Pompes à chaleur et solaire : comment associer efficacement ces deux technologies ?

Batirama.com 14/09/20200

Le programme européen SunHorizon vise à intégrer dans des bâtiments, différentes sortes de pompes à chaleur innovantes, utilisant toutes l’énergie du soleil, thermique et photovoltaïque.

Financé par l’Union Européenne dans le cadre de sa Stratégie pour le Chauffage et le Rafraîchissement des bâtiments, le programme SunHorizon rassemble 20 partenaires, dont 8 industriels, et a suscité la réalisation de 8 expérimentations, dispersées à travers l’Europe.

SunHorizon examine trois piliers du développement de nouvelles solutions techniques : l’optimisation de la conception, de l’ingénierie et de la fabrication des technologies utilisées dans les 8 projets, la mise en place d’une solution de mesure intelligente pour chaque projet, le développement d’une solution de contrôle/commande capable d’arbitrer entre des choix techniques pour garantir le confort, minimiser les consommations d’énergie et les émissions de GES pour chaque installation.

20 partenaires et 10 industriels retenus

Parmi les 20 participants au projet, les 10 partenaires industriels retenus sont :

La coordination du programme SunHorizon est prise en charge par RINA, un spécialiste italien de l’ingénierie et du contrôle. Rina a tout récemment supervisé la conception et la reconstruction du viaduc de Gênes.

Les autres partenaires sont soit des centres de recherche, comme le CEA-Liten, l’italien ITAE ou l’espagnol Cartif, soit des autorités régionales chargées de la promotion des Energies Renouvelables (ENR). L’EHPA (European HeatPump Association, association européenne des pompes à chaleur) participe également au projet SunHorizon.

Les panneaux solaires thermiques plans sous vide du suisse TVP Solar produisent de l’eau de 60 à 200°C. Ils sont avant tout utilisés en industrie. La participation de TVP Solar au programme SunHorizon doit lui permettre d’évaluer l’intérêt de ses panneaux pour des applications en bâtiment. ©TVP Solar

Plusieurs technologies dans 8 projets

SunHorizon a combinés diverses technologies dans 8 projets à travers l’Europe. David Chèze, du CEA LITEN, les a récemment présentés dans un webinaire consacré à l’avancée du programme SunHorizon. Tous les bâtiments sont d’abord saisis et modélisés dans la suite logicielle « Virtual Environment ».

Les deux premiers projets portent sur l’association panneaux solaires haute température, ballon de stockage et pac Boostheat. Les Pac Boostheat fonctionnent au gaz naturel. Le programme SunHorizon appelle cette association TP1 pour Technological Package 1. Le programme compte 3 autres Technological Packages, développés plus avant.

Le premier projet, sur une maison de 200 m² abritant deux logements à Berlin et datant du début du 20ème siècle, associe 10 m² de capteurs solaires thermiques plans sous vide de TVP Solar sur le toit, un ballon de stockage Ratiotherm de 800 l et une chaudière Boostheat de 20 kW. Les panneaux réchauffent le stockage qui préchauffe l’eau froide sanitaire pour la production d’ECS et réchauffe le retour du circuit de chauffage.

La Pac Boostheat fournit le complément de chaleur pour le chauffage et l’ECS. L’été, la chaleur solaire en surplus est dissipée par l’aéroréfrigérant (dry-cooler) associé à la Pac. Les besoins annuels du bâtiment sont évalués à 25,2 MWh pour le chauffage et 4,5 MWh pour l’ECS. L’installation a permis une économie d’énergie de 36% de GES (Gaz à effet de serre).

Le second projet est un grand bâtiment tertiaire construit en 23006 à Verviers en Belgique qui abrite un centre sportif municipal. Pour couvrir les besoins annuels de 250 MWh pour le chauffage et 9,8 MWh pour l’ECS, 220 m² de capteurs TVP Solar ont été mis en place sur le toit, couplé à un stockage de chaleur Ratiotherm de 10 000 l et soutenu par deux Pac Bootsheat de 20 kW de puissance unitaire.

Le résultat préliminaire est une réduction de 26% des émissions de GES par rapport au chaudières gaz à condensation installées auparavant. Comme les besoins de chaleur sont importants, les chaudières existantes sont maintenues et intégrées en série avec les nouveaux équipements. Les panneaux solaires couvrent l’essentiel des besoins annuels, épaulés par les deux Pac lorsque les besoins dépassent la puissance thermique des panneaux solaires. Les chaudières existantes interviennent en secours au plus fort de l’hiver.

Les panneaux hybrides DualSun ont reçu le label Solar Impulse Efficient Solution début 2020. DualSun a inauguré une nouvelle ligne de production de panneaux hybrides Spring dans son usine de Jujurieux dans l’Ain. Cet investissement a en partie été financé par le Programme d’Investissement d’Avenir. ©DualSun

Trois projets avec des panneaux solaires hybrides DualSun

Le troisième projet, sous la supervision de l’Université Technique de Riga, porte sur deux maisons individuelles à Riga construites en 2013, de 265,2 et 234,9 m², associe 58 m² de panneaux mixte DualSun posés au sol, deux ballons de stockage Ratiotherm de 400 et 700 l et une Pac Boostheat de 20 kW. Ce système est baptisé TP2.

Pour des besoins de chaleur annuels évalués à 34,5 MWh pour le chauffage et 2,9 MWh pour l’ECS, ainsi que des besoins d’électricité annuels de 4,4 MWh, la réduction de production de GES atteint 41%. L’électricité fournie par les panneaux DualSun est utilisée directement pour la production d’ECS dans l’un des ballons Ratiotherm, le surplus est vendu au réseau.

Le quatrième projet fait également appel au TP2 pour une piscine de 4 500 m² à Verviers en Belgique. Pour une demande de chaleur annuelle évaluée à 298 MWh pour le chauffage de l’eau de la piscine, 402 m² de panneaux hybrides DualSun (228 kWth et 68 kWel) sont installés sur le toit, ainsi que deux stockages d’eau de 400 et 10 000 l et deux Pac Boostheat de 20 kW. La quasi-totalité (99,27%) de l’électricité produite sur site est autoconsommée par la ventilation, les pompes, l’éclairage et, éventuellement, le chauffage direct de l’ECS. Les chaudières gaz existantes sont conservées. La réduction des émissions de GES atteint 31%.

La solution TP2 a également été mise en œuvre dans le 5e projet, à Nuremberg en Allemagne, dans un immeuble collectif, datant de début du 20e siècle. Les besoins annuels évalués à 82,5 MWh pour le chauffage, 6,8 MWh pour l’ECS et 43 MWh d’électricité sont couverts par 75 m² de panneaux DualSun sur le toit, deux ballons Ratiotherm de 400 l chacun et deux Pac Boostheat de 20 kW. La température de stockage dans les ballons Ratiotherm atteint 85°C, seulement grâce à la partie thermique des panneaux DualSun. L’électricité produite sur site est autoconsommée autant que possible. La réduction des émissions de GES atteint 48%.

La pompe à chaleur à adsorption Fahrenheit produit à la fois de la chaleur et du froid. Elle a besoin d’une relativement faible température de 60 à 80°C pour régénérer son adsorbant et entretenir le cycle adsorption/désorption. ©Fahrenheit

Pompe à chaleur à adsorption de Fahrenheit

Le sixième projet exploite le schéma technologique « TP3 » : panneaux solaires thermiques sous vide de TVP Solar pour alimenter le compresseur thermique de la pompe à chaleur à adsorption Fahrenheit https://fahrenheit.cool/ utilisée comme chiller, avec stockages Ratiotherm. Á Sant Cugat Del Vallès, près de Barcelone en Espagne, un centre civique a vu l’installation de 220 m² de panneaux solaires TVP Solar, raccordés à un stockage Ratiotherm de 10 000 l et à un groupe froid à adsorption de 50 kW de Fahrenheit. Cette installation nouvelle est couplée à un chiller à compression électrique de 93 kW de puissance froid. La réduction des émissions de GES atteint 35%.

Le circuit froid à 7°C issu de la Pac Fahrenheit est raccordé au retour de du circuit alimentant les CTA (Centrales de traitement d’air). Les panneaux solaires alimentent directement les CTA à 95°C, avant mélange, en hiver. Ils assurent également la production d’ECS à 40°C.

Dans une Pac à adsorption Fahrenheit, l’adsorbant utilisé est du gel de silice. Le vecteur est de l’eau. Contenu dans un réservoir à une pression inférieure à la pression atmosphérique, l’eau s’évapore et est adsorbée par le gel de silice. L’adsorption produit de la chaleur côté adsorbant et, simultanément, du froid dans le réservoir d’eau. Lorsque l’adsorbant est saturé en vapeur d’eau, l’adsorption s’arrête. Pour régénérer l’adsorbant, de la chaleur issue des panneaux solaires ou d’un brûleur gaz lui est appliquée. La vapeur d’eau est désorbée, se condense à nouveau en libérant de la chaleur, récupérée par la Pac. Un nouveau cycle peut démarrer.

Parmi les schémas techniques testés par le programme SunHorizon, l’association de pompes à chaleur air/eau à compression électrique BDR Thermea avec des panneaux hybrides DualSun et les stockages Ratiotherm a donné le meilleur résultat en termes de réduction des émissions de gaz à effet de serre, réduction des consommations d’énergie et réduction des coûts d’exploitation. ©BDR Thermea

TP4 : des pompes à chaleur à compression associées à des panneaux solaires hybrides DualSun

Le dernier schéma technologique ou TP4 associe les panneaux hybrides DualSun à des stockages Ratiotherm et à des pompes à chaleur réversibles à compression électrique BDR Thermea. TP4 a été déployé dans un bâtiment collectif de 10 logements, rénové à Madrid. Les besoins annuels de 35,5 MWh pour le chauffage, 83,8 MWh pour le rafraîchissement et 5,5 MWh pour l’ECS sont pris en charge par 50 m² de panneaux hybrides DuaSun installés sur le toit, deux stockages Ratiotherm – 10 000 l pour le chauffage et le rafraîchissement, 13 000 l pour l’eau chaude sanitaire – et 3 Pac air/eau BDR Thermea de 35,3 KW chauffage et 27 kW froid.

Les radiateurs ont été remplacés par des ventiloconvecteurs pour prendre en charge chauffage et rafraîchissement. Les deux ballons Ratiotherm jouent le rôle de stockage d’énergie. Les panneaux DualSun et les Pac les alimentent directement à la fois pour le chauffage et le rafraîchissement et pour la production d’ECS. L’électricité produite sur site est autoconsommée pour les besoins domestiques des appartements et pour l’alimentation des différents circulateurs de l’installation et des Pac BDR Thermea.

Cette installation TP4 est celle dont le résultat est le plus spectaculaire : 69% de réduction des émissions de GES. Le même schéma TP4, avec une variante, a également été installé dans une maison individuelle à San Lorenço, près de Barcelone. Les panneaux hybrides de DualSun sont remplacés par des panneaux solaires séparés – PV et Thermiques – fournis par BDR Thermea.

L’installation de San Lorenço comporte 9 m² de panneaux PV et 4 m² de panneaux solaires thermiques, deux ballons Ratiotherm de 200 l pour le chauffage et le rafraîchissement, 150 l pour l’ECS et une Pac réversible air/eau BDR Thermea de 11 kW. La réduction de gaz à effet de serre atteint 31% par rapport à la solution antérieure composée d’une Pac en relève de chaudière fioul.

En termes de réduction des consommations d’énergie, tous ces sites expérimentaux parviennent à des diminutions de 32 à 70% (site de Madrid) et à des réductions de coûts d’exploitation annuels de 21 à 85%.

Source : batirama.com / Pascal Poggi