La pompe à chaleur Principes de base

2

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Principe de la thermodynamique

• Une pompe à chaleur est une machine qui transfère de l’énergie provenant des éléments qui nous entourent d’un niveau de température bas à un niveau plus élevé.

• Nous allons puiser cette énergie dans l’eau, l’air ou la terre en utilisant de l’énergie électrique qui sera également transmise à notre système de chauffage.

• Énergie gratuite + électricité = chauffage

3

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Principe de la pompe à chaleur

Chambre froide

CuisineFraîcheur

Le principe est identique à celui d’une chambre froide qui puisse l’énergie dans l’enceinte de la chambre pour la transférer à l’extérieure.

Le résultat de cette opération permet de refroidir les aliments en rejetant l’énergie à l’extérieur de l’enceinte de la chambre froide.

4

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Pompe à chaleur

ChauffageSource froide

Principe de la pompe à chaleur

AIR

EAU

TERRE

La pompe à chaleur fonctionne de la même manière en inversant les sources chaudes et froides.

5

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Principe de la pompe à chaleur

Pompe à chaleur

ChauffageSource froide

Niveau de température

– 15°à +25°C

0° à +10°C

+ 7° à + 12°C

De 20°à 55°C

6

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Principe de la pompe à chaleur

Source froide

Compresseur

Evaporateur Condenseur

Détendeur

Système de chauffage

Source chaude

7

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Compresseur

Condenseur Evaporateur

Détendeur

Aquatop

Principe de la pompe à chaleur

8

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Principe de la pompe à chaleur

Le transfert d’énergie se fait avec un fluide frigorigène qui a la propriété de changer d’état dans l’évaporateur en passant de phase liquide à gazeuse en captant de l’énergie sur la source froide. ( Évaporation )

Cette énergie contenue dans le fluide frigorigène en phase gazeuse est ensuite comprimée par le compresseur qui en augmente la température et la pression.

C’est l’énergie électrique utilisée par le compresseur qui est transférée au fluide frigorigène.

Le condenseur permet un transfert de cette énergie vers le circuit de chauffage en passant le fluide frigorigène de l’état gazeux à l’état liquide. ( Condensation )

9

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Principe des PAC

Pompe à chaleurCircuit de captage

Plancher chauffant

Radiateurs BT ou ventiloconvecteurs

AirPAC Air/Eau

SolPAC Eau glycolée/Eau

EauPAC Eau/Eau

10

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Principe des PAC

Pompe à chaleur

Circuit de captage

Plancher chauffant

Radiateurs BT ou ventiloconvecteurs

GAZ H.PGAZ B.P

LIQUIDE H.PLIQUIDE B.P

Evaporateur Condenseur

Détendeur

Compresseur

Emetteur idéal : plancher chauffant, confort et économies (25% par rapport à radiateurs BT)

11

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Détendeur

CompresseurCompresseur

Évaporation

Compression

Condensation

Détente

Évaporateur Condenseur

12

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Rotatif ou Alternatif

ScrollPiston

Les différents types de compresseurs

13

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Vue en coupe du compresseur

14

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Principe de fonctionnement d’un Scroll

Pas de pistonPas de vibrationCapacité du fluide plus importanteAugmentation de la puissance

15

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

4 kW

Energie motrice (électricité)

1 kW

5 kW

Le Coefficient de Performance : COP

Énergie naturelle

10°C 6°C

16

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Le Coefficient de Performance : COP

Puissance calorifique restituée 5

Le COP = = = 5

Puissance électrique absorbée 1

Pour 5 kW/h fournis : 4 sont gratuits ( énergie solaire )

1 seul est payé par l’utilisateur

17

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

C.O.P instantané ß =

Quantité de chaleur évacuée au condenseur

Quantité d'énergie nécessaire pour comprimer le fluide frigorigène

Le Coefficient de Performance : COP

18

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Quantité de chaleur évacuée au condenseur sur une année

Quantité d'énergie nécessaire pour comprimer le fluide frigorigène sur une année

C.O.P global µ =

Le Coefficient de Performance : COP

19

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Le Coefficient de Performance : COP

• Un COP de 5 signifie qu’un client qui serait en chauffagetout électrique type convecteur avec un coût annuel de l’ordre de 2000 € par an, ne payerait plus que 400 € par an.

•

Prix Elec COP = 1 COP = 3 COP = 5

Cts € kW/h0,11 0,037 0,022

Système de chauffage tout électrique

PAC AIR/EAU

PAC EAU/EAU ou

EAU Glycolée

20

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Critère de base des pompes à chaleur:

Plus l'écart de température entre la source froide et la

température des départs est faible, plus le COP sera élevé

Conséquences: Les planchers chauffant sont les meilleurs systèmes de chauffage pour les pompes à chaleur Dimensionner les planchers chauffant avec une température des départs la plus basse possible ( 35°C plutôt que 45°C ) Les PAC eau/eau et eau glycolée/eau peuvent fonctionner toute l'année en autonome Les PAC air/eau nécessite une source d'appoint pendant la période la plus froide de l'année

COP et niveau de température

Pompe à chaleurLes différentes sources froides

22

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Les différentes techniques de captage

Captage de l’énergie sur l’air extérieur

Captage en géothermie horizontale

Captage en géothermie verticale

Captage sur nappe phrèatique, sur puits,…

23

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Pompe à chaleur air / eau

Source froide : air extérieur

L‘air extérieur représente une source d‘énergie inépuisable et ne pose aucun problème en temps que source froide. Il est gratuit et sans contrainte d‘utilisation.

Pose en intérieure

Pose en extérieure

24

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Puissance à différents couples de température

AEROTOP Puissance kW

- 7 / + 45°C

Puissance kW

+2 / +35°C

Puissance kW

+7 / +35°C

COP

+2 / +35°C

T 07 4,8 6,6 7,7 3,5

T 10 7,2 9,7 11 3,5

T 12 8,2 12 14 3,5

T 14 12,2 14 16 3,5

T16 14 16 19 3,9

T 20 16,3 19,9 22,7 3,2

T 26 22,3 26,2 29,9 3,4

T 32 27,5 32,6 36,6 3,3

T 35 28,4 34,4 39 3,4

25

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Pompe à chaleur en captage horizontal

La terre comme source froide :

L‘énergie contenue dans le sol estfacilement exploitable:

En enfouissant un capteur à environ1m de profondeur en terre, l‘énergie peut être facilement récupérée.

Capteur enterré

26

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Puissance à différents couples de températureAQUATOP Puissance

kW

0 / +50 °C

Puissance kW

0 / +35°C

Puissance

Frigo kW

COP

0 / +35°C

5 S 5,2 5,3 4,1 4,4

6 ES 5,6 5,9 4,7 4,7

7 ES 6,3 6,6 5,1 4,5

8 ES 7,5 8,2 6,5 4,7

10 ES 9,4 10,1 7,9 4,7

13 ES 12,7 13,2 10,3 4,6

15 Es 14,6 15,8 12,4 4,6

27

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Pompe à chaleur avec sonde profonde

La terre comme source froide:

L‘énergie contenue dans le sol estfacilement exploitable:

Avec une ou plusieurs sondes profondesJusqu‘à 100m de forage

28

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Pompe à chaleur en captage sur nappe d‘eau

L‘eau comme source froide:Un système de chauffage avec pompe à chaleur peut être installé en utilisant l‘eau d‘une nappe phréatique qui fournit une source froide à une température constante tout au long de l‘année.On peut également puisser l‘énergie dans un cours d‘eau, une rivière,un lac.

Aspiration Rejet

29

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Pompe à chaleur Le dimensionnement

31

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Méthodologie du dimensionnement

• 1) Calcul des besoins de chauffage

• 2) Méthode Promotelec ( France ) dans le cadre d’un label

• 3) Méthode en chauffage autonome

• 4) Méthode avec chaudière en appoint dans le cas de l’existant

• 5) Dimensionnement de la PAC

• 6) Différentes conceptions de l’hydraulique

32

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Estimation des déperditions

• S’il n’existe pas d’étude thermique réalisée par un BE, les installateurs utilisent la formule de calcul suivante :

• Déperditions en W = Volume chauffé x ΔT x Coef G

• Avec: G = 0,65 W/°C.m3 réglementation RT 2005

• G = 0,75 W/°C.m3 réglementation RT 2000

G = 0,9 W/°C.m3 isolation année 1980 en CEI

G = 1,2 W/°C.m3 si moyennement isolée

1,5 < G < 1,8 W/°C.m3 si mal isolée

• ΔT = Différence de Température intérieure/extérieur de base

33

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Dimensionnement : remarques

Dans le cas d’une habitation existante on relève en

général la puissance de la chaudière existante Attention au surdimensionnement de la puissance

installée de la chaudière et des émetteurs de chaleur

Le client a en général mieux isolé son habitation Isolation des combles, des murs …

Il a peut être remplacé les huisseries ( double vitrage )

Le rendement d’anciennes chaudières varie de 50 à 85%

En conséquence : Ne pas surdimensionner la PAC

34

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Estimation des besoins de chauffage dans l’existant

• Il est possible d’estimer les besoins en partant des consommations anciennes ( moyenne sur les 3 dernières années) avec la formule suivante :

Déperditions x 24H x DJU x i• Conso an =

en kWh/an ΔT x ηg x 1000

avec: 1L fioul = 10 kWh/litre PCI / 11,1 kWh PCS

1 m3 de Gaz Nat = 10 kWh/m3 PCI / 11,12 PCS

1 kg de propane = 12,8 kWh/kg PCI / 13,9 PCS

Moyenne des DJU en IDF : 2300, en baisse sauf en 2008/2009

35

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Exemples de DJU

36

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Estimation des consommations

Les DJU (degrés jour unifiés) permettent de calculer où d’estimer la consommation d’énergie annuelle pour une période de chauffe définie selon les régions et les départements ainsi qu’une température extérieure qui sert de base de calcul pour tout système de chauffage ( données météo France) avec une température intérieure qui est fixée à +18°C

Le rendement de chaudière (ηg) varie selon l’âge de l’installation et le type de chaudière

I = intermittence ( réduit de nuit, abaissement de température le Week- End, innoccupation )

I = 0,9 pour installation ancienne ( Tout ou rien, TA ) I = 0,8 pour système performant ( Régulation sonde ext. Horloge…)

37

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Source froide

Terre

Disponiblepartout

-2 ... +2°C

Nappe phréatiqueForagede puits

+7 ... +12°C

Air

Disponiblepartout

-15 ... +30°C

Autres systèmes

de récupération(absorbeurs)

Type de fonctionnement

Monovalence

Type de fonctionnement

Monovalence

Type de fonctionnement

Bivalence en mono-énergie

Type de fonctionnement

Bivalence en mono-énergie

Indication: attention au bon dimensionnement !Prendre en compte : Les besoins réglementaires de l'habitât, les types d'abonnements des clients et les besoins d'ECS

Sélection et critères de choix d’une PAC

38

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Point de bivalence:

Puissancede

la PAC Air/eau

Courbe des besoins

Point de bivalence

Il est astucieux d'optimiser la puissance d'une PAC air/eau

En régle générale la pompe à chaleur couvre une grande partie des besoins dechauffage, mais par des périodes de grand froid il faudra installer une source dechauffage complémentaire

Détermination d’une PAC Air/eau

39

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

La part de marche de la PAC couvre des besoins > à 90 %

A partir du point de bivalence la PAC marche en parallèle avec la source d'appoint

Nb. de jours de chauffe annuels

Dimensionnement en marche bivalente parallèle

40

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Dimensionnement en marche alternative

Nb. de jours de chauffe annuels

à

La part de marche de la PAC couvre des besoins de 80 à 90 %

A partir du point de bivalence la PAC est à l’arrêt et la source d'appoint couvre 100% des besoins

Idéale pour l’existant avec une chaudière conservée par l’utilisateur

41

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Dimensionnement d’une PAC Air/eau

Exemple avec un pavillon de 150 m² en IdF en construction neuve (isolation RT 2005, G = 0,65 W/m3.°C) avec une température extérieure de base de -7°C.

Calcul des déperditions:

Déperditions = Vh x G x ΔT Dp = 150 x 2,5 x 0,65 x (20- (-7)) = 6600 W = 6,6 kW

Puissance PAC = 1,2 x Déperditions On rajoute une marge de surpuissance de 20%

42

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Dimensionnement d’une PAC Air/eau (suite)

Si le client final a demandé un label ‘’Promotelec’’: La PAC doit fonctionner avec un appoint.

Marche en mono-énergie parallèle ( élec )

La puissance totale : P.t = 1,2 x Déperditions = 120%

Avec : P. t = P. PAC + P. d’appoint Avec : P.PAC = 0,6 à 0,8 x Dp

Avec P.PAC = 0,8 x les Dp, la PAC couvrira 80% des besoins et l’appoint sera de 40%. Total = 120%

43

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Dimensionnement d’une PAC Air/eau (suite)

Pour 6,6 kW de déperditions ( Dp )

P.t = 6,6 x 1,2 = 7,92 kW soit 8 kW

P.PAC = 6,6 kW x 0,8 = 5,3 kW à -7° ( soit environ 9kW au COP ( moyenne de perte de 40% de rendement à -7°)

P.appoint = 6,6 kW x 0,4 = 2,7 kW

Quelle PAC sélectionner ?

44

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Dimensionnement d’une PAC Air/eau (suite)

Il faut consulter le tableau des puissances ( Notice de montage, notice pour l’étude ou tarif )

Il faut s’assurer de la puissance que fournit la PAC à la température extérieure la plus basse.

La puissance d’une PAC Air/eau diminue sensiblement quand la température extérieure baisse.

En fonction de la zone climatique, un point de bivalence situé entre – 5 et 0°C est correct.

45

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Puissances pour différents couples de T°

46

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Dimensionnement PAC Air/eau : exemple

-7

7kW

Couverture des besoins par la PAC

Droite des déperditions

-2

Point de bivalence

T° ext de base

T10

TC10

Droite des déperditions

Appoint

47

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

Dimensionnement PAC Air/eau : exemple

-7

7kW

Couverture des besoins par la PAC

Appoint

-2

Surpuissance

48

PO

INT

P IL

E D

E F

RA

NC

E

BOID Octobre 2006

Dimensionnement PAC AIR/EAUPOMPE A CHALEUR MONOBLOC

Si l’on dimensionne la PAC pour couvrir tous les besoins, il s’ensuit les problèmes suivant :

Fonctionnement du compresseur en court-cycles Enclenchements et arrêts fréquents durée de vie du

compresseur. COP moyen mauvais consommation électrique

importante. Prix élevé de la machine temps de retour sur

investissement long. Coût du poste chauffage important. Coût de l’abonnement EdF élevé.( triphasé- monophasé ? ) Rénovation de l’alimentation électrique du client

Contrairement à une chaudière il faut sous-dimensionner !!!