Laboratoire du froid- LGP2ES (EA 21) Cnam - Iffi Pompes à chaleur Chauffage – Production ECS

Laboratoire du froid- LGP2ES (EA 21) Cnam - Iffi

Pompes à chaleurChauffage – Production ECS

Conservatoire national des arts et métiers

Laboratoire du froid (LGP2ES) – PARISJanvier 2010

Votre titre Votre titre Pompes à chaleur

Marché des Pac - Historique

Depuis 2002

Cible privilégiée : bâtiment neuf (2002-2005) puis rénovation

Développement contrôlé du marché, suivi d’une démarche qualité

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

Sol 7700 5400 6800 7800 9600 9600

Eau 3600 4900 5400 8850 9000

Total géothermie 7700 9000 11700 13200 18450 18600 19430 14349

Evolution /an (%) 16.9 30.0 12.8 39.8 0.8 4.5 -26.2

Air/Eau 4400 4700 5600 12000 35050 51000 1E+05 1E+05

Evolution /an (%) 6.8 19.1 114.3 192.1 45.5 160.9 -19.9

TOTAL 12100 13700 17300 25200 53500 69600 2E+05 1E+05

Evolution /an (%) 13.2 26.3 45.7 112.3 30.1 119.1 -20.7

Nombre d'unités pour l'année

Depuis 2005 : Facteur 4

Mise en place du crédit d’impôtsPrise en compte des bâtiments existants (PAC air/eau)

Développement de la demandeDiversification de l’offre :

amélioration des performancesadaptation aux sources de chaleurélargissement de la plage de fonctionnement

PAC adaptées au bâti existant

Objectif : proposer des PAC prêtes à l’emploi, comme les chaudières

Outils qualité

Pour les machines : NF PAC (organisme certificateur : Certita)Pour les installateurs : charte QualiPAC (AFPAC)Pour les foreurs : AQUAPAC + charte qualité

Révision annuelle des critères d’attribution du crédit d’impôts :

Exemple :2009 : le COP minimum est de 3,3 et

le fonctionnement de la PAC doit être garanti par le constructeur jusqu’à –15°C

2010 : PAC air/air hors crédit d’impôts et COP>3,4

Outils qualité : NF PAC

marque volontaire, délivrée par l’AFAQ-AFNOR Certification, conformité des PAC aux différentes normes en vigueurrespect de performances minimales

Produits : PAC aérothermiques et géothermiques de puissance calorifique =<50 kW.

Pour ces différents produits, elle certifie les paramètres suivants :•Les coefficients de performance (COP) avec un seuil minimum pour différents points de fonctionnement ; •La puissance thermique ; •Le niveau de puissance acoustique.

Procédure :essais sur différents produits de la gamme audit des unités de fabrication (vérifier la conformité aux

normes et aux spécifications complémentaires du référentiel NF PAC.

Fabricants

Outils qualité : Qualipac

Appellation de confiance (AFPAC, 2007, +ADEME+EDF).

Obligations :

•Disposer de personnels ayant validé le cursus de formation élaboré par l’AFPAC et le COSTIC ; •Accepter le contrôle chaque année d’au moins une de ses installations par un organisme indépendant ;

•Proposer des PAC NF PAC

•Respecter une Charte Qualité en 10 points.

Installateurs

Outils qualité : Qualipac

Charte Qualité : 1.Donner suite à l’appel client sous 2 jours ouvrables ; 2.Conseiller et assister le client dans le choix des solutions les mieux adaptées à ses besoins ; 3.Remettre un devis gratuit et détaillé avec du matériel NF PAC - ou respectant les mêmes exigences - dans le délai convenu avec le client ; 4.Informer le client sur l’existence des incitations fiscales et des offres de financement en vigueur ; 5.Définir les besoins du bâtiment à l’aide d’une étude thermique (selon la norme NF EN 12831) et réaliser l’installation dans les règles de l’art ; 6.Procéder à une mise en service, puis une réception de l’installation, en présence du client ; 7.Procéder à une mise en main personnalisée de l’installation, avec remise de documentation et proposition systématique de contrat d’entretien ; 8.Remettre une facture détaillée de la prestation, conforme au devis ; 9.Proposer une garantie de deux ans ; 10.Remettre au client les documents permettant le suivi de sa satisfaction (Carte T).

Outils qualité : Aquapac

Assurance couvrant les risques géologiques liés à la possibilité d’exploitation énergétique d’une ressource aquifère à moins de 100 m de profondeur, puis au maintien de ses capacités dans le temps.

Cette assurance concerne les installations utilisant des pompes à chaleur d’une puissance thermique supérieure à 30 KW.

Double garantie :- garantie de recherche : ressource en eau souterraine insuffisante pour le fonctionnement des installations tel qu’il avait été prévu,

-garantie de pérennité : risque de diminution ou de détérioration de la ressource, en cours d’exploitation.

AQUAPAC assure pendant 10 ans les investissements réalisés pour le captage et le transfert de la ressource jusqu’à l’échangeur eau-eau et sa réinjection.

Maîtres d’ouvrage

Mesures financières

Depuis 2002

CopADoc ADEME

Emissions de CO2 liées au

chauffage d’une maison

Maison de 130 m2 ; climat normal

Dénomination des PAC

Energie ‘’motrice’’

PAC X/Y

Imprécision avec les PAC indirectes

Types de PAC

Directe

www.geothermie.net

Types de PAC

Indirecte

www.geothermie.net

Types de PAC

www.geothermie.net

Définition des COP

• Indice de performance

WauxWcp Auxiliaires :PompesVentilateursTélécommandeRégulationRésistances…

Ip = Q

Définition des COP

• COP PAC +auxiliaires :DégivrageRégulationAppointCirculateurs….

Définition des COP

• COPA :COP MESURE par comptage des énergies entrantes et sortantes pendant UNE année dans le bâtiment

• SPF : Estimation théorique du COPA

Définition des COP

Source : Ravel (Suisse)

PAC à CMV : bref rappel

Eau ou air

condenseur

évaporateur

Eau ou air

condenseur

évaporateur

PAC CMV : COP Carnot

02468101214161820

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15Tev (°C)

30°C25°C20°C

70°C50°C

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15

Tev (°C)

30°C25°C20°C

PAC CMV : COP Carnot

02468101214161820

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15Tev (°C)

30°C25°C20°C

70°C50°C

PAC CMV : T refoulement

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10

T évaporation (°C)

propane

T condensation : 65°C

PAC CMV : plage fonctionnement compresseur

PAC CMV : plage d’utilisation

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

T départ eau (°C)

T ext (°C)T ext (°C)

PAC CMV : fluides frigorigènes

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

h (kJ/kg)

T (°C)

0 100 200 300 400 500 600

h (kJ/kg)

T (°C)

propane

R-410A

R-407C

R-134a

Vanne quatre voies

Refoulement compresseur

Unité externecondenseur

Unité interne

évaporateur

Vers aspiration

Unité interne

condenseur

Unité externe

évaporateur

Vers aspiration

Refoulement compresseur Refoulement compresseur

Unité interne

évaporateur

Vers aspiration

Unité interne

évaporateur

Vers aspiration

Unité interne

évaporateur

Vers aspiration

Unité interne

condenseur

Unité externe

évaporateur

Vers aspiration

Unité interne

condenseur

Unité externe

évaporateur

Vers aspiration

PAC CMV : Circuit avec un détendeur

Ech Int

Ech ext

Ech Int

Ech ext

Ech Int

Ech ext

PAC CMV : Circuit avec deux détendeurs

Ech ext

PAC CMV : Circuit avec deux détendeurs

Ech Int

EchInt

Echext

Nouvelles architectures

Pac HT AIRWELL

Source extérieure : airCaptage de chaleur dans l’air

extérieur-évaporation directe-refroidissement indirect (utilisation d’un frigoporteur)

Circulation de l’air :-forcée (batterie ailetée avec ventilateur) -naturelle (batterie ‘’statique’’)

Source extérieure : air

Air statique :

Avantages : pas de ventilationle givre ne gêne pas le transfert de chaleurutilisation possible de l’énergie solairePas de gêne sonore

Inconvénient :Température d’évaporation plus basse

Air pulsé :

Avantage : transfert de chaleur amélioré

Inconvénients :Consommation des ventilateurs

(10% de la consommation de la PAC)Formation de givre et nécessité de dégivrage

(jusqu’à 20% de la consommation)Niveau sonore

Givrage

retour eau (=entrée condenseur) en °C

air (entrée batterie) en °C 2

COP = 100%

= 100%Q

Humidité Relative en % 90

Débit volumique d’eau en l/h 2300

Givrage

COP = 90 % = 89 %Q

COP = 80 % = 73 %Q

Givrage

Sonde températurefin de dégivrage

Givrage

influences du givre dans le temps

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00 400,00

Enthalpie (kj/kg)

-20,00

-10,00

régime stationnaire

après 1h40 de givrage

au bout de 2h30 de givrage

aspiration

entrée cond

refoulement

entrée evap

sortie cond

Conséquences du givre

Givrage

Dégradation du COP instantané

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000

Tps en s

Tair=5°C; HR=65%

Tair=4.5°C; HR=60%

Tair=4°C; HR=80%

Tair=3.3°C; HR=75%

Tair=3°C; HR=95%

Tair=2°C; HR=90%

Dégivrage

Evolution des performances de la PAC

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Tps de fonctionnement en mn

COPinstantané en %

rendement dudégivragedurée de dégivrage

Dégivrage

Qdj : quantité de chaleur totale nécessaire au dégivrageü Q+ : quantité de chaleur servant à la mise en des masses métalliques concernées

ü Qrg : quantité de chaleur nécessaire au réchauffement du givre

ü Qf : quantité de chaleur utile à la fonte du givre

ü Qsec : quantité de chaleur servant au réchauffement de l’eau résultante et au séchage

ü Q- : quantité de chaleur servant à refroidir les masses métalliques concernées

QQQQQQdj frg sec

degi=(Qrg+Qf+Qsec)/Qdj

Dégivrage

masse de givre

consommation

: dépenses supplémentaires liées aux givrages/dégivrages (par h)2: dépenses supplémentaires de l'installation (par h) ne change pas

conso mini 1

masse 1

masse 2

conso mini 2

Givrage - DégivrageP u i s s a n c e c a l o r i f i q u e d e s 3 P A C

0 : 0 0 2 : 0 0 4 : 0 0 6 : 0 0 8 : 0 0 1 0 : 0 0 1 2 : 0 0 1 4 : 0 0 1 6 : 0 0 1 8 : 0 0 2 0 : 0 0 2 2 : 0 0 0 : 0 0

h e u r e s

P A C 1

P A C 2 ( D E G I P A C )

0 : 0 0 2 : 0 0 4 : 0 0 6 : 0 0 8 : 0 0 1 0 : 0 0 1 2 : 0 0 1 4 : 0 0 1 6 : 0 0 1 8 : 0 0 2 0 : 0 0 2 2 : 0 0 0 : 0 0

h e u r e s

24 février 2005

PAC 1 (temps de givrage fixe)PAC 2 (DEGIPAC)

Pas de dégivrage avec le système optimisé

PAC 1 = 28PAC 2 = 9

P u i s s a n c e c a l o r i f i q u e d e s 3 P A C

0 : 0 0 2 : 0 0 4 : 0 0 6 : 0 0 8 : 0 0 1 0 : 0 0 1 2 : 0 0 1 4 : 0 0 1 6 : 0 0 1 8 : 0 0 2 0 : 0 0 2 2 : 0 0 0 : 0 0

h e u r e s

P A C 1

P A C 2 ( D E G I P A C )

0 : 0 0 2 : 0 0 4 : 0 0 6 : 0 0 8 : 0 0 1 0 : 0 0 1 2 : 0 0 1 4 : 0 0 1 6 : 0 0 1 8 : 0 0 2 0 : 0 0 2 2 : 0 0 0 : 0 0

h e u r e s

24 février 2005

PAC 1 (temps de givrage fixe)PAC 2 (DEGIPAC)

Pas de dégivrage avec le système optimisé

PAC 1 = 28PAC 2 = 9

Inversion de cycle

101214161820222426283032

5480 5530 5580 5630

Temps (s)

PAspicpPRefoulcpPSdet_pac

Inversion de cycle

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28Temps (s)

nisPref

•Pas d’autorisation nécessaire•Faible coût d’installation

•Tmax (dép eau) limitée (basses Text d’hiver)•Faible COP•Givrage•Condensats :conduite protégée contre le gel•Attention aux émissions sonores

• PAC extérieure :

- protection contre personnes, neige, feuilles, poussières, petits animaux…- éviter les implantations au nord- éviter la recirculation de l’air sur l’évaporateur- attention aux nuisances sonores (voisinage)

• PAC intérieure :

- soigner le dimensionnement des gaines d’air(pression disponible des ventilateurs)

- isoler les gaines d’air (thermique/acoustique)- éviter les pièces chauffées- vérifier les dimensions du local

(maintenance)- prévoir l’évacuation des condensats

Source extérieure : air extrait

Source extérieure :air extrait + puits

canadien

Source extérieure :air extrait + puits

canadien

Source extérieure : eau de surface

Utilisation soumise à déclaration et/ou autorisation

Température variable : eau glycolée si <10°Cnon utilisable si <5°C

Vérifier la température de l’eau restituée

Source extérieure : eau souterraine

Température constante : 10°C à 15°C Dimensionnement de la pompe de prélèvement

Source extérieure : eau

Analyse de l’eau : ph>7 fer dissous<0,15 mg/lmanganèse<0,1 mg/lparticules et organismes

Eau de surface : 300 à 400 l/h par kWEau souterraine : 150 à 200 l/h par kW

Soumis à déclaration et/ou autorisation

Doc TI ; Pompes à Chaleur ;Auzenet ; Clerc-Renaud

Utilisation directe

Doc TI ; Pompes à Chaleur ;Auzenet ; Clerc-Renaud

Echangeur intermédiaire

Source extérieure : sol

A MERMOUD ; EPFL

Source extérieure : sol

Source extérieure :rejets thermiques

Chaleur condenseur machines frigorifiquesEaux usées des réseaux urbainsEaux de refroidissement de processus industriels

Etc….

Source intérieure : air

Condensation directe + ventilateurCouplage à l’unité extérieure :

15 à 20 m

Tsoufflage maxi ~ 35 °C

Pas d’inertie : réponse rapide

Modulaire et évolutif

Chauffage – rafraîchissement déshumidificationTraitement air neuf hygiénique

Source intérieure : air

Réseau de gaines : dimensionnement très important

Risque de court-cycles à cause de la faible inertie

Consommation électrique pour le réseau de gaines

Entretien des gaines (nettoyage)

Source intérieure : plancher chauffanttempérature uniforme, faible gradient de températuretempérature des pièces uniforme, sans convection froide et sans point chaud rayonnant, ce qui augmente la sensation de confort.

Source intérieure : plancher chauffant

Source statique (pas de mise en circulation de l’air)

Chauffage direct : pas de rafraîchissement possible

Tmax plancher = 28°C : régimes d’eau 30°C/35°C à 35°C/40°C

Bâtiments neufs : Chape humide , d’où grande inertie thermique

- possibilité de stockage- tenir compte du temps de réponse dans la

gestion thermique

Rénovation : Chape sèche , inertie thermique plus faible

- prévoir un accumulateur

Source intérieure : plancher chauffant

Coefficients d’échange (W/m2.°C )

Chauffage Rafraîch.

Plancher 11,6 7

Mur 10 9

Source intérieure : ventilo-convecteurs

VC «basse température» : 40°C/45°C à 45°C/50°C

Consommation ventilateurs + régime plus élevé :COP élevé, mais plus faible qu’avec

radiateurs

Pas d’inertie thermiqueTempérature uniforme Rafraîchissement, déshumidification d’un local, traitement d’air neuf

Source intérieure : radiateurs

Radiateurs + chaudière : 70°C/90°C

Radiateurs + PAC : 40°C/50°C (Tmax 65°C)

Système le moins cher, mais température pas homogène.

K faible : inertie thermique importante.

Pas de rafraîchissement.

Puissance d’un émetteur de chaleur

KS ; Tm

K= f(qm, DT,…)

=H(Ti-Te)besQ

=KS (DTLM) =qmcp(DT)

• rayonnement : Qr = S x hr x (Tm - Ti)

hr = Ec x (Tm + Ti) x (Tm2 + Ti

2) x Co

Co = 5,67051 x 10-8

• convection : Qc = S x hc x (Tm - Ti)radiateur :hc = 5,6 x ((Tm - Ti) / (Tm x h))0,25

T ~ Tm-Ti

• N : loi d'émission de l'émetteur. n augmente si :

hr diminuehauteur de l'émetteur augmente.

nTAQ .

Puissance d’un corps chauffant

nTAQrad .

planchers chauffants, plafonds rayonnants : n = 1 à 1,1 :

émetteurs convectifs : n = 1,4 à 1,5 ;

radiateurs : n = 1,287 par défaut

nTAQrad .

n : planchers chauffants, plafonds rayonnants : 1 à 1,1 ; émetteurs convectifs : 1,4 à 1,5 ;radiateurs : 1,287 par défaut

nTAQrad .

Valeurs nominales : TN = 50°C (80/60°C ; 20°C)

)/(. NréelQQ TT

Nréel

P thermique (W) NF EN 442 Modèle

DT 50K DT 60K Pente

A 181 231 1,33709 B 164 209 1,32938 C 146 185 1,31199 D 127 161 1,30498 E 95 120 1,28445

Sélection d’un radiateur

KS ; Tm

DTNom=50°C

EX : Qbes = 1245W ; Td/Tr=60°C/50°C ; Ti=20°C : T = 35°C

QN =1245/(35)/50)1,287=1970 W

Puissance catalogue nécessaire :

réelN

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Débit (l/h)

T entrée constante :T 5 à 30 °C

(75°C/65°C)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Débit (l/h)

Besoins : 1500 W ; H=43 W/K

Teau = 10 °C

Débit nécessaire : 129 l/h

débit installé : 0,8*129 l/h = 103 l/h (manque de débit)

Teau = 12,5 °C (75°C/62,5°C) ; Tm = 68,75°C

Qinstallée=Dep*(DT/DTNom)n

=1500*(48,75/50)1,287

=1452W (-3,3%)

Ti=20°C ; Te=-15°C

Tréel=1452/43-15 = 18,8°C

Courbes de chauffe

=H(Ti-Te)besQ

nTAQrad .

lois de température

Numéro de loi d’eau = pente(Variation Teau/variation Text)

Choix de la pente :Tbase = -15°C ; Tmax =80°C

Pente = 1,6

Décalage parallèle = modif température intérieureDécalage = 0°C : Ti = 20°C (courbe I)Décalage = -8°C : Ti = 12°C (courbe IIa)

Réglage II : arrêt chauffage si Text>2°C

PAC en substitution de chaudière sur

réseau d’eau

PAC en relève de chaudière

sur réseau d’eau

Production d’ECS

légionelles : Tecs= 57°C à 60°C,

ECS sur PAC seule : pas encore intéressant (coût et performances)

Solutions : Appoint (électrique, solaire, gaz…)Préparateur indépendant

Production d’ECS

Production d’ECS mono-énergie

Production d’ECS bi-énergie

Couplage PAC/Solaire

PAC +capteurs solaires

capteurs solaires +appoint électrique

Capteurs solaires : PC, ECS, régénération du sol

Thermofrigopompes

Utilisation simultanée des deux sources

WQQCOP frch

Charge thermique

E V A P O

condenseur

Charge Frigorifique prioritai re

Thermofrigopompes

Utilisation simultanée des deux sources

WQQCOP frch

condenseur

Charge thermique

prioritai re

Thermofrigopompes

Surface : 16 633 m2 ; G =0,42 W/m3.°C ( G1 ref de 0,53 W/m3.°C).

2 PAC eau/eau (600 kW chaud,600 kW froid) sur réseau de ventilo-convecteurs 4 tubes et CTA avec récupérateurs

Forage : 2 pompes de 100 m3/h maxi.

Coûts d’investissements en 1995 :

• 149 euros/m2, pour le chauffage, la climatisation, la ventilation,

• 21 euros/m2 pour la GTB(1), soit un total de 170 euros/m2.

Thermofrigopompes

consommations et performances sur 9 ans (1998/2006)conso moyenne annuelle totale : 154 kWh/m2 COP= 3,8moyenne nationale : 250 kWh/m2

coût moyen : 8,4 eurosHT/m2 ; consommation PAC et pompes de puits : 39 kWh/m2

(2,49 eurosHT/m2) pour 66 kWh Chaud/m2.

coût moyen de production chaud/froid : 16 eurosHT/MWh.

économie annuelle sur solution traditionnelle (chaufferie gaz et groupe froid) :

0,94 eurosHT/m2 , soit 37%- 14,8 kg de CO2/m2

,,soit 70 %.

Dimensionnement d’une PAC

But : PAC = chaudièrepour installations neuvespour réseaux existants

Compromis : coût d’installation/ coût d’exploitation

Objectif : temps de retour maxi ~ 3 ans

Dimensionnement : choix de la source extérieure

Air Coût d’investissement prioritaireRégions de protection d’eauRénovation en habitat denseClimat (doux et humide ou très froid défavorable)Aucune démarche

Eau Disposer de la ressource en eau de façon pérenneCoût d’exploitation privilégiéClimat non favorable pour l’airDéclaration ou autorisation

Dimensionnement : choix de la source

extérieure

Capteurs horizontaux Sol humide, faibles besoins de chauffage

ou grande surface de terrainPlacés entre 0,6m et 1,4m de profondeur50 à 60% moins cher que les capteurs verticaux Free cooling

Capteurs verticaux Habitat denseTerrain insuffisant, sol secPlacés entre 30m et 300m de profondeurCoût d’installation très élevéDéclaration ou autorisation

Source Air Eau surface Eau souterraine

Capteur horizontal

Capteur vertical

T hiver (°C) -20/ +16 0/ +20 +13 -3/ +10 0/ +8 T été (°C) +12/ +35 +10/ +20 +13 +6/ +15 0/ +8 Encrassement échangeurs

f aible notable négligeable nul

Risque de gel givrage réel Si panne Si sous dimensionné Prod. ECS partielle oui oui Appoint Nécessaire pour

la majorité Pas nécessaire

Pas nécessaire

Démarches administratives

Non ; attention au bruit

Dir. départale agriculture et

f orêts

Oui ; f oreur obligatoire

extérieure

Source Air Eau surface Eau souterraine

Capteur horizontal

Capteur vertical

Raccordement à la source

OK Distance, qualité eau

Accés f oreuse

Travaux, surf ace

Accés f oreuse

Circuit frigoporteur

Pas utile Selon qualité eau

préférable

Dimensionnement (par kW Pch)

300/ 400l/ h 150/ 200 l/ h

Séchange = 30 à 60m2

L =15m, espacées de 10m

mini Dim capteurs

et PAC Points délicats Plage de

f onctionnement Bruits

vibrations emplacement

Pollution Gel

Débit maxi d’eau

autorisé

Forage Débit max prélevable

Surf ace et config terrain

extérieure

Coûts

Source extérieure

Source intérieure

Prix TTC euros/m2

FonctionnementTTC euros/m2/an

Air extérieur ou air extrait

air 60 à 90

2,5 à 4

Air extérieur Eau 60 à 90

2,5 à 4

Sol détente directe

Eau 80 à 110 2,3 à 3,5

Eau glycolée ; capt horizontal

Eau 85 à 135

2,3 à 3,5

Eau glycolée, capteurs verticaux

Eau 145 à 185

2,3 à 3,5

Eau de nappe Eau 80 à 130 2,3 à 3,5

Dimensionnement

Pré-étude :Choix des sources ; implantation

Courant électrique

Dimensionnement :Besoins thermiques ; température départ

eauNeuf :

Bilan thermiqueDimensionnement émetteursMono ou bivalentPuissance PACPuissance Appoint

Rénovation :Bilan thermique ; Tmax départCorrection éventuelleCouplage chaudièrePuissance PACPuissance Appoint

Dimensionnement : démarches

• Administratives

• Rénovation : circuit électrique

• Températures mini et maxi de la source extérieure hiver/été

Dimensionnement : études préalables Source extérieure : air

PAC à l’intérieur

dimensions du local :- PAC + accessoires- maintenance- réseau de gaines avec isolation thermique

Raccordement au réseau de chauffage

Réseau de gaines pour air extérieur

Ventilation du local

Evacuation des condensats

Isolation thermique et phonique

PAC à l’intérieur

Local non ventilé : Masse de fluide < Lp.Vlocal

(m3)Lp = limite pratique de concentration (kg/m3)R-407C : 0,31R-410A : 0,44

Sinon : extraction obligatoireVentilation naturelle : Section

>=0,14.Mfrigo0,5

Ventilation mécanique : =14.Mfrigo2/3

PAC à l’extérieur

Implantation :- orientation (sud)- maçonnerie- habillage- protection : pluie, neige, feuilles, rongeurs

Raccordement au réseau de chauffage

Les accessoires sont toujours placés à l’intérieur d’un local (module hydraulique…)

Limitation des émissions sonores

Dimensionnement : études préalables Source extérieure : eau

Nappe souterraine

Accès pour la foreuseAvant forage : étude géologique

vérifier la présence d’une nappe souterraineconnaître le débit prélevable

les températures mini maxiEau de surface

Connaître le débit mini prélevableles températures mini/maxila qualité de l’eau

Dimensionnement : études préalables Source extérieure : sol

Capteur horizontal

Vérifier la surface de terrain disponiblel’accessibilité (dégagement)

Capteur vertical

Accessibilité pour les appareils de forage

Choix des sources

• sol horizontal : 30 à 60 m2/kWchauffage

• sonde géothermique : 15 m/kW (prof 100 à 300 m).

• nappe phréatique :150 à 200 l/h/kW minimum

• eaux de surface : 300 à 400 l/h/kW minimum

Coûts d’installation/coûts d’exploitation

Dimensionnement : études préalables

Installation électrique

Logements (NF C 15-100) : Imax = 45A ; mono 220V

Moteurs : Pmax = 1400W

Dans certains cas, passage en triphasé nécessaire

Dimensionnement :besoins thermiques

Selon :

- utilisation : Chauffage ; ECS ; chauffage+ECS

- contexte : bâtiment neuf ; rénovation

Dimensionnement – Besoins de chauffage

• Bâtiment existant : !Chaudières surdimensionnées

d’après consommation, ou mesures effectuées

Relations empiriques : Puissance dimensionnement

avec ECS: C/280 (kW) (80% puissance chaudière)

sans ECS : C/250 (kW) (90% puissance chaudière)

C : consommation annuelle (m3 gaz ou l fuel)

Bâtiment neuf :Bilan thermique selon DTU et RT2005

Dimensionnement :besoins chauffage

Bilan thermique

global : puissance PACpar pièce : dimension émetteurs

température extérieure de base (Tbase)

température des locaux : selon pièce étudiée , température réglementaire : 18°C

chQ = f(Uparois,Sparois, renouv air)

Pour une zone climatique donnée,

Tbase : valeur minimale constatée au moins 5 jours par an sur une période de trente ans

Altitude (m)

Tbase (°C) selon la zone

A B C D E F G H I 0- 200 -2 -4 -5 -7 -8 -9 -10 -12 -15

201- 400 -4 -5 -6 -8 -9 -10 -11 -13 -15 401- 600 -6 -6 -7 -9 -11 -11 -13 -15 -19 601- 800 -8 -7 -8 -11 -13 -12 -14 -17 -21 801- 1000 -10 -8 -9 -13 -15 -13 -17 -19 -23 1001- 1200 -12 -9 -10 -14 -17 -19 -21 -24 1201- 1400 -14 -10 -11 -15 -19 -21 -23 -25 1401- 1600 -16 -12 -21 -23 -24 1601- 1800 -18 -13 -23 -24 1801- 2000 -20 -14 -25 -25 2001- 2200 -15 -27 -29

Dimensionnement :besoins chauffage Déperditions :

transmission par les parois + infiltrations/renouvellement d’air

Parois : éléments de paroi + liaisonstransmission surfacique : UA.T) [W]transmission linéique : YL. T) [W]

(murs, sols, planchers, portes, fenêtres,….)

T = Ti-Te

Ti = Température intérieureTe : température de base si paroi exterieure température local adjacent si paroi intérieure

Dimensionnement :besoins chauffage Bilan thermique

Infiltrations : perméabilité du bâtiment ou de la pièceRenouvellement : ventilation

R.Vh.(Ti-Te)Vh : volume habitableTi : Température intérieureTe : Température extérieure de base

Infiltrations : perméabilité du bâtiment ou de la pièceRenouvellement : ventilation

R : 0,2 si VMC auto-réglable0,14 si VMC hygroréglable A 0,12 si VMC hygroréglable B

Dimensionnement :Température de départ

• rénovation : mesure des T départ/ retour dans chaque pièce, vs Text ; à défaut, calcul

Dimensionnement :Température de départ

• rénovation : atteindre Td minimale

• Td<55°C : OK

• 55°C<Td<65°C : – Quelques pièces : améliorer l’isolation thermique des pièces, ou changer les radiateurs– Toutes les pièces : améliorer l’isolation de la maison, ou changer les radiateurs, ou installer une PAC moyenne température

• 65°C<Td<75°C : améliorer l’isolation, changer les émetteurs ou installer une PAC haute température

Dimensionnement :température d’eau

Pour chaque pièce : Puissance chauffagesélection radiateur (neuf)

OU calcul Teau (rénovation)

chQ = 1800 W (Tbase = -7°C)

50Q =146 W/élément

N = 1,3119912 éléments ; Ti = 20°C

861,0)50/(50 NQA

Envisagé :Ti = 20°C ; Teau,moy = 70°C ; Talim=75°C

50Q = 12*146 = 1752 W

Dimensionnement :température d’eau

chQ = 1800 W

Conditions réelles

DT = 51,1°C ; Ti = 19°C ; Teau= 75,1°C

initial isolation Srad iso+S

W 1800 1440 1800 1440

Nbre élts 12 12 18 18

W 150 120 100 80

DT néc K 51,1 43,1 37,5 31,6

Tmoy °C 70,1 62,1 56,5 50,6

Talim °C 75,1 67,1 61,5 55,6

Intérêts d’un renforcement de l’isolation

• économies :

• diminution du besoin en chaleur>>PAC moins puissante et moins coûteuse.>>diminution du besoin annuel du chauffage >>températures départ plus basses, meilleur COPA

• isolation thermique améliorée >> Augmentation des températures moyennes

des parois : même confort, températures ambiantes plus basses

Dimensionnement : amélioration de l’isolation

Intérêts d’un renforcement de l’isolation : exemple

besoin en chaleur : 20 kW ; 40.000 kWh annuel chauffage à eau chaude (65 °C/ 50 °C).

isolation thermique ultérieure :besoin en chaleur 15 kW (-20%) ; 30.000 kWh/an.température départ moyenne 55°C :

COP augmente de 20-25%.

Economie globale en coûts énergétiques : 44% dans le cas d’une installation de chauffage par pompe à chaleur.

maison d’habitation

Choix du fonctionnement

Monovalent (ou mono énergie) : 100% PAC

Bivalent alterné : T> Téquil : 100% PAC

T< Téquil : 100% chaudière

Bivalent parallèle (ou simultané) : T> Téquil : 100% PAC

T< Téquil : PAC + chaudière

T< Tarrêt : 100% chaudière

Fonctionnement mono énergie

Tout électrique :PAC + appoint

Faibles puissances(MI)

Fonctionnement monovalent

Fonctionnement bivalent alternatif (rénovation)

bivalent parallèle ou partiellement parallèle

Dimensionnement : ECS

• Consommation : 80 à 100 l/j /personne (0,2kW)

• Utilisation de profils type de puisage

• Prise en compte de l’ECS selon :gestion de la PAC mode de production ECS

• Volume stockage éventuel : 50 l/pers ; mini = 300l

Production Collective % I ndividuelle Coûts investisst/ entretien diminuent Durée de vie Augmente Encombrement diminue Rendement production augmente Puissance installée Diminue (f oisonnement) Pertes thermiques (stockage+distribution) Traitement Légionnelles Gestion conso individuelles

Production collective sauf si : MI, ou alors si :Distances importantes ; mauvais foisonnement ;

puisages spécifiques

Utilisation : logement collectif, individuelbureaux, école, hôpital…

Neuf/rénovation

Rénovation : relevé de consommations réelles

Neuf/rénovation :calcul débits instantanés/puisageutilisation de profils type

Calcul des besoins courbes de puisage!

Profil type logement (AICVF)

Base : 24

l/jour

Profil type hôpital (AICVF)

Profil type hôtellerie (AICVF)

Profil de puisage : à moduler selon le mois de l’annéele niveau de confort

consommations Energie puisée

Consommation : Tdistri(35 à 45°C) <Tproduction(60°C)

Vol(60°C) = Vol(Tdistrib). (Tdistri- 10)/(Tprod-10)

Courbe des besoins consécutifs

Profil de puisage : à moduler selon le mois de l’annéele niveau de confort

consommations Energie puisée

Evolution des besoins maximaux consécutifs en énergie pour 1 heure, 2 heures, 3 heures

E = 1,16*Vol*(Tprod-10)/1000(kWh) litres

Rappel : 1 Wh = 3600 W.s=3600 J

Puisage maxi en :1 h : 1 406 l (18-19h)2 h : 1 992 l (18-20h)3 h : 2284 l (6h-9h)3 h : 2284 l (6h-9h)

Hotellerie

Semaine

E= 1,16.vol.DT/1000

kWhlitres

Tdépart - 10

!Tdépart normalisée

Dimensionnement : ECSBesoins continus

Dimensionnement : ECSProduction instantanée

Puissancenécessaire :

Dimensionnement : ECSProduction + stockage

Stockage : 125 kWh

Puissancenécessaire :

Profil type hôtellerie (AICVF)

Reconstitution : 8 h

Dimensionnement : ECSAccumulation

Stockage : 410 kWhÀ reconstituer en 8 heures

Couples (puissance ; Volume stockage)

Courbe d’égale satisfaction des besoins :

Consommation journalière moyenne : CJ Puisage de pointe journalière Vph : 0.75.CJPériode de pointe Tph : durée du puisage Vph

Puisage de pointe à 10 min : 0,3.CJ

Démarche générale

Puisage de pointe journalière

10 mn ; 0,3.CJ Tp –1/6 h ; 0,45.CJ

Dimensionnement : ECSTypes de préparation

Instantanée Aucun stockage.

préparateur absorbe la pointe max

1/2 instant. pointe à 10 mn : stockage + échangeur

Q échangeur : pointe Vph restante

½ accumul. Tranche horaire max : stock.+ échangeur

Q échangeur : remise en température

accumulation Consommation journalière sur stockage

Q échangeur : remise en température

Puissance préparateur :

Instantané : (l/h)= débit de pointe à 1O min

Stockage : Vsto = O

Puissance :

= 1,16. .DT/1000 (kW)E V

distriEE

Production instantanée

Dimensionnement : ECSCoefficient d’efficacité

Vitesse trop élevéeT trop froide

Température retour trop froide

Circulation interne :Manque d’isolation

Ballon horizontal !!!!

Vtotal = 200l à 60 °C

Puisage : 100 l

Stratification :Bonne :Reste 100l à 60°C

+ 100l à 10°C

Mauvaise :Reste 200l à 35°C

Dimensionnement : ECSCoefficient d’efficacité

a : coefficient d’efficacité

0,4 à 0,95Mauvais excellent

½ Instantané :

Stockage : Vsto = 1OOO.Esto/(1,16.(Tec-10)a)

Puissance :

= 1,16.V.DT/(1000.(Tph-1/6)) (kW)prépE

Production semi instantanée

Pointe journalière : Tph = 10 min+ restant ; Vph

Pointe à 10 minutes : Ballon + préparateur ; Vp10

Restant : préparateur ; V= Vph- Vp10 (l) en Tph-1/6 (h)

)6/1.(10 préppsto EEE

= Pdis+ 1,16.V.DT/(1000.(Tph-1/6)) prépE

½ accumulation :

Stockage : Vsto = 1OOO.Esto/(1,16.(Tec-10)a)

Puissance :

= 1,16.V.DT/(1000.Th) (kW)prépE

Production semi accumulation

Pointe horaire : ballon + échangeurRéchauffage entre pointes : préparateur

(V =10 à 20 % conso J en Th tranche hor. max)

hprépjoursto TEEE .

= Pdis+ 1,16.V.DT/(1000.Th) prépE

Puissance préparateur :

Accumulation : Vol = conso journalière

E = 1,16.vol.DT/1000 (kWh)

Stockage : Vsto = 1OOO.E/(1,16.(Tec-10)a)

Puissance : Pdist+ E/(0,9.Treconst)

0,9 : pertes thermiques ballon

a : coefficient d’efficacité

Bilan thermique : Calcul des besoins

Chauffage : déperditions pour tbase

ECS : Puissance préparateur

TOTAL si Chauffage + ECS :Instantané ou semi instantané : 1 - Puissance+puissance conso journalière max 2 - Puissance conso pointe ECS

Puissance totale = max (1,2)

Accu ou semi accu :Puissance totale = chauffage + ECS

Dimensionnement de la PAC

• ne pas surdimensionner une PAC.

• DT chauffage (DeltaT)< 5°C, (3 à 4°C) (consigne =Tretour) : Tdép reste

‘’basse’’

• DeltaT source froide< 5°C (2,5 à 3°C)

• Td dans les conditions de base, doit être la plus basse possible.

Puissance PAC vs besoins d’énergie

Température d’équilibre

Besoins

-12°C ; Td= 58°C????

-6,5°C ; Td= 53°COK

PAC Monovalente

• Dimensionnement :

• Besoins pour Tbase

• Attention à Tdép maxi

Substitution chaudière (mono énergie) PAC + appoint électrique

)(.8,06,0)( basechPAC TQàTQ

TarrêtTbaseTbase-5°C

chQ%.120chQchQ%.120appQ

appPAC QQ appQ

AIR/EAU

TarrêtTarrêt

T=Tbase T=Tbase T=Tarrêt

chPAC QàQ .2,18,0

chappPAC QQQ .2,1

EAU/EAU

Dtappoint<5K

Tsc~10°C

Substitution chaudière (mono énergie)

• Tbivalence <-10°C

• Tarrêt ~ -15°C

• Couverture >95%

Relève chaudière

chPAC QàTQ .8,05,0)( AIR/EAU

Tbase : PACQ augmente

Fonctionnement bivalent alterné ou parallèle

chPAC QàQ .2,18,0

EAU/EAU

Selon couplage

Relève chaudière Bivalent alterné

PACChaudière

Température bivalence

T=Tbase

Relève chaudière Bivalent parallèle

Chaudière

T=max(Tarrêt, Tbase)

Relève chaudière

Tbivalence~-5°C à 0°C

Couverture >80%

Dimensionnementlogement Bâtiment neufBâtiment neuf

A2 T base °C

B2 Besoins chauffage pour Tbase kW

C2 Besoins journaliers (24*B2) kWh/j

D2 Nbre habitants

E2 Besoins ECS (D2*4) kWh/j

F2 Puissance thermique nécessaire (C2+E2)/24

G2 Puissance thermique au delà limite de chauffage E2/24 (Tlim = 15°C)

H2 Td/Tr pour Tbase °C

Dimensionnementlogement RénovationRénovation

A3 T base °C

B3 Consommation d’énergie système ancien :

Chaudière ; ECS (15% chauffage) ; poêles..

L ; m3…

C3 Besoins journaliers chauffage

D3 Nbre habitants

E3 Besoins ECS (D3*4)

F3 Puissance thermique nécessaire

G3 Puissance thermique au delà limite de chauffage E3/24 (Tlim = 15°C)

H3 Td/Tr pour Text,1

Td/Tr pour Text,2

Td/Tr pour Text,3

Dimensionnement

logementA4 Source extérieure Air/Sol..

B4 Fabricant, type, fluide frigo kW

C4 Puissance thermique normalisée (A2/W35 ; B0/W35..cf EN 255)

D4 P absorbée pour dito kWh/j

E4 COP

F4 Tmax départ condenseur °C

G4 Tmin entrée évapo °C

H4 Points d’exploitation :

A--/W—

Dimensionnementlogement

Diagramme fonctionnement

Vérification

• point de fonctionnement pour Tdép et Text=Tbivalence

• plage de fonctionnement : Tdép , Tret

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

T départ eau (°C)

T ext (°C)T ext (°C)

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

T départ eau (°C)

T ext (°C)

Tmini :18°C

Résultat

A5 PAC choisie

B5 Fonctionnement monovalent jusqu’à

C5 Tdép maxi nécessaire

T arrét PAC

D5 Appoint électrique pour le chauffage

E5 Appoint électrique ECS-production ECS par basses températures-Élever T ECS-Lutte contre légionellose-NOTA : Vol chauffe eau : 50l/pers ; mini 300l

Exemple de schémahydraulique

PAC RDist

Pac sans accumulateur ; ECS

Un circuitPas de vanne régulation

Pas de robinet thermostatiqueECS ON

ECS OFF

Exemple de schémahydraulique Pac avec accumulateur //; ECS

Un circuit

chauffage ON

chauffage OFF

Exemple de schémahydraulique Pac avec accumulateur //; ECS

chauffage ON

chauffage OFF

Schémas pour pac bivalente

RDistChaud

PAC bivalente sur ballon

Tdép,ch>=Tdép PAC

Fin de la journée!!!

Utilisation d’un ballon accumulateur

• Accumulateur technique : découplage hydraulique

PAC Ballon

UtilisateurGénérateur

Débit PAC > débit utilisateur (DT PAC~5°C)

• Faible inertie du réseau de distribution• Pas de régulation de puissance sur la PAC• Plusieurs générateurs ou circuits en parallèle• Si réseau de radiateurs :

plus de 40% de vannes thermostatiquesou dégivrage par inversion du circuit

• Eviter les courts cycles

Pas d’accumulateur: augmenter plage neutre régulateur (périodes de fonctionnement acceptables).

Volume : Branchement parallèle : 20 à 25 l/kW Branchement série : 10l/kW

• Accumulateur thermique : UtilisateurGénérateur

Ballon

Chargement par étapes:

débit PAC constant ; Tballon varie : COP , mais Tballon non réglée

• Accumulateur thermique :

Chargement par stratification :

Tret PAC et Tball réglées : COP plus faible, mais Tball

constante

UtilisateurGénérateur

PAC Ballon

Vérification de l’implantation de la PAC

• ne pas surdimensionner une PAC. • DT chauffage (DeltaT)< 5°C, (3 à 4°C) ;(la

régulation se fait sur la température de retour PAC). On évite ainsi d'avoir des températures de départ trop élevées et ceci est important pour une installation en plancher chauffant où elle doit être limitée à 50°C.

• DeltaT source froide< 5°C (2,5 à 3°C)

• Td dans les conditions de base, doit être la plus basse possible.

• Eviter l'installation d'une vanne 3 ou 4 voies car elle va augmenter la température de retour PAC et donc créer des courts cycles, mis à part s’il y a un ballon tampon bien dimensionné.

Point de bivalence

Critères de choix :• Cycles de dégivrages• Climat considéré• Isolation et types d’émetteurs• Puissance électrique de l’installation• Type de couplage avec l’appoint• Compromis coûts• Ne pas surdimensionner la PAC

Coefficients de conversion de

l’énergie facteurs de conversionFrance (Effinergie) / Allemagne

(Passivhaus)

Sources : JO n° 225 du 28/09/2006 texte numéro 10 JO n° 112 du 15/05/2007 texte numéro 35

Facteurs de conversion

Effinergie® Passivhaus PHPP

Fuel 1 1,1

Gaz naturel 1 1,1

Gaz liquéfié 1 1,1

Charbon 1 1,1

Bois 0,6 0,2

Electricité Mix 2,58 2,7

Photovoltaïque 0,7

Pac HT AIRWELL

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