LE RACCORDEMENT HYDRAULIQUE D’UNE POMPE A CHALEUR ET D’UNE CHAUDIERE

L’éFFICACITé éNERGETIQUE RESIDE DANS L’HYDRAULIQUE

Pour les petits et moyens bâtiments, il est possible de couvrir l’intégralité des besoins thermiques avec une ou plusieurs pompes à chaleur. Pour les gros bâtiments, il est beaucoup plus difficile de miser sur le ‘tout électrique’ pour des raisons techniques et financières. En outre, les pompes à chaleur sont typiquement utilisées pour couvrir une charge de base tandis que les chaudières (moins chères) compensent les puissances de crête. Ça, c’est la partie facile … La conception hydraulique de ce genre de chaufferie hybride est une autre paire de manches et souvent sous-estimée.

Dommage, car la consommation énergique finale dépend justement de l’hydraulique. Nous allons analyser divers concepts hydrauliques pour un cas concret. Via une simulation, nous étudierons le comportement du système
dynamique et l’impact sur le rendement du système. Sur base des notions acquises, nous optimiserons progressivement la consommation énergétique.

SITUATION ET MISSION

La chaufferie à concevoir doit alimenter deux collecteurs: un à haute température (collecteur HT, 40 kW, 70/50 °C) et un à basse température (collecteur LT, 80 kW, 45/35 °C) comme illustré dans la figure 1. La puissance thermique totale de 120 kW est répartie sur une pompe à chaleur eau-eau offrant une puissance thermique maximale de 40 kW avec un
régime de 50/40 °C et une chaudière à condensation de 80 kW. La pompe à chaleur non modulante est mise au repos en fonction de l’état de charge dans l’accumulateur avec deux enregistreurs de température.

La manière la plus évidente – et donc aussi le concept 1 le plus fréquent – est la configuration parallèle. La faible température de retour centrale de 42 °C est la moyenne pondérée des températures de retour dans les collecteurs
HT et LT et est directement alimentée à la chaudière et à la pompe à chaleur, ce qui entraîne un rendement de chaudière élevé (94%) et un COP moyen élevé (5,4). Ce qui semble être un résultat convenable à première vue laisse à désirer au niveau du rendement du système (107%). Indépendamment du COP élevé, ce concept extrait beaucoup trop peu de chaleur de la pompe à chaleur. Lorsque la chaudière ‘entre en jeu’, le débit du système total est réparti sur la chaudière et le réservoir de la pompe à chaleur. Le débit pour la pompe à chaleur diminue, si bien que l’on peut soudain extraire moins de chaleur du générateur préférentiel. La pompe à chaleur est ‘refoulée’ lorsque la chaudière intervient …

Pour y remédier, nous introduisons le concept 2, où la pompe à chaleur et la chaudière sont montées en série. La température de retour de la chaudière est alors préchauffée par la pompe à chaleur si bien que le rendement de la chaudière diminue. Mais dans ce concept, on préserve le débit du système complet à travers le réservoir de la pompe à chaleur si bien qu’on peut solliciter cette dernière au maximum. Même si le COP et le rendement de la chaudière sont plus faibles qu’avec le concept 1, le rendement total du système est nettement plus élevé car la pompe à chaleur est mieux exploitée, avec une économie de coûts énergétiques totale de 11%!

Dans le concept 3, la pompe à chaleur est raccordée juste avant le collecteur LT. L’idée est d’alimenter le réservoir de la pompe à chaleur avec la température d’eau la plus faible possible de 35 °C provenant du collecteur LT afin de solliciter davantage la pompe à chaleur tout en augmentant le COP. Comme nous ne pouvons pas perturber le débit vers le collecteur LT, nous travaillons avec une dérivation hybride dans la conduite de retour. Mais les résultats de simulation
révèlent que nous n’avons pas atteint les résultats escomptés. Au contraire, le coût énergétique est même légèrement plus élevé qu’avec le concept 1. Une analyse révèle que le problème se situe dans le trop faible ‘débit d’entraînement’ de la connexion de la dérivation. Le débit vers le collecteur LT est beaucoup trop faible si bien que l’on ne peut pas
‘entraîner’ suffisamment de chaleur dans l’installation depuis le réservoir de la pompe à chaleur.

En réponse à ce problème, le concept 4 augmente délibérément le débit vers le collecteur LT en appliquant un préréglage sur la température de l’eau. Si l’on réduit la température d’alimentation vers le collecteur LT de 70 °C à 45 °C, il faut que le débit augmente pour fournir la même puissance thermique. Cela permet d’extraire plus de chaleur du réservoir de la pompe à chaleur, ce qui se traduit aussi dans la contribution thermique de la pompe à chaleur: 61% et un gain de coûts énergétiques de 21% par rapport au concept 1. Des résultats de simulation plus détaillés montrent toutefois que le réservoir de la pompe à chaleur a une température de retour élevée et ce principalement en mode nuit. En charge partielle, le débit du collecteur LT diminue et l’eau chaude provenant du réservoir de la pompe à chaleur est transférée dans la connexion de la dérivation vers le retour du réservoir de pompe à chaleur, ce qui a un effet négatif sur la charge de la pompe à chaleur et sur le COP.

Pour résoudre ce dernier problème, nous introduisons le concept 5 où la dérivation est placée cette fois au niveau de la conduite de départ. La chaleur de la chaudière qui doit être injectée dans le collecteur LT est contrôlée avec précision au moyen d’une sonde. De plus, il ne peut arriver nulle part dans l’installation que de l’eau de départ encore chaude soit déversée vers le retour du réservoir de la pompe à chaleur. Avec ce dernier concept, nous avons augmenté le rendement total du système à 152%, ce qui réduit les frais énergétiques de 26% par rapport au concept 1.

CONCLUSIon

Les concepts examinés présentent de grosses différences dans leur comportement dynamique et leur impact sur la consommation énergétique. En jouant sur la configuration hydraulique, nous avons fait baisser le coût énergétique du concept 5 de 26% par rapport au concept 1 initial. Le rendement du système total a augmenté de 107% à 152%!
Comme le dit le titre de cet article: l’efficacité énergétique réside dans l’hydraulique … Avons-nous atteint un résultat optimal? Peut-être pas encore. Dans une optimisation poussée, nous effectuons aussi des études de sensibilité
sur différents paramètres de conception (par exemple répartition de puissance entre chaudière et pompe à chaleur, régimes de température de la pompe à chaleur …) afin d’augmenter encore plus le rendement du système.
Souvent, cela a un impact sur le choix du concept final.