Mesure des performances thermiques d’une pompe à chaleur couplée sur des sondes géothermiques à Lugano (TI)

Pahud, Daniel and Lachal, Bernard (2005) Mesure des performances thermiques d’une pompe à chaleur couplée sur des sondes géothermiques à Lugano (TI). Project Report. UNSPECIFIED.

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Abstract

L’analyse d’une installation de chauffage utilisant l’énergie géothermique et solaire à Lugano – Loreto a été réalisée par une campagne de mesures de 2 ans et complétée par des simulations dynamiques détaillées. Une pompe à chaleur (PAC) de 14 kW thermique (B0/W35), couplée à 3 sondes géothermiques de 80 m chacune, chauffe une maison d’habitation d’environ 250 m2 de surface de référence énergétique. Des capteurs solaires thermiques (surface de 7.8 m2), dimensionnés pour la production d’eau chaude sanitaire, peuvent également être utilisés pour le chauffage. Durant la période estivale, l’énergie thermique non utilisée des capteurs solaires est injectée dans le terrain par le biais des sondes géothermiques. Le succès de l’installation dépend de la qualité du matériel choisi, du dimensionnement correct des composants, de la compétence des différents corps de métier engagés et de la bonne coordination entre eux. Après deux ans de suivi, les performances thermiques de l’installation sont toujours très bonnes et aucune baisse de performance n’a été détectée. Un coefficient de performance annuel (COPA) de 4.1 à 4.2 est mesuré pour la pompe à chaleur (mais sans la prise en compte de l’énergie électrique des pompes de circulation). Cette valeur est élevée pour le chauffage d’une maison dont la construction remonte aux années 80. Des valeurs caractéristiques pour les sondes géothermiques sont déduites des mesures. Les mesures confirment les performances thermiques de la PAC annoncées par le fabriquant (le modèle de PAC possède un label de qualité). Le coefficient de performance (COP) mensuel varie de 3.5 à 5.5. Une dépendance linéaire est observée entre le COP mensuel et l’écart de température moyen entre les fluides caloporteurs circulant respectivement dans le condenseur et dans l’évaporateur. Une sensibilité de -0.11 COP par degré Kelvin d’écart supplémentaire est déduite des mesures. L’injection des gains solaires dans les sondes permet de montrer que le niveau de température du fluide caloporteur doit monter à environ 20 °C pour obtenir, en fin de compte, une puissance d’injection relativement faible, de l’ordre de 20 W/m. Cette puissance est typique d’un refroidissement direct (également appelé « geocooling »), dans le cas où des besoins de refroidissement sont couverts sans l’aide d’une machine frigorifique. Lorsque du « geocooling » est envisagé, il est donc primordial de pouvoir satisfaire les besoins de refroidissement avec un niveau de température supérieur à 20°C (le terrain non perturbé a une température moyenne d’environ 14 °C). Les gains solaires non utilisés permettent de remettre 20% de l’énergie annuelle extraite dans le terrain. L’analyse de l’effet de la recharge a montré que l’amélioration du coefficient de performance moyen de la PAC reste modeste et ne suffit pas à compenser l’énergie électrique supplémentaire de la pompe de circulation pour l’injection des gains solaires dans le terrain. Toutefois les performances globales de l’installation ne sont que très légèrement diminuées (1 à 2%), si bien que la recharge solaire est une solution intéressante pour éviter les surchauffes dans les capteurs solaires. En raison de la puissance d’injection relativement basse (20 à 30 W/m, correspondant à 1 m2 de capteur solaire vitré pour 30 m de sonde géothermique), un abaissement du débit de la pompe de circulation en situation de recharge est possible. La consommation d’électricité de la pompe de circulation aurait pu être plus faible, conduisant à un effet neutre sur l’efficacité globale de l’installation. L’analyse de la recharge solaire a nécessité le développement d’un modèle de simulation TRNSYS qui a été calibré sur les deux ans de mesures. La bonne qualité des mesures (fréquence de 5 minutes, températures et flux d’énergie mesurés avec un bonne précision, pas de perte de mesure), a permis de calibrer le modèle de façon précise aussi bien sur la dynamique à court terme de l’installation que sur les effets à long terme dans le terrain. Un pas de temps de 1 minute a été choisi pour simuler le fonctionnement de la PAC. Le modèle a été utilisé pour évaluer la sensibilité des performances thermiques aux principaux paramètres de l’installation. Deux catégories de paramètres sont identifiées : les paramètres d’intégration et les paramètres de dimensionnement. Les paramètres d’intégration, comme la température de départ dans la distribution de chaleur, sont déterminants sur le coefficient de performance annuel (COPA) de la PAC et n’ont qu’un effet modeste sur la température minimum du fluide circulant dans les sondes. Ils concernent avant tout l’intégration de l’installation et des sondes géothermiques dans le concept énergétique du bâtiment. Une intégration optimale permet de délivrer la chaleur à la plus basse température possible. Les paramètres de dimensionnement, quant à eux, déterminent la faisabilité technique de l’installation et sa viabilité à long terme. Ils doivent garantir que la température du fluide circulant dans les sondes géothermiques reste dans des limites acceptables, aussi bien à court terme suite à l’évolution dynamique de la marche de l’installation, qu’à long terme, après stabilisation de la température du terrain dans la zone des sondes. Contrairement aux paramètres d’intégration, ils sont peu influents sur le COPA mais déterminants sur la température minimum du fluide dans les sondes. La longueur totale des sondes géothermiques, la température initiale du terrain ainsi que sa conductivité thermique sont les paramètres de dimensionnement les plus importants (en l’absence d’un écoulement significatif de l’eau souterraine). La capacité thermique du fluide et des sondes géothermiques, de même que les transferts thermiques des raccords horizontaux, n’ont pas montré une influence notable ni sur le COPA, ni sur la température minimum du fluide circulant dans les sondes. La sensibilité du COPA au niveau de température a montré que 1 degré de moins sur le niveau de température du fluide caloporteur dans le condenseur a un effet plus important (0.10 COP/K) que 1 degré de plus sur celui de l’évaporateur (0.07 – 0.08 COP/K). Ceci souligne encore une fois l’importance des paramètres d’intégration, qui nécessitent un effort particulier pour l’élaboration d’un concept d’installation (distribution comprise), qui permette de délivrer l’énergie thermique de la pompe à chaleur à la plus basse température possible. Une corrélation entre le COPA simulé (sans la prise en compte de l’énergie électrique des pompes de circulation) et le COP estimé sur la base des températures extrêmes de travail (dans le condenseur et l’évaporateur) et des caractéristiques thermiques de la PAC, a montré que ce dernier est en général 0.4 à 0.5 plus bas. La différence est réduite à 0.1 – 0.3 quand l’énergie électrique des pompes de circulation est prise en compte dans le COPA. En d’autres termes, la détermination du COPA par les température extrêmes permet d’obtenir une estimation conservative de la consommation électrique de l’installation, pompes de circulation incluses, avec une erreur inférieure à 10%. Le modèle de simulation TRNSYS a également été utilisé pour servir de comparaison avec le programme simplifié EED (Earth Energy Designer). Pour l’installation étudiée, EED permet d’établir un dimensionnement conservatif et satisfaisant. Une liste de recommandations a été établie pour la détermination de certains paramètres de calculs. Une évaluation économique de l’installation géothermique sans recharge solaire permet d’établir le prix de l’énergie thermique produite à 9 ct/kWh. Le modèle de simulation développé dans cette étude est facilement adaptable à un autre projet et sa flexibilité permet sans difficulté majeure de le coupler à un modèle de simulation de bâtiment incluant la distribution d’énergie thermique (comme par exemple des dalles actives). Il permet ainsi d’évaluer des concepts d’installation utilisant des sondes géothermiques et de déterminer le potentiel de « geocooling » pour chacun des concepts

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