[PDF] La Pompe à Chaleur Principes de base

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La pompe à

chaleur

Principes de base

2

POINT P ILE DE FRANCE

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

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Principe de la pompe à chaleur

Chambre froide

Cuisine

Fraîcheur

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

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Pompe à chaleur

Chauffage

Source 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

POINT P ILE DE FRANCE

Principe de la pompe à chaleur

Pompe à chaleur

Chauffage

Source froide

Niveau de température

- 15°à +25°C

0°à +10°C

+ 7°à + 12°CDe 20°à 55°C 6

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Principe de la pompe à chaleur

Source

froide

Compresseur

Evaporateur

Condenseur

Détendeur

Système

de chauffageSource chaude 7

POINT P ILE DE FRANCE

Compresseur

Condenseur

Evaporateur Détendeur Aquatop

Principe de la pompe à chaleur

8

POINT P ILE DE FRANCE

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

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Principe des PAC

Pompe à

chaleurCircuit de captage Plancher chauffantRadiateurs BT ou ventiloconvecteurs Air

PAC Air/EauSol

PAC Eau

glycolée/EauEau

PAC Eau/Eau

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POINT P ILE DE FRANCE

Principe des PAC

Pompe à

chaleur

Circuit de

captage Plancher chauffantRadiateurs BT ou ventiloconvecteurs

GAZ H.PGAZ B.P

LIQUIDE H.PLIQUIDE B.P

Evaporateur

Condenseur

DétendeurCompresseur

Emetteur idéal :

plancher chauffant, confort et économies (25% par rapport à radiateurs BT) 11

POINT P ILE DE FRANCE

DétendeurCompresseurCompresseur

ÉvaporationCompression

Condensation

Détente

ÉvaporateurCondenseur

12

POINT P ILE DE FRANCE

Rotatif

ou Alternatif

Scroll

Piston

Les différents types de compresseurs

13

POINT P ILE DE FRANCE

Vue en coupe du compresseur

14

POINT P ILE DE FRANCE

Principe de fonctionnement d"un Scroll

Pas de pistonPas de vibrationCapacité du fluide plus importanteAugmentation de la puissance 15

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4 kW

Energie motrice (électricité)

1 kW5 kW

Le Coefficient de Performance : COP

Énergie

naturelle

10°C

6°C

16

POINT P ILE DE FRANCE

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

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C.O.P instantané ß

Quantité de chaleur

évacuée au condenseurQuantité d"énergie nécessaire pour comprimer le fluide frigorigène

Le Coefficient de Performance : COP

18

POINT P ILE DE FRANCE

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

POINT P ILE DE FRANCE

Le Coefficient de Performance : COP•Un COP de 5 signifie qu"un client qui serait en chauffage tout électrique type convecteur avec un coût annuel de l"ordre de 2000 € par an, ne payerait plus que 400 € par an.•

0,0220,0370,11Cts € kW/hCOP = 5COP = 3COP = 1Prix Elec

Système de

chauffage tout électriquePAC AIR/EAUPAC EAU/EAU ouEAU Glycolée 20

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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"annéeCOP et niveau de température

Pompe à chaleur

Les différentes sources froides

22

POINT P ILE DE FRANCE

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,...

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Pompe à chaleur air / eau

Source froide : air extérieurL'air extérieur représente une source d'énergieinépuisable et ne pose aucun problème en tempsque source froide. Il est gratuit et sans contrainte d'utilisation.

Pose en intérieure

Pose en

extérieure 24

POINT P ILE DE FRANCE

Puissance à différents couples de

température

3,43934,428,4T 353,336,632,627,5T 323,429,926,222,3T 263,222,719,916,3T 203,9191614T163,5161412,2T 143,514128,2T 123,5119,77,2T 103,57,76,64,8T 07COP

+2 / +35°CPuissance kW +7 / +35°CPuissance kW +2 / +35°CPuissance kW - 7 / + 45°C

AEROTOP

25

POINT P ILE DE FRANCE

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 peutêtre facilement récupérée.

Capteur enterré

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POINT P ILE DE FRANCE

Puissance à différents couples de

température

4,612,415,814,615 Es4,610,313,212,713 ES4,77,910,19,410 ES4,76,58,27,58 ES4,55,16,66,37 ES4,74,75,95,66 ES4,44,15,35,25 SCOP

0 / +35°C

Puissance

Frigo kW Puissance

kW

0 / +35°C

Puissance

kW 0 / +50 °CAQUATOP 27

POINT P ILE DE FRANCE

Pompe à chaleur avec sonde profonde

La terre comme source froide:L'énergie contenue dans le sol est facilement exploitable:Avec une ou plusieurs sondes profondesJusqu'à 100m de forage 28

POINT P ILE DE FRANCE

Pompe à chaleur en captage sur nappe

d'eau

L'eau comme source froide:Un système de chauffage avec pompe àchaleur peut être installé en utilisantl'eau d'une nappe phréatique qui fournitune source froide à une températureconstante tout au long de l'année.On peut également puisser l'énergiedans un cours d'eau, une rivière,un lac.

Aspiration Rejet

29

POINT P ILE DE FRANCE

Pompe à chaleur

Le dimensionnement

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POINT P ILE DE FRANCE

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

POINT P ILE DE FRANCE

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

POINT P ILE DE FRANCE

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

POINT P ILE DE FRANCE

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

POINT P ILE DE FRANCE

Exemples de DJU

36

POINT P ILE DE FRANCE

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

POINT P ILE DE FRANCE

Source froide

Terre

Disponible

partout -2 ... +2°C

Nappe phréatique

Forage

de puits +7 ... +12°C Air

Disponible

partout -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"habitat, les types

d"abonnements des clients et les besoins d"ECS

Sélection et critères de choix d"une PAC

38

POINT P ILE DE FRANCE

Point de bivalence:

Puissance

de 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 de chauffage, mais par des périodes de grand froid il faudra installer une source de chauffage complémentaireDétermination d"une PAC Air/eau 39

POINT P ILE DE FRANCE

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

POINT P ILE DE FRANCE

Dimensionnement en marche alternative

Nb. de jours de chauffe annuels

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

POINT P ILE DE FRANCE

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/m

3.°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

POINT P ILE DE FRANCE

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

POINT P ILE DE FRANCE

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

POINT P ILE DE FRANCE

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

POINT P ILE DE FRANCE

Puissances pour différents couples de T°

46

POINT P ILE DE FRANCE

Dimensionnement PAC Air/eau : exemple

-77kW

Couverture des besoins

par la PAC

Droite des déperditions

-2

Point de bivalence

T°ext de base

T10 TC10

Droite des déperditions

Appoint

47

POINT P ILE DE FRANCE

Dimensionnement PAC Air/eau : exemple

-77kW

Couverture des besoins

par la PAC

Appoint-2

Surpuissance

48

POINT P ILE DE FRANCE

BOID Octobre 2006

Dimensionnement PAC AIR/EAU

POMPE 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.

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