La Pompe à Chaleur Principes de base -...
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La pompe à chaleur Principes de base
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La pompe à chaleur Principes de base
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EPrincipe 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 s era également transmise à notre système de chauffage.
• Énergie gratuite + électricité = chauffage
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EPrincipe 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 àl’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.
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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.
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EPrincipe 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
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EPrincipe de la pompe à chaleur
Source froide
Compresseur
Evaporateur Condenseur
Détendeur
Système de chauffage
Source chaude
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Compresseur
Condenseur Evaporateur
Détendeur
Aquatop
Principe de la pompe à chaleur
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EPrincipe de la pompe à chaleur
� Le transfert d’énergie se fait avec un fluide frigorigè ne 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 compresse urqui est transférée au fluide frigorigène.
� Le condenseur permet un transfert de cette énergie vers le circuit de chauffage en passant le fluide fri gorigène de l’état gazeux à l’état liquide. ( Condensation )
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EPrincipe des PAC
Pompe àchaleurCircuit de captage
Plancher chauffant
Radiateurs BT ou ventiloconvecteurs
AirPAC Air/Eau
SolPAC Eau glycolée/Eau
EauPAC Eau/Eau
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EPrincipe des PAC
Pompe àchaleur
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)
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Détendeur
CompresseurCompresseur
Évaporation
Compression
Condensation
Détente
Évaporateur Condenseur
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Rotatif ou Alternatif
ScrollPiston
Les différents types de compresseurs
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EVue en coupe du compresseur
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EPrincipe de fonctionnement d’un Scroll
Pas de pistonPas de vibrationCapacité du fluide plus importanteAugmentation de la puissance
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E 4 kW
Energie motrice (électricité)
1 kW
5 kW
Le Coefficient de Performance : COP
Énergie naturelle
10°C 6°C
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ELe Coefficient de Performance : COP
Puissance calorifique restituée 5 Le COP = = = 5
Puissance électrique absorbée 1
Pour 5 kW/h fournis : 4 sont gratuits ( énergie sol aire )1 seul est payé par l’utilisateur
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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
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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
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ELe Coefficient de Performance : COP
• Un COP de 5 signifie qu’un client qui serait en chauf fagetout électrique type convecteur avec un coût annuel d e l’ordre de 2000 € par an, ne payerait plus que 400 € par a n.
•
0,0220,0370,11Cts € kW/h
COP = 5COP = 3COP = 1Prix Elec
Système de chauffage tout électrique
PAC AIR/EAU
PAC EAU/EAU ou
EAU Glycolée
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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 qu e 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
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ELes 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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EPompe à chaleur air / eau
Source froide : air extérieur
L‘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
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EPuissance à différents couples de température
3,43934,428,4T 35
3,336,632,627,5T 32
3,429,926,222,3T 26
3,222,719,916,3T 20
3,9191614T16
3,5161412,2T 14
3,514128,2T 12
3,5119,77,2T 10
3,57,76,64,8T 07
COP+2 / +35°C
Puissance kW +7 / +35°C
Puissance kW +2 / +35°C
Puissance kW - 7 / + 45°C
AEROTOP
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EPompe 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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EPuissance à différents couples de température
4,612,415,814,615 Es
4,610,313,212,713 ES
4,77,910,19,410 ES
4,76,58,27,58 ES
4,55,16,66,37 ES
4,74,75,95,66 ES
4,44,15,35,25 S
COP
0 / +35°CPuissance Frigo kW
Puissance kW
0 / +35°C
Puissance kW
0 / +50 °C
AQUATOP
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EPompe 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
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EPompe à chaleur en captage sur napped‘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
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POINT P ILE DE FRANCE
Pompe à chaleur Le dimensionnement
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EMéthodologie 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
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EEstimation des déperditions
• S’il n’existe pas d’étude thermique réalisée par un BE, les installateurs utilisent la formule de calcul su ivante :
• Déperditions en W = Volume chauffé x ∆T 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
• ∆T = Différence de Température intérieure/extérieur de base
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EDimensionnement : remarques
� Dans le cas d’une habitation existante on relève en général la puissance de la chaudière existante
� Attention au surdimensionnement de la puissanceinstallée 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
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EEstimation des besoins de chauffage dans l’existant
• Il est possible d’estimer les besoins en partant de s consommations anciennes ( moyenne sur les 3 dernières années) ave c la formule suivante :
Déperditions x 24H x DJU x i• Conso an =
en kWh/an ∆T 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 20 08/2009
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POINT P ILE DE FRANCEE
xemples de D
JU
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EEstimation des consommations
� Les DJU (degrés jour unifiés) permettent de calcule r oùd’estimer la consommation d’énergie annuelle pour u ne période de chauffe définie selon les régions et les départements ainsi qu’une température extérieure qui sert de base de c alcul pour tout système de chauffage
( données météo France) avec une température intéri eure 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…)
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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'habitat, les types d'abonnements des clients et les besoins d'ECS
Sélection et critères de choix d’une PAC
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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 gran de partie des besoins dechauffage, mais par des périodes de grand froid il faudra installer une source dechauffage complémentaire
Détermination d’une PAC Air/eau
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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
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EDimensionnement 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 àl’arrêt et la source d'appoint couvre 100% des besoins
Idéale pour l’existant avec une chaudière conservée par l’utilisateur
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EDimensionnement 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 ∆T
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%
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EDimensionnement 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%
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EDimensionnement 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 ?
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EDimensionnement 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 sensiblementquand la température extérieure baisse.
� En fonction de la zone climatique, un point de bivalencesitué entre – 5 et 0°C est correct.
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EPuissances pour différents couples de T°
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EDimensionnement PAC Air/eau : exemple
-7
7kW
Couverture des besoins par la PAC
Droite des déperditions
-2
Point de bivalenceT°ext de base
T10
TC10
Droite des déperditions
Appoint
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EDimensionnement PAC Air/eau : exemple
-7
7kW
Couverture des besoins par la PAC
Appoint
-2
Surpuissance
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BOID Octobre 2006
Dimensionnement PAC AIR/EAUPOMPE A CHALEUR MONOBLOC
� Si l’on dimensionne la PAC pour couvrir tous les besoi ns, 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 !!!
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EDIMENSIONNEMENT D’UNE PAC BI-BLOC INVERTER
->LE MODULE EXTERIEUR EST DE MODELE INVERTER. IL MO DULE DE 30% A 130%. SI LA SURFACE D’ECHANGE ENTRE LE GAZ ET L’EAU EST SUFFISANTE, LA POMPE PEUT MARCHER EN PETITE VITESSE. ELLE FAIT DONC MOINS DE COURTS CYCLES ET P EUT-ETRE SURDIMENSIONNEE LEGEREMENT : ON PRENDRA COMME PUISSANCE 100% DES DE PERDITIONS A -7°.
->LA POMPE SURDIMENSIONNEE A BESOIN DE MOINS D’APPO INT SI LES EMETTEURS DE CHALEUR SONT BASSE TEMPERATURE, ELLE FONCTIONNE DONC AVEC U N MEILLEUR COP.
-> LES MODELES INVERTER SONT TOUS ACTUELLEMENT AU R410 ET NE PEUVENT FONCTIONNER AU-DELA DE 55°. SI LES RADIATEURS NE CHAUFFENT PAS SUF FISAMMENT, IL FAUDRA OBLIGATOIREMENT GARDER UNE CHAUDIERE EN APPOINT.
-> ELLE PEUT FONCTIONNER EN MONOPHASE JUSQU’À 16 VOI RE 18KW.
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EGAMME BI-BLOC ET CARACTERISTIQUES
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EPOURQUOI LA POMPE BI-BLOC INVERTER ¨PEUTMODULER
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EPOURQUOI LA POMPE BI-BLOC EST PLUSSIMPLE A RACCORDER
Pompe à chaleur EAU/EAU Particularités
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EDimensionnement d’une PAC en captage horizontal
Capteur enterré
� Capteur en tube PER Ø 20 ou 25
� Enfouissemment de 1 à 1,2 m
� Longueur maxi par boucle: 100m
� En Ø 20 : 3m de tube par m²
� En Ø 25 : 2m de tube par m²
� Fluide coloporteur : eau glycolée
� Lit de sable de 5 cm
� Pose en une couche
� Attention au volume de terre àdéplacer ( 30 m3 par kW )
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Valeurs de calcul usuelles pour capteur horizontalRégle de base:Plus le sol est humide, plus il y a d'énergie stock ée
Exemple : maison neuve de 120m² >>> besoins de 6,4 kW environ >>>5,0 kW puissance frigorifique >>> surface du capteur de 200 m²
Bodenqualität spezif. Entzugsleistung
Trockener sandiger Boden 10 - 15 W/m²
Feuchter sandiger Boden 15 - 20 W/m²
Trockener lehmiger Boden 20 - 25 W/m²
Feuchter lehmiger Boden 25 - 30 W/m²
Grundwasserführender Boden 30 - 35 W/m²
Type de sol
Sol sableux sec
Sol sableux humide
Sol argileux sec
Sol argileux humide
Sol avec nappe aquifère
Energie récupérable
Ratio à retenir : il faut 30 m² de capteur pour 1 kW de déperditions
Capteur à faible profondeur
Capteur enterré
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ECapteur vertical : sonde profonde
� Etude par un BE
� Etude de la nature dusol
� Foreur ayant signé la charte « Aquapac »
� Liste au BRGM
� 100m maxi par sonde
� Coût du forage complet:de 25 à 80 (IDF) €/ml
� Aides régionales
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Valeurs de base pour le dimensionnement de la sondeRégle de base:Plus le sol est humide, plus il est possible de soutirer de l'énergie
Qualité des sols Energie soutirable
Sol sableux sec 20 - 40 W/m
Sol argileux humide 50 - 60 W/m
Sol avec nappe aquifère 70 - 90 W/m
Pour une maison de 7 kW de déperditions : il faut une sonde de 100m
Capteur vertical : sonde profonde
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Vitocal
Sonde de captage thermique
Tube d'injection de bentonite
Double sondeavec deux tubes en
PER thermo-formées
colliers de maintient
Cône de protection
tubes d'alimentation
départ
retour
tubage de protection
(si nécessaire)
remplissagede bentonite
Cône de protection
La sonde comporte un tube centale prévu pour l'injection d'un mélange de boue et de ciment (bentonite) de manière à créer une bonne transmission thermique de la chaleur du sol
Cette bentonite est injectée par le bas et à haute pression(30 à 50 bar) de manière à combler l'espace entre les tubes et la paroie du forage
La garantie d'obtenir une bonne performance de la sonde est ainsi obtenue.Un contrôle d'étanchéitésera réalisé par le foreur
forage
Réalisation d’une sonde profonde
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�Démarche administrativ e
ƒ Déclaration si la profondeur du puits dépasse 10 m
ƒ Demande d'autorisation selon zones particulières
ƒ Demande d'autorisation si l'ouvrage est àl'intérieur du périmètre de protection d'un point de prélèvement d'eau potable
ƒ Si l'ouvrage est dans une zone de protection des sources d'eaux minérales déclarées d'intérêt public
ƒ Si l'ouvrage est dans une zone contenant une faune piscicole
ƒ Si l'ouvrage se situe au voisinage des cimetières
ƒ DRIRE - Ingénieur en chef des mines
ƒ Préfecture
�Service concerné
ƒ Commune, DDASS
ƒ Commune, DDASS
ƒ Commune
ƒ Commune, DDASS
PAC sur puisage : contraintes
Pompe à chaleur Monobloc L’hydraulique
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EAérotop : schémas hydrauliques de base
2 circuits de chauffage
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ESCHEMA HYDRAULIQUE COMPLETMONOBLOC
Pompe à chaleur Bi-Bloc – schémas
hydrauliques
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ESCHEMA HYDRAULIQUE PAC BI-BLOC 1 ZONE
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ESCHEMA PAC BI-BLOC RELEVE CHAUDIERE
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ESCHEMA PAC BI-BLOC 1 ZONE + ECS
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ESCHEMA PAC BI-BLOC 2 ZONES + ECS
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ESCHEMA PAC BI-BLOC 2 ZONES + ECS + RELEVE
Pompe à chaleur La régulation
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ELa régulation Siemens LOGON B-WP
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température extérieure en °C
Loi sur la température d'eau en fonction de la temp érature extérieure à - 10 °CBleu : pente 0,35 – Rouge : pente 0,5
départ
retourtempérature eau en °C
Apports gratuits
Tem
péra
ture
de
dépa
rt /
reto
ur Plancher chauffant 35 / 30 °C
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ERégulation : ses possibilités
Ballon ECSBallon tampon Ballon de stockage combiné
Séchage contrôlé de dalles pour constructions neuves
Fonction anti-légionellose, gestion des appoints
Régulation solaire, raffraîchissement etc…
Et…
2 circuits de chauffage avec des programmations horaires différentes
Sonde extérieure + sonde d’ambiance
Vanne mélangeuse, résistances, pompes à 2 vitesses, PAC 2 allures…
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EPAC ATLANTIC BI-BLOC
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EGestion de l’ambiance
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EREGULATION PAC BI-BLOC SIMPLIFIEE
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EDéfinition de la loi d’eau
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ETélécommande filaire intérieure
Pompe à chaleur En résumé…
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EPOMPE A CHALEUR MONOBLOC OU BI-BLOC ?
A) AVEZ-VOUS BESOIN DE PLUS DE 18KW ? SI OUI ALORS ELLE SERA MONOBLOC
B) AVEZ-VOUS BESOIN DE PLUS DE 55°? SI OUI ELLE SERA HAUTE TEMPERATURE ET DONC MONOBLOC
C) VOULEZ-VOUS PILOTER PLUS DE TROIS CIRCUITS OU CHAUFFER UNE PISCINE ? SI OUI ELLE SERA MONOBLOC
D) ETES-VOUS EN GEOTHERMIE ? SI OUI ELLE SERA MONOBLOC
E) VOUS AVEZ BESOIN DE PLUS DE 14KW EN MONOPHASE? VOUS SEREZ EN BI-BLOC INVERTER
F) DANS LES AUTRES CAS VOUS POURREZ ESSAYER LA BI-BLOC ET SA FACILITE DE POSE
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PO
INT
P IL
E D
E F
RA
NC
EExemple de chiffrage PAC Monobloc
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POINT P ILE DE FRANCE
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PO
INT
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NC
EExemple de chiffrage pompe monobloc
