensation supérieure au point de consigne du fait des cycles courts pour les fortes surpuissances de la PAC vis-à-vis des besoins  une partie de la puissance est utilisée pour remettre les parois des échangeurs en température et pour redistribuer le fluide frigorigène dans le circuit  lors des arrêts et en absence d’électrovanne, la pression tend à s’équilibrer dans l’ensemble du circuit par migration du fluide frigorigène du condenseur vers l’évaporateur. Le système doit compenser ce transfert de fluide à chaque démarrage pour atteindre un régime stabilisé  la remise en pression stable des échangeurs s’effectue avec des variations initiales fortes : pression de condensation plus élevée au démarrage et ce pendant plusieurs minutes, pression d’évaporation plus basse ; ces conditions transitoires entraînent une baisse du COP qui est d’autant plus marquée que le nombre de démarrages est grand  un appel important de courant à chaque démarrage équivalent à 5 à 7 fois le courant nominal de fonctionnement. Ne durant que quelques millisecondes, cette puissance est négligeable par rapport à la consommation totale, mais elle pénalise directement l’installation électrique. Ces effets dépendent directement de la fréquence de cyclage. Pour limiter les cycles de fonctionnement trop courts (1 à 2 minutes de fonctionnement), la régulation de ces PAC autorise généralement un dépassement de la consigne supérieure de la température de surchauffe pour les températures d’air extérieur élevées, là où la PAC est surpuissante. On doit donc noter que tous les cycles de fonctionnement dont la durée est inférieure à 5 minutes entraînent une baisse significative du COP réel due à l’ensemble des irréversibilités transitoires présentées ci-dessus. Une PAC air/air utilisant un compresseur à vitesse fixe, ayant une inertie thermique assez faible, profite de l’inertie du bâtiment pour fonctionner en régime cyclé. Elle s’autorise une fluctuation de la température du bâtiment. Cette fluctuation est mieux amortie tant que l’inertie du bâtiment est plus importante. En effet, la surchauffe du bâtiment mène à des déperditions plus importantes et donc à des consommations plus élevées. Le sousrefroidissent est limité afin d’éviter l’inconfort dans le bâtiment. Pour cela les compresseurs à vitesse fixe ne sont plus utilisés dans les PAC air/air. Ces dernières sont équipées de compresseurs à vitesse variable.

Compresseur à vitesse variable

Le compresseur à vitesse variable est un compresseur qui est capable de fournir une plage de puissance en variant la fréquence à ses bornes. Ces compresseurs sont capables normalement de fonctionner entre 50 % et 200 % de leur puissance nominale. Cette flexibilité est capable d’éviter le cyclage de la PAC sur une grande plage du fonctionnement à charge partielle. De plus, le fait d’éviter l’augmentation de la température de condensation évite la dégradation du COP thermodynamique. L’utilisation d’un compresseur à vitesse variable offre donc un atout considérable du point de vue de l’efficacité énergétique. La Figure V-3 présente l’évolution du COP en fonction de la puissance pour des systèmes à vitesse fixe et à vitesse variable. Avec un compresseur à vitesse fixe, la performance se dégrade à charge partielle. Ceci a été mis en évidence par Henderson [HEN00]. Un compresseur à vitesse variable permet d’obtenir un fonctionnement continu du compresseur sur une large plage de puissance. L’efficacité énergétique est améliorée à charge partielle grâce à l’effet de surdimensionnement des échangeurs.