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GENIE CLIMATIQUE ET ENERGETIQUE

SYNTHESE

PERFORMANCES SAISONNIERES DES MACHINES THERMODYNAMIQUES

Août 2014

Olivier GANGLOFF Tuteur COSTIC : JJ. LENOTTE

Tuteur CIAT : Y. ROUSSEAU

Fiche d’objectifs

Performances saisonnières des machines thermodynamiques

Objectifs prévisionnels du projet

1 : Calculs et publication des performances saisonnières :

- Analyser le contenu de la norme EN 14825 et des directives européennes

- Préparer les fichiers de calculs

- Valider l’outil de calcul avec le service informatique

- Réaliser les calculs de performances et préparer la mise en forme pour la

publication

2 : Directive ERP. Synthétiser les informations publiées par les instances européennes.

- Préparer un document montrant les échéances et les objectifs de performances

énergétiques à atteindre.

Résultats attendus

1 : Calculs de SCOP : Réalisation totale ou partielle (en fonction du nb de calculs et du

temps imparti) des tableaux de performances des machines, toutes gammes

confondues

2 : Réalisation d’un document PowerPoint (ou autre format) informant des échéanciers,

des valeurs de performances à atteindre et indiquant le travail restant à effectuer pour

répondre aux exigences de ces directives

Remerciements

Mes remerciements vont d’abord à mon tuteur d’entreprise, Yohan ROUSSEAU,

qui m’a suivi et a répondu à mes questions tout au long de mon Projet de Fin d’Etudes,

et à André BARRAL, responsable du bureau d’études Energy de CIAT, qui m’a

accueilli au sein de sa structure. De manière plus générale, je remercie les autres

personnes des services BE Energy, Recherche & Innovation et Informatique avec qui

j’ai travaillé. Enfin, je remercie mon tuteur du COSTIC, Jean-Jacques LENOTTE.

Etudiant : Olivier Gangloff Performances saisonnières Page 1 Tuteur : Jean-Jacques Lenotte des machines thermodynamiques

Août 2014

Résumé

Performances saisonnières des machines thermodynamiques

Les pompes à chaleur vendues en Europe, dont celles du constructeur CIAT, seront

soumises à partir de septembre 2015 à des règlementations leur imposant de respecter des

seuils en termes d’efficacité énergétique saisonnière, à travers des coefficients de

performances saisonniers (SCOP). Le calcul normalisé des performances saisonnières est

très complexe, puisqu’il prend en compte de manière précise un grand nombre de

paramètres. Pour effectuer ces calculs pour de larges gammes de machines, il faut disposer

d’un outil efficace. D’autre part, la manière de calculer n’étant pas arrêtée définitivement et

des choix étant laissés au constructeur pour la déclaration des données, il est nécessaire de

réaliser des études comparatives pour se rendre compte du positionnement des machines

par rapport aux exigences et effectuer des choix stratégiques. Ce n’est qu’une fois

l’ensemble des paramètres de calcul fixé que les calculs définitifs de performance

saisonnière peuvent être réalisés.

Abstract

Thermodynamic machines seasonal performances

From September 2015, CIAT heat pumps which are sold in Europe will be subject to

regulations setting seasonal energy efficiency thresholds, through seasonal coefficients of

performance (SCOP). The standard calculation of seasonal performances is very

complicated, considering precisely a lot of parameters. In order to make those calculations

for a wide range of machines, an efficient calculation tool is needed. On another hand, the

calculation method is not completely definitive and some choices of data declaration are left

to manufacturers. As a result, comparative studies must be undertaken, in order to know

machines positioning in relation to requirements and to make strategic choices. After having

set all the calculation parameters, definitive calculations of seasonal performances can be

done.

Key words :

- ErP (Energy Related Products) Directives

- 811/2013 and 813/2013 European Regulation

- EN 14825 Standard

- Seasonal energy efficiency (ηs), seasonal coefficient of performance (SCOP)

- Heat pump

- Part load conditions

- Bivalence temperature

- Auxiliary equipment


Août 2014

Table des matières Résumé 1 Introduction 3 1. Contexte réglementaire et normatif 4

1.1. Directives européennes ERP 4

1.1.1. Vue d’ensemble et objectifs 4 1.1.2. Règlement ERP 813/2013 : éco-conception 5 1.1.3. Règlement ERP 811/2013 : étiquetage 8 1.1.4. Compléments : méthodes de mesure et de calcul 9

1.2. Norme NF EN 14825 : calcul des coefficients de performance saisonniers 10 1.2.1. Généralités 10 1.2.2. Conditions de charge partielle 11 1.2.3. Calcul des performances saisonnières 14

1.3. Certification des données déclarées 18

1.4. Lien entre la réglementation ERP et la RT 2012 19

2. Calculs d’efficacités énergétiques saisonnières 21

2.1. Méthode de calcul 21 2.1.1. Principe du calcul 21 2.1.2. Simulations Equilibre 22 2.1.3. Conversion en puissances nettes 24 2.1.4. Calcul des COP aux charges partielles 24 2.1.5. Calcul des coefficients saisonniers 27

2.2. Développement d’un outil de calcul automatisé 29

2.3. Optimisation des paramètres liés à l’entreprise 30

2.3.1. Prise en compte du dégivrage 30 2.3.2. Consommation des auxiliaires 32

2.4. Positionnement des machines et stratégies d’entreprise 34 2.4.1. Variantes de calcul : paramètres non fixés 34 2.4.2. Impact des différents paramètres 36 2.4.3. Positionnement des machines et impact global des paramètres 39 2.4.4. Conclusions et stratégies 40 2.4.5. Communication des résultats et liens avec les autres services 42

2.5. Calculs définitifs 44

Conclusion 48

Bibliographie 48 Sommaire des annexes 50


Août 2014

Introduction

L’Union Européenne se lance depuis plusieurs années dans un important programme

d’amélioration de l’efficacité et de la maîtrise de l’énergie. Pour cela, de nouvelles

règlementations donnent des exigences pour tous les produits liés à l’énergie. Parmi ces

produits, les machines thermodynamiques seront pour la première fois soumises à des

exigences en termes de performances saisonnières, c’est-à-dire que leurs performances

seront évaluées sur l’année complète et non plus seulement pour une unique condition

nominale. La Commission européenne a pour le moment publié les règlements d’éco-

conception et d’étiquetage incluant les exigences de performance saisonnière des

générateurs de chauffage utilisant une boucle d’eau, qui seront applicables à partir de

septembre 2015. Les pompes à chaleur (PAC) font partie de ces systèmes.

Le groupe CIAT est un constructeur spécialisé dans les systèmes de chauffage par

pompe à chaleur, de rafraîchissement et de traitement d’air. Les études techniques et le

développement des pompes à chaleur et groupes d’eau glacée vendues dans le tertiaire et

l’industrie sont réalisées par le bureau d’études Energy Chillers (BE Energy), pour lequel ce

projet de fin d’études (PFE) est réalisé.

Le BE Energy va donc devoir fournir les performances saisonnières de ses pompes à

chaleur, en application des règlementations et des normes européennes créées pour les

besoins de ces règlementations. Les objectifs de ce PFE sont d’étudier et synthétiser les

exigences et échéances règlementaires, et de réaliser des calculs de performance

saisonnière pour les machines prochainement soumises aux règlementations.

Dans un premier temps, les textes européens officiels, règlementaires et normatifs,

seront explicités et synthétisés. Cette partie traitera des directives qui ont conduit à

l’élaboration des règlementations pour les systèmes de chauffage, ainsi que de la norme

utilisée pour le calcul des performances saisonnières des machines thermodynamiques, et

des obligations liées à la certification des données saisonnières.

La deuxième partie portera sur les calculs de performances saisonnières pour les

pompes à chaleur. La méthode utilisée pour le calcul sera d’abord expliquée, avant la

présentation de l’aide apportée pour la mise en place d’un outil de calcul automatisé. La

suite explicitera le travail réalisé pour quantifier au mieux certains paramètres influant sur le

calcul. Certains paramètres de calcul n’étant pas bien quantifiés ou laissés au choix du

constructeur par la règlementation, un travail d’études comparatives effectué pour connaître

le positionnement des machines et définir des stratégies d’entreprise sera ensuite présenté.

Enfin, les calculs définitifs réalisés pour les gammes de machines soumises aux échéances

les plus proches seront montrés.


Août 2014

1. Contexte réglementaire et normatif

Une partie du travail effectué au cours de ce Projet de Fin d’Etudes a été de comprendre

et de synthétiser les réglementations et normes européennes pour en tirer les exigences

auxquelles l’entreprise sera soumise et à quelles échéances, ainsi que la charge de travail à

réaliser pour respecter ces exigences. Cette partie décrit ces textes officiels de façon

synthétique.

1.1. Directives européennes ERP

1.1.1. Vue d’ensemble et objectifs

Les directives ERP (Energy Related Product, ou produits relatifs à l’énergie), sont le

résultat d’un vaste programme de l’Union Européenne visant pour tous les pays membres,

d’ici l’horizon 2020, à réduire de 20% les consommations d’énergie et les émissions de gaz

à effet de serre et à augmenter jusqu’à 20% la part des énergies renouvelables.

Tous les produits liés à l’énergie vendus sur le marché européen sont ou seront soumis

à ces directives, qui vont conditionner le marquage CE et donc le droit de vente du produit.

Pour chaque famille de produit, on distingue deux types de directives :

- les directives Eco-Conception : imposent au fabricant ou au fournisseur de fournir un

produit conforme aux exigences (par exemple de déclarer une consommation en

énergie inférieure à un seuil réglementaire),

- les directives Etiquetage énergétique : imposent de fournir avec le produit une

étiquette énergétique spécifiant la classe énergétique du produit.

De nombreux produits sont déjà soumis aux premières mesures d’application, dont les

luminaires, les téléviseurs, les réfrigérateurs, les appareils électroménager, les moteurs

électriques, les circulateurs, les ventilateurs de confort, les climatiseurs résidentiels.

Parmi les produits prochainement soumis aux règlements, on retrouve :

- ENER Lot 1 : les produits de production de chauffage centralisé (à boucle d’eau) ou

mixte (chauffage et eau chaude sanitaire) : chaudières, PAC, systèmes solaires

combinés, à l’exclusion des chaudières à combustibles solides.

- ENER Lot 2 : les produits de production d’eau chaude sanitaire seule: CESI, chauffe-

eau thermodynamique ou électrique.

- ENTR lot 6 : les chillers de confort : groupes d’eau glacée utilisés dans le tertiaire.

- ENTR lot 1 : les chillers de process : groupes d’eau glacée utilisés dans l’industrie


Août 2014

Le BE Energy traitant des PAC et des chillers vendus dans le tertiaire et l’industrie, il se

trouve concerné par l’ensemble de ces quatre lots.

Seuls les deux premiers groupes de produits (ENER lots 1 et 2) ont fait l’objet d’une

parution du règlement au Journal Officiel de l’Union Européenne, le 26 septembre 2013,

sous la forme de quatre règlements :

- ERP 811/2013 : donne les exigences d’étiquetage des produits du lot 1

- ERP 812/2013 : donne les exigences d’étiquetage des produits du lot 2

- ERP 813/2013 : donne les exigences d’éco-conception des produits du lot 1

- ERP 814/2013 : donne les exigences d’éco-conception des produits du lot 2

Ces règlements seront mis en application à partir du 26 septembre 2015, soit deux ans

après leur parution officielle.

Pour les autres produits cités, c’est-à-dire les groupes froid, aucun règlement n’est pour

le moment paru au Journal Officiel. La Commission européenne et les organismes en

charge des travaux de règlementation publient des communiqués résultant de l’avancement

des travaux [6]. La parution des règlements concernant les performances saisonnières de

ces produits (ENTR lot 1 et lot 6) est attendue courant 2015, avec une mise en application

en 2017.

L’échéance la plus proche étant celle de septembre 2015 et les pompes à chaleur CIAT

entrant essentiellement dans le lot 1 ENER (PAC chauffage seul ou mixtes), les directives

ERP 811/2013 [1] et 813/2013 [2] sont le motif de mon PFE.

1.1.2. Règlement ERP 813/2013 : éco-conception

Cadre d’application

Le règlement ERP 813/2013 [2] établit des exigences d’éco-conception des dispositifs

de chauffage par boucle d’eau des locaux dont la puissance thermique nominale est

inférieure à 400 kW, y compris s’ils sont intégrés dans des produits combinés constitués de

ces dispositifs, d’un régulateur de température et d’un dispositif solaire. Ces exigences

s’appliquent aussi aux dispositifs de chauffage mixte.

Les produits CIAT couverts par ces exigences sont donc les pompes à chaleur

électriques de puissance thermique nominale inférieure à 400 kW.

Exigences d’efficacité énergétique

Le règlement impose au fabricant ou au distributeur du produit ou de l’assemblage de

produits de déclarer des performances saisonnières, c’est-à-dire des puissances,

rendements, coefficients de performances à différentes charges partielles de

fonctionnement. Les modalités de déclaration varient en fonction du type de produit.


Août 2014

Pour permettre la comparaison des performances saisonnières entre les différentes

familles de produit, le règlement impose le calcul et la déclaration d’une efficacité

énergétique saisonnière appelée ηs. Cette grandeur correspond par exemple pour une

chaudière à un rendement global sur une saison de chauffe, pour une pompe à chaleur

électrique à un coefficient de performance global sur une saison de chauffe, ramené en

énergie consommée primaire.

Pour les PAC, l’efficacité énergétique saisonnière est donnée par :

ηs S

(i

avec :

ηs : efficacité énergétique saisonnière (en %)

SCOP : le coefficient de performance saisonnier (en W/W). Le calcul de ce

coefficient est normalisé et sera détaillé ultérieurement.

CC : coefficient de conversion entre énergie primaire et énergie finale. Il permet la

prise en compte de l’énergie primaire utilisée pour produire et distribuer de l’énergie

électrique. La valeur européenne moyenne prise en compte dans le règlement est :

CC = 2.5

F(i): correspond à des ajustements dépendant de l’application et de la régulation.

Cela prend par exemple en compte la consommation de la pompe de captage pour

une application de PAC en géothermie.

Pour les PAC, la réglementation donne pour la déclaration des performances

saisonnières deux applications de chauffage :

- Application moyenne température : régime nominal d’eau de chauffage 47/55°C

- Application basse température : régime nominal d’eau de chauffage 30/35°C

Les PAC capables de fournir de l’eau à 52°C ou plus pour une température extérieure de

-7°C sont tenues d’être déclarées dans la catégorie PAC moyenne température, les autres

dans la catégorie PAC basse température. Le calcul du coefficient de performance

saisonnière SCOP varie selon le régime de température. Pour une PAC capable de fournir

de l’eau en moyenne température, il n’y a pas d’obligation quant à la déclaration des

performances en basse température, mais uniquement en moyenne température.

Pour chaque famille de machine, la réglementation prévoit des seuils minimums

d’efficacité énergétique saisonnière. Le premier seuil est applicable à partir du 26 septembre

2015, le second, plus exigeant, à partir du 26 septembre 2017. Pour les PAC, les efficacités

énergétiques saisonnières exigées sont les suivantes (Figure 1):


Août 2014

PAC < 400 kW Seuil 1 (09/2015) Seuil 2 (09/2017)

Basse température (30/35°C) 115% 125%

Moyenne température (47/55°C) 100% 110%

Figure 1 : Seuils réglementaires d’efficacité énergétique saisonnière

La puissance thermique nominale est la puissance de la machine dans les conditions de

température extérieure Tdesignh = -10°C (température de conception de référence), et pour

le régime nominal de l’application.

Exigences de puissance acoustique

Ces exigences s’appliquent aux PAC de puissance thermique nominale inférieure à 70

kW uniquement. La réglementation impose des seuils de niveau de puissance acoustique

maximaux selon la puissance thermique nominale de la machine. Ces seuils varient suivant

que la machine soit destinée à être placée à l’intérieur ou à l’extérieur du bâtiment.

Les niveaux de puissance acoustique (en dB(A)) doivent être déterminés dans les

conditions nominales de fonctionnement.

Exigences d’émission de NOx

Les produits utilisant des combustibles fossiles sont soumis à des seuils maximaux

d’émission de NOx. Les PAC électriques ne sont pas concernées par ces exigences.

Exigences d’information sur le produit

Les fabricants, mandataires et importateurs doivent mettre à disposition des manuels

pour les installateurs et un accès libre des renseignements sur le site Internet. Cela

concerne les précautions à prendre au cours de la vie du produit, mais aussi une fiche

produit sur laquelle figurent les paramètres techniques et performances (notamment

saisonnières) selon un modèle défini selon le type de machine.


Août 2014

1.1.3. Règlement ERP 811/2013 : étiquetage

Cadre d’application

Le règlement ERP 811/2013 [1] fixe des exigences d’étiquetage énergétique aux

dispositifs de chauffage par boucle d’eau des locaux dont la puissance thermique nominale

est inférieure à 70 kW, y compris s’ils sont intégrés dans des produits combinés constitués

de ces dispositifs, d’un régulateur de température et d’un dispositif solaire. Ces exigences

s’appliquent aussi aux dispositifs de chauffage mixte.

Les produits couverts par ces exigences sont donc les mêmes que ceux couverts par le

règlement éco-conception 813/2013, mais on se restreint aux produits de puissance

inférieure à 70 kW uniquement. Au-delà de 70 kW, la Commission a considéré que les

produits étaient « professionnels », c’est-à-dire que l’utilisateur final du produit passe par un

intermédiaire pour la sélection et le dimensionnement, par exemple un bureau d’études ou

une entreprise d’installation. Dans ce cas l’étiquetage n’a plus lieu d’être.

Exigences

A partir du 26 septembre 2015, les fournisseurs sont tenus de fournir avec le produit une

étiquette énergétique selon un modèle précis défini, ainsi qu’une fiche produit.

Sur une étiquette (Figures 2 et 3) figurera :

- la classe énergétique du produit (allant de G à A+++). Les classes sont définies à

partir d’intervalles d’efficacité énergétique saisonnière ηs.

- Le niveau de puissance acoustique

- Les puissances thermiques nominales pour les trois climats de référence définis

dans la réglementation et dans les normes européennes : le climat « moyen » (pour

lequel l’efficacité énergétique saisonnière est calculée), le climat « chaud » et le

climat « froid ». La carte d’Europe représente les zones dans lesquelles ces

différents climats s’appliquent.

Pour les produits combinés ou assemblages, par exemple un système de chauffage

hybride PAC-chaudière, la réglementation donne des fiches de calcul pour la détermination

de l’efficacité énergétique saisonnière de l’assemblage, en partant de l’appareil de base du

système et en tenant compte de la contribution de chaque autre appareil. Ces fiches de

calcul sont aussi appelées fiches « installateurs », car dans la plupart des cas un

constructeur ne fournit qu’un seul des produits de l’assemblage, et c’est l’installateur qui

combine ces appareils.

Les étiquettes pourront par exemple être de la forme suivante (Figures 2 et 3) :


Août 2014

Figure 2 : Etiquette PAC chauffage seul (moyenne température)

Figure 3 :Etiquette assemblage chauffage et ECS

1.1.4. Compléments : méthodes de mesure et de calcul

Les règlements ERP 811/2013 et 813/2013 fixent les exigences et donnent des

éléments pour la détermination et le calcul des données à déclarer, mais ceux-ci ne sont pas

suffisants. La Commission Européenne publie donc des communiqués officiels indiquant la

manière de calculer l’efficacité saisonnière ηs, et faisant référence à des normes pour

déterminer les paramètres nécessaires au calcul de ηs.

La mesure ou le calcul de certains de ces paramètres n’étant pas encore spécifiés dans

les normes, les communiqués contiennent aussi des procédures d’essais ou méthodes de

calcul transitoires.

Dans le cas des PAC, les normes applicables sont :

- Norme EN 12102 : Détermination (mesures et calculs) des niveaux de puissance

acoustique,

- Norme EN 14511 [3] : Méthodes d’essais pour la détermination des performances

thermiques,

- Norme EN 14825 [4] : Conditions d’essais à charge partielle et détermination du

SCOP (coefficient de performance saisonnier), utilisé dans le calcul de ηs.


Août 2014

La norme EN 14825 est essentielle puisqu’elle donne la manière de calculer les

performances saisonnières, pour laquelle intervient un nombre très important de

paramètres. Cependant, cette norme n’est pour le moment harmonisée que pour le calcul

des performances saisonnières des climatiseurs de puissance inférieure à 12 kW, pour

lesquels le règlement ERP 206/2012 est applicable depuis 2013. Des travaux de

modification de cette norme sont en cours, afin de l’harmoniser avec le règlement ERP

813/2013. La nouvelle version de la norme EN 14825 devrait être disponible courant 2015.

Pour le moment, la méthode de calcul à utiliser pour le calcul des performances

saisonnières exigées par la règlementation reste pour la plus grande partie celle de la norme

EN 14825. Il faut également utiliser les « méthodes transitionnelles », qui correspondent à

des communications de la Commission Européenne indiquant la manière de calculer les

performances saisonnières en attendant l’harmonisation des normes.

La méthode transitionnelle définitive [5] a été publiée en juillet 2014. Avant cela, la

Commission avait publié des communiqués non définitifs. Cependant, cette version définitive

de juillet 2014 ne présente quasiment aucune différence par rapport à la version de mars

2014.

Par rapport à la norme EN 14825, seules quelques modifications sont apportées par la

méthode transitionnelle, concernant les heures annuelles à prendre en compte dans le

calcul du coefficient de performance saisonnier (SCOP) pour les auxiliaires de la PAC. La

méthode transitionnelle donne aussi les valeurs des F(i) pour le calcul de l’efficacité

saisonnière ηs.

1.2. Norme NF EN 14825 : calcul des coefficients de performance

saisonniers

1.2.1. Généralités

La norme EN 14825 [4], plusieurs fois modifiée depuis sa première version, couvre les

climatiseurs, les pompes à chaleur et les groupes de production de froid (air/air, eau/air,

air/eau et eau/eau).

Cette norme donne les méthodes de calcul pour la détermination des coefficients de

performances saisonniers (en chauffage) SCOP, SCOPon et SCOPnet de référence, ainsi

que pour les efficacités énergétiques saisonnières (en refroidissement) SEER et SEERon de

référence. La valeur du SCOP ou du SEER sont indispensables pour le calcul de l’efficacité

énergétique saisonnière ηs de la règlementation ERP.

Les valeurs d’entrée prises en compte par ces méthodes peuvent être calculées ou

mesurées.


Août 2014

En cas de valeurs mesurées, la norme donne des méthodes d’essai pour déterminer les

performances aux conditions de charge partielle définies plus loin, ainsi que les

consommations liées aux auxiliaires de la machine.

Jusqu’à présent, aucune déclaration de performance saisonnière n’était

règlementairement obligatoire. La norme EN 14825 a été la première à définir un coefficient

de performance saisonnier en chauffage (SCOP). En refroidissement, l’organisme

certificateur Eurovent avait déjà mis en place une efficacité énergétique saisonnière en

refroidissement (ESEER), mais son calcul est très simplifié par rapport au SEER défini dans

la norme, qui prend en compte bien plus de paramètres.

1.2.2. Conditions de charge partielle

La calcul de performances saisonnières se fait selon un climat de référence et une

application (conditions de température extérieure et de régime d’eau) définis par la norme.

Climat de référence

Un climat de référence est défini par un nombre d’heures de fonctionnement annuel de

la machine et des auxiliaires en fonction d’une tranche de température extérieure. En

refroidissement, la norme ne définit qu’un seul climat de référence. Par contre, en chauffage,

il en existe trois : les climats « moyen », « plus froid » et « plus chaud ». Seul le calcul de

SCOP en climat moyen est exigé par la règlementation.

On définit les températures suivantes :

- La température de dimensionnement de référence Tdesign : la température

extérieure correspondant à la charge maximale : au-dessous (chauffage) ou au-

dessus (refroidissement) de laquelle il n’y a plus d’heures dans la définition des

climats. En refroidissement, cette température est de 35°C. En chauffage, elle

dépend du climat : -10°C en climat moyen, -22°C en climat plus froid et +2°C en

climat plus chaud.

- La température de bivalence BIV ou Tbiv : utilisée en application chauffage, elle

correspond à la température extérieure sous laquelle la PAC seule ne couvre plus

les besoins d’un bâtiment fictif. Le calcul prendra alors compte d’un appoint.

- La température limite de fonctionnement TOL : également utilisée en application

chauffage : c’est la température extérieure sous laquelle la PAC ne fonctionne plus.

La TOL est soit égale à la Tdesign, soit supérieure. Dans ce dernier cas, la PAC ne

fonctionne plus du tout entre la TOL et la Tdesign, c’est donc un appoint qui couvre

la totalité des besoins.


Août 2014

Application de la machine

Pour les appareils utilisant une boucle d’eau sur l’un ou les deux échangeurs, la norme

définit plusieurs applications de chauffage possible, correspondant à différents régimes

d’eau. Les appareils de chauffage air/eau et eau/eau possèdent quatre applications

normatives :

- basse température : régime nominal d’eau condenseur 30/35°C (plancher chauffant)

- moyenne température : régime nominal d’eau condenseur 40/45°C (ventilo-

convecteurs)

- haute température : régime nominal d’eau condenseur 47/55°C

- très haute température : régime nominal d’eau condenseur 55/65°C

Il est important de noter que seules les performances pour les régimes basse

température et haute température sont exigées par la règlementation ERP, qui nomme

l’application haute température 47/55°C de la norme « moyenne température ».

Dans le cas des appareils eau/eau en chauffage, il existe en plus une application eau

glycolée/eau, ce qui conduit à deux régimes de température possibles au niveau de

l’évaporateur :

- eau/eau : régime nominal d’eau évaporateur : 10/7°C

- eau glycolée/eau : régime nominal d’eau évaporateur : 0/-3°C

Charges partielles

La première étape du calcul saisonnier consiste en la détermination des performances

dans un certain nombre de conditions données, définies selon le climat comme « conditions

de charge partielle ».

- Ratio de charge partielle

Chaque condition charge partielle (nommées A,B,C,D,E,F,G) correspond aux conditions

de température à l’évaporateur et au condenseur pour une température extérieure donnée.

Chacune de ces conditions renvoie à un ratio de la charge maximale, atteinte à la

température Tdesign. Ce ratio de charge partielle est donné par :

ratio condition de c arge artielle

design

avec :

T condition de charge partielle : la température sèche à la charge partielle (ex : -7°C

pour la condition A en mode chauffage et en climat moyen).

Tdesign : la température de dimensionnement de référence (ex : -10°C en mode

chauffage et en climat moyen).


Août 2014

16 °C : la température limite de l’intervalle ; elle correspond à la température de non

chauffage ou de non refroidissement et vaut 16°C dans tous les cas.

Par exemple, en mode chaud et en climat moyen, le ratio de charge partielle dans les

conditions A vaut environ 88%.

- Conditions de charge partielle

A titre d’exemple, les conditions de charge partielle pour la détermination des

performances de machines air/eau en application chauffage basse température sont

données par le tableau suivant (Figure 4) :

Domaine de temp.

Régime d’air évaporateur Régime d’eau condenseur

Type de

sortie d’eau

Climat

Rapport de charge partielle

Rapport de charge partielle

A B C D E F G

A B C D E F G

Basse temp.

Régime nominal:

Evap 7(6), Cond 30/35

-7 (-8)

2 (1)

7 (6)

12 (11)

TOL BIV

-15 (-16)

Sortie variable

Plus froid

*/30 */27 */25 */24 (a) (a) */32

Moyen */34 */30 */27 */24 (a) (a)

Plus chaud

*/35 */31 */26 (a) (a)

Sortie fixe (3 climats)

*/35

Figure 4 : Conditions de charge partielle pour la détermination des performances aux

charges partielles, machine air/eau application chauffage basse température

* : avec le débit d’eau nominal pour les appareils à débit d’eau fixe, ou avec un delta T fixe

de 5 K pour les appareils à débit d’eau variable.

(a) : régime de température en sortie variable calculé par interpolation ou extrapolation à

partir des températures les plus proches.

Les conditions sur l’air extérieur (évaporateur) sont données de la manière suivante :

température de bulbe sec (température de bulbe humide), par exemple (Figure 4) 7(6) °C.

Les conditions sur l’eau de chauffage, au niveau de l’échangeur intérieur (condenseur à

eau) sont données de la manière suivante : température d’entrée / température de sortie,

par exemple 30/35 °C.

Le régime nominal permettant d’obtenir le débit d’eau nominal de fonctionnement est

dans ce cas (Figure 4) le régime Air 7(6) °C, Eau (30/35°C).


Août 2014

C’est au constructeur de choisir la température de bivalence et la température limite de

fonctionnement à déclarer. Ces températures correspondent à des conditions de charge

partielle supplémentaires (points E et F). En cas de calcul en climat froid pour les machines

air/eau, un point supplémentaire est à prendre en compte (G).

Le calcul en sortie fixe part de l’hypothèse que la consigne de température d’eau de

chauffage est maintenue quelles que soient les conditions extérieures. En sortie variable, la

consigne varie selon un loi d’eau sur la température extérieure, qui dépend du climat.

1.2.3. Calcul des performances saisonnières

Calcul des COP / EER aux charges partielles

Avant de calculer les coefficients saisonniers, il faut déterminer les performances de

l’appareil dans les conditions de charge partielles A,B,C,D et éventuellement E,F,G. Dans le

calcul, on met ici en relation les puissances mesurées ou calculées dans ces conditions

avec la charge, c’est-à-dire les besoins d’un bâtiment fictif dans lequel l’appareil se

trouverait. On obtient alors des coefficients de performances (COPpl) ou des efficacités

énergétiques (EERpl) aux charges partielles.

Pour une condition de charge partielle donnée, il y a différentes possibilités de calcul. Il

faut d’abord déterminer les performances (puissances et COP / EER) au palier ou étage de

compression de l’appareil le plus proche. Il y a différentes possibilités :

- Si ce palier permet d’atteindre la charge à +/- 10 % près, ou encore si la charge est

supérieure à la puissance fournie au palier le plus haut, on utilise directement les

valeurs de puissances déterminées pour cette condition de charge partielle.

- Sinon, si la charge se trouve entre deux paliers, il faut déterminer les performances

pour ces deux paliers et réaliser une interpolation linéaire entre ces différents

résultats.

- Si la charge est inférieure au palier le plus bas (de plus faible puissance), la

puissance aux charges partielles correspond à la charge. Le COP / EER aux charges

partielles est déterminé selon les formules suivantes :

Machines air/eau et eau/eau

c arge artielle

Machines air/air et eau/air

c arge artielle


Août 2014

avec :

COP machine : le coefficient de performance mesuré ou calculé pour la

machine dans la condition A,B,C,D,E,F ou G

CR : rapport de puissances : CR = charge / puissance machine

Cc : coefficient de dégradation lié au cyclage des machines air/eau et

eau/eau. Par défaut , Cc = 0.9.

Cd : coefficient de dégradation lié au cyclage des machines air/air et eau/air.

Par défaut , Cd = 0.25.

Calcul des coefficients saisonniers

Afin de calculer les performances saisonnières, on part des performances aux points

(A,B,C…) déterminées précédemment. Pour chaque tranche de température (par pas de

1°C) du climat concerné, on réalise des interpolations ou extrapolations linéaires à partir de

la puissance calorifique et du COP obtenus pour ces points. On réalise ensuite un bilan

énergétique annuel, en prenant en compte les heures annuelles attribuées à chaque tranche

de température (qui dépendent du climat). En chauffage, on prend en compte dans le calcul

un appoint électrique (COP de 1) pour satisfaire aux besoins, pour les températures

extérieures inférieures à la température de bivalence.

Les performances saisonnières de référence sont déterminées à l’aide des coefficients

suivants :

Refroidissement

SEERon de référence : représente l’efficacité énergétique saisonnière (EER

saisonnier) de la machine seule, sans prise en compte de la consommation des

auxiliaires.

SEER de référence : correspond au SEERon avec prise en compte de la

consommation des auxiliaires.

Chauffage

SCOPnet de référence : représente le coefficient de performance saisonnier (COP

saisonnier) de la machine seule, sans prise en compte d’un éventuel appoint ni de la


SCOPon de référence : représente le coefficient de performance saisonnier (COP

saisonnier) de la machine et de son appoint éventuel, sans prise en compte de la


SCOP de référence : correspond au SCOPon avec prise en compte de la



Août 2014

Le SEERon, le SCOPon et le SCOPnet sont calculés à partir du bilan énergétique

évoqué plus haut.

Le SEERon est égal à la somme de l’énergie annuelle fournie par le groupe froid

(besoins annuels) divisée par la somme de l’énergie annuelle absorbée par le groupe froid.

Le SCOPnet est égal à la somme de l’énergie annuelle fournie par la PAC seule divisée

par la somme de l’énergie annuelle absorbée par la PAC seule. Le SCOPon est égal à la

somme de l’énergie annuelle fournie par la PAC avec appoint électrique (besoins annuels)

divisée par la somme de l’énergie annuelle absorbée par la PAC avec appoint électrique.

Le SCOP prend en compte les auxiliaires. Il est calculé de la manière suivante :

S

S on

to to s s c c off off

avec :

Qh : demande annuelle de chauffage. Qh = Pdesignh * Hhe

Hhe : nombre d’heures de chauffage équivalente (mode actif : la PAC

fonctionne)

Hto * Pto : énergie absorbée en mode arrêt par thermostat

Hsb * Psb : énergie absorbée en mode veille

Hck * Pck : énergie absorbée en mode dispositif de chauffage de carter

Hoff * Poff : énergie absorbée en mode arrêt

Le calcul du SEER est identique, à partir du SEERon.

Les modes arrêt par thermostat, veille, dispositif de chauffage de carter et arrêt

correspondent aux modes de fonctionnement pour lesquels le compresseur ne fonctionne

pas. Ces modes traduisent la consommation des auxiliaires.

Définition des modes de fonctionnement :

- Mode actif : le bâtiment présente un besoin en chauffage ou en refroidissement et

l’appareil est donc en fonctionnement.

Dans les autres modes de fonctionnement, le compresseur est à l’arrêt. Seuls les

auxiliaires de l’appareil sont en marche. La norme donne la définition de chacun de ces

modes, ainsi que la méthode de mesure des consommations électriques s’y rapportant.

- Mode arrêt par thermostat (to) :

La fonction de réfrigération ou de chauffage de l’appareil est activée mais pas

opérationnelle : on se trouve en saison de chauffe ou de refroidissement, mais il n’y a

aucune charge. Les cycles marche/arrêt ne sont pas pris en compte dans ce mode, mais

dans le mode actif à travers un coefficient.


Août 2014

Pour la mesure de la puissance en mode arrêt par thermostat Pto, la machine doit

fonctionner pendant au moins 30 min dans les conditions D (faible charge). La consigne doit

alors être modifiée de sorte que le compresseur s’arrête. On mesure la puissance absorbée

par la machine pondérée sur une heure, puis on soustrait à cette valeur la puissance

mesurée en mode veille.

- Mode veille (sb) :

L’appareil est arrêté mais peut être redémarré par une télécommande ou une minuterie.

Ce mode correspond par exemple à l’arrêt sur demande et par télécommande d’une unité

de climatisation pendant la saison de refroidissement. Si l’appareil ne dispose d’aucun

commutateur d’arrêt, le mode veille correspond au mode arrêt.

En mode refroidissement, la puissance en mode veille Psb correspond à la mesure de la

puissance résiduelle 10 minutes après l’arrêt par le dispositif de commande alors que l’unité

fonctionnait dans les conditions A (pleine charge). En mode chauffage, la mesure se fait de

la même manière, mais l’unité fonctionne dans les conditions D (faible charge).

- Mode de dispositif de chauffage de carter (ck) :

Le dispositif de chauffage de carter (en général une résistance électrique) est activé. Un

tel dispositif est défini comme permettant d’éviter que le fluide frigorigène ne migre vers le

compresseur afin de limiter la concentration de fluide frigorigène dans l’huile au démarrage

du compresseur. Ce dispositif est en général activé dès que le compresseur s’arrête.

Concernant la mesure de la puissance Pck, il y a deux possibilités. Si le dispositif de

chauffage de carter est enclenché en mode veille, la puissance de dispositif de chauffage de

carter est égale à la puissance en mode veille (Pck = Psb). Sinon, il faut effectuer une

mesure de puissance pendant 8 heures, après fonctionnement dans les conditions B

(environ 50% de charge). On soustrait à cette puissance mesurée la puissance en mode

veillle Psb.

- Mode arrêt :

L’appareil est complétement arrêté et n’assure aucune fonction, mais reste sous tension

(connecté au réseau). C’est le cas par exemple pour une pompe à chaleur non réversible

hors saison de chauffe.

Après la mesure de puissance en mode veille, l’appareil est mis en arrêt. Au bout de 10

minutes, la puissance résiduelle est mesurée.


Août 2014

1.3. Certification des données déclarées

Les performances saisonnières des machines doivent être déclarées par les

constructeurs. Les Etats membres de l’Union Européenne ont à charge de mettre en place

des contrôles et des évaluations de la conformité.

Cependant, pour gagner en crédibilité, les constructeurs ont la possibilité de faire

certifier leurs données par un organisme extérieur disposant de laboratoires indépendants :

Eurovent. Les certifications sont aujourd’hui primordiales pour les constructeurs. A titre

d’exemple, les performances déclarées (COP pivot) sont minorées de 20% dans le moteur

de calcul RT 2012 si elles ne sont pas certifiées.

Jusqu’à présent, Eurovent certifiait des COP et EER nominaux, ainsi que des efficacités

saisonnières en refroidissement très simplifiées, les ESEER. L’organisme va bien entendu

certifier les nouvelles performances saisonnières calculées selon la norme EN 14825 et la

méthode transitionnelle. Les constructeurs ressortissants sont tenus de déclarer des valeurs

et d’envoyer des machines pour qu’Eurovent réalise des essais et vérifie la conformité.

Toutes les modalités figurent dans un communiqué de la part d’Eurovent [7].

Les échéances imposées par Eurovent sont les suivantes :

31 Octobre 2014 :

o déclaration à Eurovent des données saisonnières des PAC pour le climat

(moyen) et les régimes (basse température et moyenne température) de la

réglementation, pour les machines de puissance inférieure à 70 kW, en vue

de la campagne de mesures de 2015

o déclaration facultative des données pour les autres climats et régimes de

température

31 Octobre 2015 : déclaration des données saisonnières pour les machines de

puissance comprise entre 70 et 400 kW, en vue de la campagne de mesures de

2016.

Les données certifiées sont :

- les niveaux de puissance acoustique,

- les performances pour chaque point de la norme EN 14825,

- les coefficients saisonniers et l’efficacité énergétique saisonnière,

- les puissances dans les différents modes de fonctionnement (auxiliaires)

L’ensemble des échéances qui concernent la publication et la certification des

performances saisonnières est synthétisé dans le schéma suivant (Figure 5) :


Août 2014

Figure 5 : Synthèse des échéances règlementaires et de certification

1.4. Lien entre la réglementation ERP et la RT 2012

Calcul de la consommation des PAC dans la RT 2012

Dans un premier temps, dans le moteur RT 2012 [8], il faut renseigner des matrices de

performances (une pour les COP et une pour les puissances absorbées). Le COP et la

puissance absorbée sont donnés en fonction des conditions de température à l’évaporateur

et au condenseur. La matrice ne renseigne que des données obtenues à pleine charge.

Pour remplir la matrice de performances, le constructeur peut déclarer un certain nombre de

performances. Le reste de la matrice est rempli à l’aide de coefficients de calcul définis dans

la RT. La valeur de puissance absorbée et de COP à fournir obligatoirement par l’utilisateur

est la valeur pivot ; si cette valeur seule est fournie, toutes les autres en découlent.

Ensuite, on prend en compte dans le calcul le fonctionnement en charge partielle. Pour

cela, la RT défini le LRcontmin (taux de charge sous lequel la machine entre en phase de

cyclage) et le CcpLRcontmin (rapport de performances entre charge partielle et pleine

charge). Ces paramètres permettent une valorisation simplifiée de la régulation étagée ou

inverter par rapport à une régulation tout ou rien, ainsi que des performances de la machine

à faible charge.

Les auxiliaires sont pris en compte à travers une puissance des auxiliaires Paux, qui

correspond à la puissance en mode veille Psb de la norme EN 14825.


Août 2014

Avec l’ensemble de ces données d’entrée, le moteur RT calcule par pas de temps la

puissance absorbée par la machine en fonction des besoins du bâtiment.

Valeurs déclarées, justifiées ou certifiées

Si la valeur pivot est certifiée, le calcul prend en compte cette valeur directement. Sinon,

si elle est justifiée (mesurée), on la minore de 10%. Si elle n’est que déclarée, on la minore

de 20%. Si aucune valeur n’est déclarée, on prend une valeur par défaut dépendant du type

de machine.

Les paramètres LRcontmin, CcpLRcontmin et Paux peuvent de la même manière être

certifiés, justifiés, déclarés ou pris par défaut. Dans le cas d’une valeur justifiée ou déclarée,

on applique également un coefficient défavorable.

Valorisation du calcul RT avec la réglementation ERP

Il n’existe aucun lien entre le calcul de l’efficacité énergétique saisonnière de la

réglementation ERP et le calcul de de la consommation électrique dans le moteur RT 2012.

Cependant, certaines conditions de température de la matrice RT correspondent aux

conditions de la norme EN 14825. Jusqu’à présent, seules les valeurs de performance au

point pivot étaient certifiées par Eurovent pour les machines du BE Energy Chillers de CIAT

(les machines de la division Habitat font certifier quelques valeurs supplémentaires dans le

cadre de la certification NF PAC). Puisque Eurovent va dorénavant certifier les

performances pour chaque point de la norme EN 14825, il sera possible dans le futur de se

servir de ces valeurs certifiées pour remplir les matrices RT de manière plus fournie, ce qui

aura un impact favorable sur les performances de la machine lors du calcul RT.

Par exemple, dans le cas des machines air/eau basse température (30/35°C), on

détermine dans le cadre de la réglementation ERP 813/2013 (et de la certification par

Eurovent) les performances aux points encerclés de rouge (Figure 6). Si ces performances

ont été déterminées pour le plus grand étage de compression, elles pourront être

renseignées en tant que valeurs certifiées dans la matrice RT.

Figure 6 : Matrice des performances des machines air / eau, RT 2012


Août 2014

2. Calculs d’efficacités énergétiques saisonnières

2.1. Méthode de calcul

Cette partie décrit la méthode employée pour calculer les coefficients de performances

saisonniers de référence, principalement en chauffage : SCOP, SCOPon et SCOPnet de

référence. Les calculs sont effectués selon la norme NF EN 14825 [4]. On peut au besoin se

référer au paragraphe 1.2. qui traite de cette norme.

2.1.1. Principe du calcul

Le principe du calcul de coefficients de performance saisonniers mis en place est le

suivant (Figure 7) :

Figure 7 : Principe du calcul de performances saisonnières


Août 2014

Les mesures de puissances absorbée et utile pour les conditions de charge partielle

normatives sont simulées par un logiciel interne nommé Equilibre.

Un outil de calcul utilise comme données d’entrée ces puissances, corrigées pour coller

au plus près aux valeurs que l’on obtiendrait si on effectuait des mesures (le logiciel de

simulation ne prenant pas certains paramètres comme les pertes de charge du circuit

hydraulique et la perte de performances en cas de dégivrage). Cet outil permet ensuite de

calculer les coefficients de performance saisonniers selon la norme EN 14825. Pour cela, il

faut intégrer d’autres paramètres (température de bivalence et coefficients de cyclage) et

les données relatives aux consommations des auxiliaires.

Pour le moment, l’outil de calcul se présente sous la forme de feuilles Excel. A terme,

l’entreprise disposera d’un logiciel spécifique plus automatisé.

2.1.2. Simulations Equilibre

Logiciel de simulation

Equilibre (Figure 8) est un logiciel développé par l’entreprise qui permet la réalisation de

simulations thermodynamiques pour des systèmes thermodynamiques. Il est possible de

créer un cycle frigorifique, d’en modifier les composants et de fixer des paramètres d’entrée

(régimes de températures, débit d’eau ou d’air…) Après un calcul par itérations, le logiciel

donne les caractéristiques complètes du cycle thermodynamique, par exemple les

températures de condensation et d’évaporation, les puissances fournies et absorbées.

Figure 8 : Sc éma Equili re d’une mac ine eau/eau à deux circuits frigorifiques


Août 2014

Détermination du débit nominal de fonctionnement

Dans le cas des machines CIAT, la régulation se fait sur la température de consigne

d’eau du circuit de chauffage ou de refroidissement, selon une loi d’eau sur la température

extérieure. Il faut donc réaliser une première simulation Equilibre afin de déterminer un débit

nominal de fonctionnement dans les conditions nominales normatives, qui sera ensuite fixé

pour toutes les autres simulations.

Détermination des performances brutes aux conditions de charge partielle

Pour déterminer les performances (puissance utile et puissance absorbée) de la

machine aux différentes conditions de charge partielle, il faut réaliser une simulation par

point normatif (A, B, C, D, E). Pour chaque simulation, on fixe des conditions sur les sources

d’air et/ou d’eau, selon les tableaux de la norme EN 14825.

Dans le cas des machines disposant de plusieurs étages de compression, plusieurs

simulations sont nécessaires pour chaque point (au moins une simulation pour chacun des

deux étages de compression induisant des puissances machine qui encadrent les besoins).

L’exemple suivant (Figure 9) est celui d’une PAC air/eau disposant de deux étages de

compression. Les données d’entrée sur les sources sont rappelées : elles correspondent à

un calcul en basse température, climat moyen et température de sortie d’eau variable.

Equilibre donne les puissances calorifique et absorbée pour chaque condition et étage de

compression.

Configuration

Evaporateur Condenseur Ratio de charge partielle

Données Equilibre (déclarées)

temp sèche air (°C)

temp hum air

(°C)

temp entrée (°C)

temp sortie (°C)

Nom config dans

Equilibre

Etage de compr.

Pabs brute en kW

Pcalo brute en kW

conditions nominales

7 6 30 35

nominal 100% 21.79 86.76

A -7 -8 * 34 88% A(88) 100 100% 20.6 60.28

-7 -8 * 34 88% A(88) 50 50% 11.16 32.84

B 2 1 * 30 54% B(54) 100 100% 19.57 77.57

2 1 * 30 54% B(54) 50 50% 10.6 42.42

C 7 6 * 27 35% C(35) 50% 10.19 49.07

D 12 11 * 24 15% D(15) 50% 9.8 57.38

E (TOL) -10 -11 * 35 100% E(100) 100 20.87 55.41

Figure 9 : Performances rutes Equili re d’une A air/eau


Août 2014

2.1.3. Conversion en puissances nettes

Le logiciel Equilibre donne des valeurs de puissance brutes, qui ne correspondent pas

tout-à-fait aux valeurs que l’on obtiendrait par mesure, que l’on appelle valeurs de puissance

nette. Il faut donc apporter des corrections aux valeurs des simulations.

Prise en compte du circuit hydraulique

Equilibre tient compte uniquement des pertes de charge des échangeurs. Or, les

machines CIAT air/eau et eau/eau sont vendues avec un petit circuit hydraulique intégré à

l’échangeur intérieur. La composition de ce circuit varie selon les modèles et les options

disponibles. Par exemple, certains appareils air/eau sont disponibles avec une pompe de

circulation intégrée ou encore un ballon tampon.

Selon le cas de figure, on minore ou majore les puissances brutes en fonction des pertes

de charge hydrauliques, ainsi que de la puissance absorbée et de la pression disponible

d’une éventuelle pompe de circulation. Cela revient à faire un bilan thermique côté

échangeur et circuit d’eau intérieurs.

Prise en compte du dégivrage de l’évaporateur

Le logiciel de simulation ne prend pas en compte les cycles de dégivrage (inversion

temporaire du cycle frigorifique pour dégivrer l’évaporateur qui devient alors un condenseur)

que doivent effectuer les PAC air/eau pour des températures extérieures faibles. Il convient

donc de minorer les performances en introduisant des coefficients multiplicateurs sur les

puissances pour les points concernés.

Des travaux ont montré que l’on devait minorer la puissance calorifique de 10 à 15%

pour des températures extérieures inférieures à 6°C (voir 2.3.1.).

2.1.4. Calcul des COP aux charges partielles

Détermination de la droite de charge (besoins)

Le calcul prend en compte les besoins (d’un bâtiment fictif) à couvrir par le système de

production. En refroidissement, on considère que tous les appareils sont dimensionnés pour

vaincre la charge maximale à 35°C extérieur. Par contre, en chauffage, la droite de charge

est déterminée en fonction de la température de bivalence choisie, qui conditionne la

présence d’un appoint (Figures 10 et 11).


Août 2014

Figure 10 : Droites de charge et de puissances fournies par la machine (PAC air/eau bi-

étagée), pour une température de bivalence de -10°C

Figure 11 : Droites de charge et de puissances fournies par la machine (PAC air/eau bi-

étagée), pour une température de bivalence de -5°C

Ces courbes (Figures 10 et 11) représentent :

- la puissance calorifique fournie par le machine pour les deux étages de compression

en fonction de la température extérieure. Ces puissances aux points A,B,C,D,E,

déterminées par simulation et corrigées en puissances nettes, restent fixes quelle

que soit la température de bivalence.

- la charge (ou besoins) du bâtiment fictif dans lequel cette machine est placée. La

droite de charge varie selon la température de bivalence choisie.


Août 2014

Ces courbes permettent de mettre en avant deux notions très importantes :

- Puissance d’appoints : pour une température de bivalence Tbiv = Tdesign = -10 °C

(climat moyen) (Figure 10), la PAC couvrira à elle seule l’ensemble des besoins. Si

Tbiv est supérieure à Tdesign (Figure 11), un appoint soutient la PAC pour l’aider à

couvrir les besoins pour une température extérieure supérieure à Tbiv (zone jaune).

- Cyclage (cycles marche/arrêt) du compresseur : si la puissance fournie au plus petit

étage de compression est supérieure aux besoins, les performances seront

dégradées à cause du cyclage, ce qui se traduit par un coefficient minorateur dans le

calcul (zone verte). Dans le deuxième cas (Tbiv = -5°C) (Figure 11) , la droite de

charge « remonte », ce qui réduit les écarts de puissance et donc le cyclage.

Les caractéristiques du point de bivalence F, non simulé puisque pouvant varier, sont

déterminées par interpolation linéaire sur la droite de puissance machine 100%, entre les

points B (2°C) et E (-10°C). Ce point étant l’intersection entre la droite de puissance

machine 100% et la droite de charge, on peut alors déterminer Pdesign (les besoins à

Tesign = -10°C) et la droite de charge, sachant que celle-ci passe dans tous les cas par le

point de non-chauffage (0 kW à 16°C).

Prise en compte des besoins pour le calcul des COP

Afin de calculer des performances approchant les performances réelles de la machine

aux conditions de charge partielle, il faut comparer pour chaque point (A,B,C,D,E,F) les

besoins avec les puissances aux différents étages de compression. Prenons à nouveau

l’exemple de la machine air/eau bi-étagée (se référer aux Figures 10 et 11). Il y a trois cas

de figures :

- Cas 1 : charge > puissance fournie (100%) Dans ce cas les puissances et le COP à charge partielle sont égaux aux puissances et au COP de la machine à 100% de puissance. On prendra plus tard un appoint en compte.

- Cas 2 : puissance fournie (100%) > charge > puissance fournie (50%)

Dans ce cas la puissance calorifique à charge partielle est égale à la charge (besoins). Si la charge approche à plus ou moins 10% près l’une des deux puissances encadrantes, le COP à charge partielle est égal au COP du palier avoisinant. Sinon, il est déterminé par interpolation entre les puissances des deux paliers.

- Cas 3 : charge < puissance fournie (50%)

Dans ce cas aussi la puissance calorifique à charge partielle est égale à la charge. Le COP à charge partielle est calculé à partir du COP du palier 50%, minoré à l’aide d’une formule faisant intervenir le coefficient de cyclage Cc (voir 1.3.3.).

Après cette étape, on obtient donc pour chaque condition de charge partielle

A,B,C,D,E,F une puissance calorifique et un COP aux charges partielles (Figure 12).


Août 2014

point Pdh (kW) COPd

A (-7°C) 60.9 2.58

B (2°C) 43.2 3.45

C (7°C) 27.8 4.25

D (12°C) 12.3 4.05

E (TOL) 56.1 2.34

F (BIV) 64.8 2.77

Figure 12 : erformances aux c arges artielles d’une PAC air/eau

Ces valeurs seront utilisées comme point de départ dans la prochaine étape, celle du

calcul des coefficients de performance saisonniers.

2.1.5. Calcul des coefficients saisonniers

Calcul du SCOPon et du SCOPnet de référence

Le SCOPon représente le COP saisonnier avec appoint, sans les auxiliaires.

Figure 13 : Calcul du SCOPon de référence d’une PAC air/eau


Août 2014

A chaque intervalle j correspond une température Tj et un nombre d’heures annuelles Hj

(Figure 13). On se trouve ici dans le cas d’un climat moyen, les températures varient de

Tdesign = -10°C à la température de chauffage la plus élevée, 15°C.

Les valeurs en jaune (Figure 13) correspondent à la puissance calorifique et au COP

aux charges partielles (pour les points A,B,C,D,E) déterminés dans 2.1.4.. La température

du point de bivalence F étant variable, les valeurs obtenues pour ce point sont également

fixées dans la ligne du tableau correspondante. Les puissances et COP aux autres

températures sont interpolées ou extrapolées à partir de ces valeurs (aux points

A,B,C,D,E,F).

Le SCOPon est égal au rapport entre la demande de chauffage annuelle et l’énergie

absorbée par la PAC avec son appoint électrique.

Le calcul du SCOPnet est identique, sauf que la contribution de l’appoint est prise égale

à zéro.

Calcul du SCOP de référence

Le calcul du SCOP se fait à partir de la valeur du SCOPon et des consommations aux

différents modes de fonctionnement (mode actif et modes auxiliaires), selon la formule vue

en 1.2.3..

SCOPon 3.448

SCOPnet 3.512

SCOP 3.445

Figure 14 : coefficients saisonniers de référence d’une PAC air/eau

Calcul de l’efficacité énergétique saisonnière (rendement saisonnier)

Le calcul de ηs se fait à partir de la valeur du SCOP et des corrections F(i) selon la

formule définie en 1.1.2.. Les F(i) sont donnés par la méthode transitionnelle. Dans le cas de

la PAC air/eau prise à titre d’exemple, on obtient :

ηs

-


Août 2014

2.2. Développement d’un outil de calcul automatisé

Une des tâches de ce PFE a consisté en une aide au développement d’un outil plus

automatisé, en collaboration avec le service informatique.

Principe de l’outil automatisé

Le principe du calcul de performances saisonnières est le même que celui décrit en

2.1.1. (Figure 7). La différence réside dans l’automatisation du calcul, afin que l’utilisateur ait

à fournir le moins de données d’entrée possibles.

Le logiciel de calcul, appelé Terra, est indépendant du logiciel de simulation Equilibre,

qui le fournit juste en données d’entrée. Le premier travail du service informatique a été de

modifier le logiciel Equilibre pour qu’il réalise successivement toutes les simulations

nécessaires au calcul du SCOP (dans les conditions A,B,C… et pour les différents étages

de compression). On obtient alors un fichier de données lisible par l’outil de calcul Terra.

L’utilisateur de Terra peut donc ouvrir ce fichier généré par Equilibre, lire les valeurs

brutes obtenues et les valider. La conversion en puissances nettes peut alors se faire à

partir d’une base de données répertoriant les courbes de perte de charge et de pompe pour

l’ensemble des machines. L’utilisateur doit alors renseigner les paramètres suivants :

coefficients de cyclage (fixés ou calculés), coefficients de dégivrage, température de

bivalence. Il doit également donner le climat dans lequel le calcul doit se faire, ainsi que le

type de machines (chauffage seul ou réversible) pour la prise en compte des auxiliaires. La

puissance des auxiliaires est renseignée par taille de machine dans une base de données.

Terra donne alors les différents SCOP, le rendement saisonnier ηs, ainsi que la température

de bivalence optimale, avec possibilité de relancer le calcul pour cette température optimale.

Sur le long terme, Terra sera capable de générer un calcul de SEER (refroidissement).

Aide apportée

Pour le moment, la modification d’Equilibre a été effectuée, et l’outil de calcul Terra est

fonctionnel pour le climat moyen. Cependant, la base de données des auxiliaires n’existe

pas encore en tant que telle.

Mon rôle, en collaboration avec mon tuteur, a été d’expliquer au service informatique la

méthode de calcul (avec un document écrit et à l’oral), d’aider à définir la structure de l’outil,

ainsi que les interfaces d’entrée et de sortie.

J’ai également réalisé des tableaux de consommation des auxiliaires (voir 2.3.2.) pour

l’ensemble des gammes du BE Energy, qui serviront à renseigner la future base de données

auxiliaires.


Août 2014

2.3. Optimisation des paramètres liés à l’entreprise

Bien que les valeurs des paramètres utilisés dans le calcul des coefficients de

performance saisonniers puissent être déterminées par le calcul uniquement, ces valeurs

seront mesurées dans les laboratoires certificateurs d’Eurovent, ainsi que par l’UE lors

d’opérations de contrôle, le cas échéant. Il convient donc que les calculs ou simulations

informatiques soient aussi proches de la réalité que possible.

Le calcul des performances saisonnières étant nouveau pour l’entreprise, un certain

nombre de paramètres entrant en jeu ne sont pas bien quantifiés ou connus par l’entreprise.

Selon les paramètres, j’ai effectué totalement ou partiellement ce travail.

2.3.1. Prise en compte du dégivrage

La norme EN 14825 stipule que la déclaration des performances saisonnières peut être

fondée sur des valeurs mesurées ou calculées. Dans le cas de valeurs calculées, elle ne

donne cependant pas d’indications ou de recommandations concernant la minoration des

performances due au dégivrage de l’évaporateur en hiver. Le logiciel de simulation Equilibre

ne tient pas compte du dégivrage des machines. Il faut donc estimer son influence pour

minorer les performances données par le logiciel de la manière la plus précise possible.

Les gammes concernées sont celles des appareils air/eau. Les machines CIAT telles

qu’elles sont conçues actuellement utilisent exclusivement la méthode de dégivrage par

inversion de cycle : le cycle thermodynamique s’inverse pendant quelques minutes à

intervalles de temps réguliers de sorte que l’évaporateur devienne condenseur et puisse

dégivrer. On va donc refroidir l’eau de chauffage pendant ces quelques minutes.

Le calcul des performances saisonnières en chauffage étant nouveau, l’entreprise n’a

pas encore caractérisé de manière précise l’impact des cycles de dégivrage par type de

batterie d’air. Quelques essais comparatifs ont cependant déjà été réalisés, avec et sans

inversion de cycle. J’ai réalisé une synthèse de ces résultats d’essais, dans le but de

caractériser les pertes de performance à travers des coefficients à appliquer sur la

puissance calorifique fournie et sur la puissance absorbée.

La détermination des puissances tenant compte du dégivrage se détermine après un

bilan énergétique sur la durée totale du test. On peut alors comparer avec les puissances

obtenues sans cycles de dégivrage pour estimer des coefficients minorateurs.

Par exemple, des essais réalisés au cours d’une étude détaillée [9] ont conduits aux

résultats suivants (Figure 15) :


Août 2014

Figure 15 : Coefficients de performance à charge partielle (à gauche) et à pleine charge

(à droite), avec et sans dégivrage

A partir de ces résultats, il est possible de déterminer la valeur de coefficients

minorateurs par tranche de température.

La puissance absorbée globale (pondérée dans le temps) variant de manière beaucoup

moins importante que la puissance calorifique fournie, on fait l’hypothèse qu’elle reste

constante et que seule la puissance calorifique doit être minorée. Ainsi, le COP est minoré à

l’aide du même coefficient que la puissance calorifique.

Les essais montrent que la machine peut commencer à dégivrer pour une température

extérieure inférieure ou égale à 6°C environ. Les points normatifs de charge partielle

concernés par le dégivrage sont A (-7°C), B (2°C), E (-10°C) et F (BIV). La puissance

calorifique obtenue par simulation pour ces conditions sera minorée. Pour les autres

tranches de température inférieure à 6°C, la perte de puissance calorifique est prise en

compte plus tard dans le calcul des SCOP, lorsque l’on réalise des interpolations sur les

COP des points A,B,C,D,E,F.

Les valeurs de coefficients minorateurs de dégivrage varient selon les essais. L’analyse

des différents résultats a conduit à deux hypothèses de minoration des

performances (Figure 16) :

Point norme Hypothèse

forte Hypothèse

faible

A (-7°C) 17.5% 10%

B (2°C) 15% 10%

E (-10°C) 15% 10%

F (BIV) interpolation entre B et E

Figure 16 : Coefficients minorateurs de dégivrage, à appliquer

sur la puissance calorifique fournie

L’hypothèse forte correspond à l’essai donnant le cas de figure le plus défavorable.

De manière estimative, les machines CIAT devraient se trouver entre ces deux séries de

valeurs.


Août 2014

Le problème est que le nombre d’essais et donc l’analyse sont insuffisants. Il faudrait

avoir une caractérisation par taille famille de batterie utilisée, et même si possible par taille

de machine.

2.3.2. Consommation des auxiliaires

Les auxiliaires de la machine thermodynamique interviennent dans le calcul des

performances saisonnières à travers les modes de fonctionnement autres que le mode actif,

qui sont caractérisés par un nombre d’heures annuel qui dépendent de la fonction de la

machine : pompe à chaleur ou groupe d’eau glacée réversible ou non.

Puissance des auxiliaires par machine

Avant mon arrivée, il n’existait aucun fichier répertoriant de manière générale tous les

auxiliaires présents par type et taille de machine. J’ai donc créé un fichier Excel de

récapitulatif des auxiliaires présents selon les options de vente pour toutes les machines de

la division BE Energy. Sur ces tableaux figurent également les puissances à prendre en

compte pour les calculs normatifs. Ces diverses informations ont été collectées sur les

notices techniques et sur les répertoires de nomenclatures et de produits internes, ainsi que

dans les documentations des fournisseurs.

Les auxiliaires pouvant intervenir dans le calcul du SCOP ou du SEER sont les

suivants :

- carte de régulation : présente sur toutes les machines,

- détendeur électronique : non présent pour les machines de plus petites tailles,

optionnel ou standard pour les plus grandes machines,

- résistance de chauffage de carter : livrée avec le compresseur par le fournisseur, elle

est présente sur la quasi-totalité des machines,

- pompe de circulation hydraulique : la machine peut être livrée avec un circuit

hydraulique possédant une pompe de circulation montée en usine selon la

configuration du circuit du client.

- variateurs de vitesse : les ventilateurs des machines air/eau et les pompes de

circulation peuvent être à vitesse variable (option de vente). Dans le cas de la

gamme disposant d’un compresseur à vitesse variable, le variateur de vitesse du

compresseur est également à prendre en compte.


Août 2014

Modes de fonctionnement de la norme et auxiliaires

Les puissances absorbées dans les différents modes de fonctionnement sont estimées

en tenant compte des auxiliaires qui devraient fonctionner pour un mode donné dans les

conditions de mesures de la norme EN 14825. Il a fallu pour cela analyser précisément le

contenu de la norme traitant du sujet (Figure 17).

Mode

Auxiliaires à prendre en compte

cas 1 : résistance carter dans Psb cas 2 : pas de résistance carter dans

Psb

carte régul.

détend.électr.

var. vitesse

rés. carter

pompe carte régul.

détend électr.

var. vitesse

rés carter

pompe

Veille (SB) X X X X X X X

Chauffage de carter (CK)

X X X X X

Arrêt par le thermostat (TO)

X X

Arrêt (off) X X X X X X X

Figure 17 : uissances d’auxiliaires à prendre en compte

dans les différents modes de fonctionnement

Les auxiliaires interviennent également dans le calcul des coefficients de cyclage Cc.

Ces coefficients sont donnés pour chaque charge partielle par :

c uissance a sor ée en mode arr t du com resseur ( off

uissance a sor ée en fonctionnement

Dans le fichier de calcul de SCOP, le choix est laissé entre la possibilité de prendre des

valeurs de Cc par défaut (0.9), celle de fixer des Cc ou encore celle de les estimer par le

calcul avec la formule ci-dessus.

Cas des pompes de circulation

Le cas de la pompe de circulation est particulier. En effet, la puissance absorbée par

cette pompe est prise en compte à deux niveaux dans le calcul des performances

saisonnières de machines équipées d’une telle pompe. D’abord, au moment de la

conversion entre la puissance brute obtenue par le logiciel de simulation et la puissance

nette tenant compte de l’hydraulique présente sur la machine. Ensuite, au moment de la

prise en compte de la consommation en mode arrêt par le thermostat au moment du calcul

du SCOP de référence.


Août 2014

La puissance absorbée jusqu’ici donnée dans les notices est celle qui correspond au

débit maximal de fonctionnement de la pompe. Une étude rapide a montré qu’entre cette

puissance absorbée maximale et la valeur de puissance absorbée au débit nominal normatif

(valeur réelle dans le calcul normatif), plus faible jusqu’à 25%, le gain en termes de SCOP

n’est pas négligeable (jusqu’à 3%). Les puissances spécifiées dans les tableaux

récapitulatifs des auxiliaires sont donc les puissances au débit nominal, déterminées pour

chaque taille de machine dans les conditions nominales normatives.

Les valeurs de puissance absorbée au débit nominal sont à reprendre directement pour

la conversion entre valeurs brutes et valeurs nettes. Par contre, la valeur de puissance Pto à

prendre en compte dans le mode arrêt par le thermostat peut encore être minorée, en tenant

compte d’un mode « veille pompe ». En réglant un paramètre de régulation, il est possible

de ne faire fonctionner la pompe que pendant la première minute de l’heure qui suit l’arrêt du

compresseur. La mesure de la consommation en mode arrêt par le thermostat, le seul où

intervient la pompe, se fait sur une heure. On peut alors diviser la puissance absorbée en

mode arrêt par thermostat par 60.

2.4. Positionnement des machines et stratégies d’entreprise

Les exigences et les échéances ont été bien définies par la Commission Européenne.

Par contre, la manière de calculer les performances saisonnières n’est pas définitive. Bien

qu’au cours de ce PFE j’ai pu obtenir des éclaircissements sur un certain nombre de points

d’incertitudes, d’autres subsistent. Il a fallu lister tous les paramètres entrant en jeu dans le

calcul des SCOP mais pas encore fixés, puis effectuer pour quelques machines

représentatives de la gamme des calculs en faisant varier ces paramètres. Ces calculs ont

été réalisés à partir des fichiers Excel que j’ai développés. Le but est de prévoir le

positionnement des différentes machines vis-à-vis des seuils réglementaires, en fonction

des cas de figure, et de quantifier l’impact de chacun de ces paramètres dans le but de

définir des stratégies d’entreprise.

2.4.1. Variantes de calcul : paramètres non fixés

L’incertitude sur certains paramètres entrant en jeu dans le calcul provient soit d’une

difficulté d’interprétation des textes officiels, soit d’une difficulté de quantification liée au

manque d’expérience de l’entreprise sur le sujet, soit encore d’une plage de liberté accordée

par la réglementation, ce qui revient à un choix stratégique laissé à disposition du

constructeur. Ces paramètres sont listés comme suit (Figure 18) :


Août 2014

Figure 18 : Liste des variantes de calcul de ηs

Ces paramètres (Figure 18) ont tous été définis précédemment. Une fois qu’ils seront

tous fixés, il faudra déclarer pour une taille de machine donnée une seule ηs (PAC basse

température), ou éventuellement deux (PAC moyenne température). Les incertitudes

existant sur ces paramètres multiplient de manière importante le nombre de calculs à

réaliser, notamment du fait que la température de bivalence peut varier de -10°C à +2°C en

climat moyen.


Août 2014

2.4.2. Impact des différents paramètres

Résultats des calculs

Les courbes suivantes (Figures 19, 20, 21, 22), placées ici à titre d’exemple, sont la mise

en forme des résultats de calcul des performances saisonnières d’une machine air/eau

mono-étagée, pour laquelle on a fait varier tous les paramètres listés.

Sur chaque graphique (Figures 19, 20, 21, 22), l’efficacité énergétique saisonnière varie

en fonction de la température de bivalence choisie et selon le choix des paramètres de

sortie d’eau et de dégivrage. Les deux courbes bleues correspondent aux résultats en sortie

fixe ; la courbe bleue supérieure à l’hypothèse de coefficients de dégivrage forts, la courbe

bleue inférieure à l’hypothèse de coefficients de dégivrage faibles. Idem pour les courbes

vertes qui représentent les résultats en sortie variable. Les droites rouges représentent les

seuils réglementaires de ηs à atteindre en septembre 2015 et en septembre 2017.

Un graphique donné correspond à un régime de température donné et à une série de

coefficients de cyclage Cc donnée.

a) Régime basse température (30/35°C)

o Coefficients de cyclage par défaut (0.9)

Figure 19 : Efficacité ηs en fonction des différents paramètres, régime BT et Cc = 0.9


Août 2014

o Coefficients de cyclage estimés (fixés à 0.98)

Figure 20 : Efficacité ηs en fonction des différents paramètres, régime BT et Cc = 0.98

b) Régime moyenne température (47/55°C)

o Coefficients de cyclage par défaut (0.9)

Figure 21 : Efficacité ηs en fonction des différents paramètres, régime HT et Cc = 0.9


Août 2014

o Coefficients de cyclage estimés (fixés à 0.98)

Figure 22 : Efficacité ηs en fonction des différents paramètres, régime HT et Cc = 0.98

Interprétation des résultats

Ces courbes (Figures 19, 20, 21, 22) permettent de visualiser l’impact de chaque

paramètre sur le calcul des performances saisonnières. On peut ainsi voir que :

- De façon logique, le calcul en sortie fixe est bien plus défavorable que le calcul en

sortie variable.

- Une variation de la valeur des coefficients de dégivrage induit une translation de la

courbe et donc des rendements saisonniers. Pour une machine donnée, la courbe

réelle devrait se trouver entre les deux courbes correspondant aux hypothèses de

minoration forte et faible.

- Pour une configuration donnée, il existe une température de bivalence conduisant

aux performances optimales. Cette température de bivalence optimale est toujours

supérieure à la température limite -10 °C ; elle est pour tous les cas étudiés comprise

entre -7°C et -3°C. Cela se traduit par la forme en cloche des courbes.


Août 2014

- Le passage de la valeur des coefficients de cyclage par défaut (Cc = 0.9) à une

valeur estimée (ici Cc = 0.98) a deux effets. D’abord, les performances sont

améliorées de manières importante (dans le cas d’une machine mono-étagée).

Ensuite, la variation de la température de bivalence induit une variation des

performances beaucoup moins importante jusqu’à une certaine valeur. Cela se

traduit par un « lissage » de la courbe et des efficacités saisonnières équivalentes

pour une température de bivalence comprise entre -10°C et -2°C.

- Pour cette famille de machines air/eau, les performances en régime 47/55°C sont

très inférieures à celles obtenues en régime 30/35°C. Bien que les seuils

réglementaires sont abaissés dans ce premier cas, la marge par rapport à ces seuils

diminue fortement.

2.4.3. Positionnement des machines et impact global des paramètres

Positionnement des machines par rapport aux seuils

Un travail similaire a été réalisé pour des appareils représentatifs des différentes familles

des gammes, permettant de se rendre compte (en fonction des différents paramètres) du

positionnement des machines en termes de performances saisonnières, vis-à-vis des seuils

réglementaires.

Certaines gammes présentent des efficacités saisonnières bien supérieures aux seuils

réglementaires, y compris celui de 2017. C’est le cas notamment des appareils eau/eau,

pour lesquels les seuils sont les mêmes que pour les appareils air/eau, alors que la

température de la source extérieure ne varie pas au cours de l’année (10°C en eau pure,

0°C en eau glycolée).

Pour certains appareils, la valeur des paramètres étudiés comme la température de

bivalence, les coefficients de dégivrage ou les coefficients de cyclage influe de manière

importante. En fonction de ces valeurs, les efficacités saisonnières des appareils en

question atteignent ou non les seuils réglementaires.

Récapitulatif : incidence des paramètres

Ce travail, réalisé pour un certain nombre d’appareils représentatifs de l’ensemble de la

gamme du BE Energy, a permis de synthétiser l’impact des différents paramètres sur le

calcul de performances saisonnières (Figure 23).


Août 2014

Paramètre Valeur

favorable Valeur

défavorable Cas de figure pour le

calcul de ηs

gain ηs machines

air/eau

gain ηs machines eau/eau

régime d'eau déclaration en BT (30/35°C)

déclaration en MT (47/55°C)

sortie variable 13% 13%

coefficient de cyclage Cc

calculé par défaut (Cc = 0.9)

mono-ét. Tbiv=-10°C 18% -

mono-ét. Tbiv optimale 10% -

multi-ét. Tbiv=-10°C 2% -

multi-ét. Tbiv optimale 0.5% -

sortie d'eau sortie variable sortie fixe régime BT 12% 15%

régime HT 25% 40%

dégivrage minoration faible (10%

pour T < 5°C)

minoration forte

(15 à 18% ) - 4% -

température de bivalence

Tbiv > -10°C (avec appoint)

Tbiv = -10 °C (sans appoint)

- 8% 2%

Figure 23 : Incidence des paramètres non figés sur le calcul

de l’efficacité énergétique saisonnière

Ce tableau (Figure 23) rappelle les paramètres sur lesquels j’ai joué. Pour chaque

paramètre, le gain de ηs entre le cas de figure favorable et le cas de figure défavorable est

donné de manière approximative, en distinguant les machines air/eau et les machines

eau/eau.

2.4.4. Conclusions et stratégies

Le travail effectué permet de tirer des conclusions quant aux stratégies que l’entreprise

va devoir suivre :

- Sortie d’eau : la sortie variable est bien plus avantageuse pour le calcul. Au cours

du PFE, nous avons eu la confirmation que les appareils CIAT, disposants d’une

régulation sur une loi d’eau sur la température extérieure, sont soumis au calcul en

sortie variable. Ainsi, en aucun cas les performances ne seront déclarées en sortie

fixe.


Août 2014

- Régime d’eau : dans la réglementation, une PAC capable de fournir de l’eau en

moyenne température est tenue d’être déclarée comme telle. Cependant, l’essentiel

de la gamme des appareils air/eau du BE Energy se situe quasiment à la limite du

domaine de fonctionnement de la machine pour les conditions de moyenne

température. L’avantage de déclarer en moyenne température provient du fait que

l’on pourra déclarer deux régimes de température sur les étiquettes, au lieu d’un.

Mais ces appareils n’ont pas été conçus pour fournir de l’eau à 55°C, et leurs

performances chutent de manière trop importante pour qu’il soit intéressant de

chercher à déclarer ce régime 47/55°C. Certaines PAC air/eau spécialement

conçues pour fournir de l’eau à haute température, ainsi que l’essentiel de la gamme

des machines eau/eau, sont tenues d’être déclarées en moyenne température.

- Coefficients de cyclage Cc : Dans le cas des machines mono-étagées, ces

coefficients sont le paramètre ayant le plus d’impact sur les performances

saisonnières. On peut en effet gagner jusqu’à 18% sur le ηs pour une température de

bivalence de -10°C, selon que les Cc soient pris par défaut ou calculés. Si la

machine possède deux étages de compression ou dispose de la technologie inverter,

ce chiffre retombe à 6%, et à 2% avec quatre étages de compression ou plus. Le

problème provient du fait que les valeurs de Cc utilisées pour ces calculs sont

estimés et non réellement mesurés. Il faudrait effectuer des mesures pour estimer

réellement ces coefficients Cc et valider ces valeurs de calcul estimatif. Le Cc est à

optimiser principalement pour les machines mono-compresseur.

- Coefficients minorateurs de dégivrage : L’impact de la minoration des

performances selon l’hypothèse choisie n’est pas négligeable. De la même manière

que pour les Cc, il y a ici un besoin d’essais pour quantifier de manière précise, par

famille de batterie d’air, l’impact du dégivrage pour les points de fonctionnement

normatifs.

- Température de bivalence : Si les trois points précédents correspondent à des

problèmes et stratégies purement liés à l’entreprise, le choix de la température de

bivalence est le point pour lequel il subsiste une incertitude du point de vue

réglementaire. La règlementation est ambiguë concernant la problématique

suivante : si on déclare une température de bivalence supérieure à -10°C, faut-il

fournir physiquement un appoint électrique avec la machine, ou simplement le

préconiser sans le fournir ? La deuxième possibilité est quasiment acquise, après

plusieurs mois de lobbying de la part des fabricants de PAC, mais pour le moment

aucune information officielle n’a été communiquée par la Commission européenne.

D’une manière générale, moins les performances d’une machine sont bonnes, plus

la différence entre le ηs avec une température de bivalence de -10°C et le ηs avec la

température de bivalence optimale est importante (c’est-à-dire plus les courbes

précédentes sont en cloche). Ainsi, le choix de la température de bivalence pour les

machines eau/eau, plus performantes sur une saison, a moins d’impact que pour les

machines air/eau.


Août 2014

2.4.5. Communication des résultats et liens avec les autres services

Organisation de réunions informatives

Les résultats obtenus ont été diffusés et commentés lors de réunions internes pendant

lesquelles étaient présentées :

- les exigences et échéances réglementaires et de certification Eurovent,

- la manière générale de calculer les performances saisonnières,

- les paramètres non fixés et leur impact sur les performances saisonnières,

- le positionnement des machines selon la valeur de ces paramètres.

Ces réunions internes impliquaient :

- le service Recherche et Innovation, pour discuter de l’interprétation des règlements

et normes et demander la réalisation d’essais (notamment pour quantifier plus

précisément les coefficients de cyclage et les coefficients de dégivrage),

- le bureau d’études de la division Habitat, dont les PAC (de faible puissance) sont

soumises aux exigences de performance et d’étiquetage, pour leur faire part des

travaux effectués et leur communiquer les fichiers de calcul,

- les chargés de projet et responsables hiérarchiques du BE Energy, pour les mettre

au courant de l’impact des nouvelles règlementations,

- le service Offre et Développement Stratégique, afin de rendre compte de l’impact

pour les machines et la déclaration des données. Les choix stratégiques sont à

effectuer avec la collaboration de ce service, notamment pour le choix de la

température de bivalence.

J’ai également été en contact avec le CETIAT pour des interrogations sur l’interprétation

des textes officiels.

Stratégies pour le choix de la température de bivalence

Le choix de la température de bivalence à retenir se fait à partir des courbes ηs = f (Tbiv)

(Figure 24).


Août 2014

Figure 24 : forme générale d’une cour e de l’efficacité saisonnière ηs en fonction de

la température de bivalence Tbiv

On considère dans cette étude que déclarer une température de bivalence supérieure à

-10°C n’oblige pas le constructeur à fournir l’appoint. Ce point est quasiment acquis grâce

au lobbying des constructeurs. Les fabricants peuvent ainsi choisir de déclarer la

température de bivalence qui les arrange le mieux.

Au niveau des performances de la machine, le choix le plus intéressant est celui de la

Tbiv optimale (Figure 24).

Cependant, plus la température de bivalence Tbiv est élevée, plus la température de

dimensionnement de référence Pdesign (besoins à -10°C) est élevée. Cela revient à placer

une même PAC dans un bâtiment avec plus de besoins. Donc si la température de

bivalence augmente, le prix de vente de la PAC rapporté aux besoins (prix en € / kWh)

diminue.

Le point d’inflexion (Figure 24) correspond à la fin de la partie plate de la courbe, pour

laquelle les performances varient peu. Il faut donc trouver un compromis entre performance

optimale et prix au kWh bas. Ce compromis, qui correspondra au positionnement du service

Offre et Développement stratégique, se situe entre le point de bivalence optimal et ce point

d’inflexion (Figure 24).

D’un autre côté, une température de bivalence élevée implique pour l’installateur et le

client l’installation d’un système d’appoint, ce qui pourrait induire quelques réticences de leur

part, notamment pour les PAC eau/eau.

Des courbes de ce type ont été réalisées pour les différentes gammes de PAC, afin

d’aider l’Offre à trancher quant au choix de la température de bivalence selon les familles de

produits.


Août 2014

2.5. Calculs définitifs

Calculs définitifs de performances saisonnières

A la fin du PFE, l’outil de calcul automatisé du service informatique n’était toujours pas

finalisé. L’échéance d’octobre 2014 pour la déclaration des données saisonnières à

Eurovent étant proche, j’ai procédé à la réalisation de calculs définitifs pour les machines de

puissance inférieure à 70 kW. Ces calculs ont été réalisés à partir du fichier Excel développé

et amélioré au cours du PFE.

Les puissances calorifiques et absorbées nettes (puissances brutes obtenues par

simulation et converties avec les données hydrauliques) ont été déterminées pour

l’ensemble des gammes soumises à cette échéance.

Certains des paramètres de calcul ne sont pas encore fixés : la valeur des coefficients

de dégivrage et de cyclage est encore incertaine, le positionnement sur la température de

bivalence n’est pas encore clairement défini.

Cependant, pour certaines gammes de machines, des valeurs prévisionnelles ayant une

bonne probabilité de devenir définitives ont été fixées. C’est donc pour ces gammes que les

calculs définitifs et la mise en forme des résultats ont été effectués.

Pour les autres gammes, pour lesquelles il y a plus d’incertitudes sur les paramètres, les

fichiers de calcul et tableaux de résultats ont été préparés de façon à obtenir les

performances saisonnières le plus rapidement possible dès que les paramètres seront fixés.

Mise en forme réglementaire

Le calcul des performances saisonnières ne suffit pas : derrière ces règlementations se

cache un travail important de déclaration et de mise en forme de nombreuses données.

Il faudra en effet pour toutes les machines soumises au règlement fournir une fiche

produit (Figure 25) comportant les puissances, COP et coefficients de cyclage pour chaque

point normatif, ainsi que les différents coefficients de performances saisonniers, les

puissances dans les différents modes de fonctionnement, la charge Pdesign, et diverses

informations comme le niveau sonore, le débit d’eau ou d’air, la température maximale

d’eau fournie, le système de régulation…

Pour les machines de puissance inférieure à 70 kW, il faudra également fournir une

étiquette sur laquelle figure la classe énergétique, le niveau sonore et les puissances

nominales dans les trois climats.

Un modèle de fiche produit a été réalisé. Ce modèle sera utilisé comme fichier de sortie

du futur outil de calcul automatisé. Les fiches produits des machines pour lesquelles ont été

réalisés les calculs définitifs ont été complétées. En voici un exemple (Figure 25) :


Août 2014

Les paramètres sont déclarés pour les conditions climatiques moyennes.

Caractéris tiques Symbole Valeur Unité Caractéris tiques Symbole Valeur Unité

Puissance thermique

nominaleà Tdesignh = -10°C (-11°C)

P rated =Pdesignh

65.9 kW

Efficacité énergétique

saisonnière pour le

chauffage des locauxη s 169% %

Coef. de performance

saisonnier netSCOP net 4.42 -


saisonnierSCOP 4.42 -


saisonnier en mode actifSCOP on 4.42 -

Tj = - 7 °C Pdh 58.3 kW Tj = - 7 °C COPd 3.43 -

Tj = + 2 °C Pdh 35.5 kW Tj = + 2 °C COPd 4.34 -



Tj = température

bivalentePdh 65.9 kW

Tj = température

bivalenteCOPd 3.20 -

Tj = température limite

de fonctionnementPdh 65.9 kW

Tj = température limite

de fonctionnementCOPd 3.20 -

Pompes à chaleur air-eau

Tj = -15 °C (si TOL < -20°C)Pdh NA kW


Tj = -15 °C (si TOL < -20°C)COPd NA -

Température bivalente T biv -10 °C


Température limite de

fonctionnement

TOL -10 °C

Puissance calorifique sur

un intervalle cycliqueP cych NA kW

Efficacité sur un

intervalle cycliqueCOP cych NA -

Température maximale

de service de l 'eau de

chauffage

WTOL 55 °C

Tj = - 7 °C Cdh 0.987 -

Tj = + 2 °C Cdh 0.986 -

Tj = + 7 °C Cdh 0.985 -

Tj = + 12 °C Cdh 0.985 -

Coefficient de performance déclaré à charge

partielle pour une température intérieure de 20°C et

une température extérieure Tj

Coefficients de dégradation

Dispositif de chauffage d'appoint : non

Dispositif de chauffage mixte : non

Puissance calorifique déclarée à charge partielle

pour une température intérieure de 20°C et une

température extérieure Tj

Pompes à chaleur eau-eau : oui

Pompes à chaleur eau glycolée-eau : non

Pompes à chaleur basse température : non

Pompes à chaleur air-eau : non


Août 2014

Figure 25 : Fiche produit complétée pour la déclaration

des erformances saisonnières d’une A eau/eau

Les puissances calorifiques et les COP figurant sur la fiche produit sont ceux

résultants de la prise en compte de la charge du bâtiment dans le calcul du SCOP

(interpolations si la charge se trouve entre deux étages de compression, prise en compte du

cyclage). Ces données sont issues d’un calcul réalisé à partie des valeurs que l’on

obtiendrait en réalisant les essais. Il est intéressant de déclarer ces dernières (Figure 26),

correspondant à ce que fournit la machine dans les conditions d’essais, notamment dans le

cadre de la certification des machines par Eurovent.

Mode arrêt P off 0.035 kWPuissance thermique

nominaleP sup 0.0 kW

Mode arrêt par le

thermostatP to 0.000

kWType d'énergie util isée

Mode veille P sb 0.035kW

Mode résistance de

carter activeP ck 0.000

kW

Echangeur thermique extérieur

Régulation de puissancefixe /

variable

Pompes à chaleur air-

eau : débit d'air nominalQ air NA m3/h

Niveau de puissance

acoustique à l 'intérieur L wa 69 dB(A)Pompes à chaleur eau-

eau : débit d'eau nominalQ eau 13.3 m3/h

Niveau de puissance

acoustique à l 'extérieur L wa NA dB(A)

Emissions d'oxyde d'azote NOx NAmg/

kWh

Profil de soutirage

déclaré

Efficacité énergétique

pour le chauffage de

l'eauηwh NA

Consommation

journalière d'électricitéQelec NA kWh

Coordonnées de contact

NA : non applicable

m3/h

Pour les dispositifs de chauffage mixte par pompe à chaleur:

NA

CIAT

Autres caractéristiques

variable

Pompes à chaleur eau

glycolée-eau : débit d'eau

glycolée nominal

Q eau

glycoléeNA

Consommation d'électricité dans les modes autres

que le mode actifDispositif de chauffage d'appoint

NA


Août 2014

Figure 26 : Données supplémentaires pour la déclaration des performances à Eurovent

A chaque ligne du tableau (Figure 26) correspond un point d’essai et un étage de

compression. Ici, on est dans le cas de figure d’une machine à deux étages de compression,

pour laquelle le seul point pour lequel les deux étages interviennent dans le calcul est le

point A.

100% 19.3 66.8 3.46

50% 10.5 34.3 3.26

B 2 50% 8.4 36.5 4.34

C 7 50% 7.4 37.7 5.08

D 12 50% 6.6 38.7 5.88

E (TOL) -10 100% 20.6 65.9 3.20

F (BIV) -10 100% 20.6 65.9 3.20

point T°Cétage de

compr

Pabs nette

machine

(kW)

Pcalo nette

machine

(kW)

COP net

machine

A -7


Août 2014

Conclusion

Au cours de ce PFE, la méthode de calcul des performances saisonnières de la

norme EN 14825 a été analysée, afin de développer pour l’entreprise des outils de calcul

efficaces : un fichier Excel créé au début et amélioré durant le PFE, qui sert de base pour le

développement par le service informatique d’un outil plus élaboré, disponible dans un futur

proche. Le calcul des performances saisonnières est difficile à réaliser, puisqu’il prend en

compte un nombre important de paramètres. Les calculs saisonniers en chauffage étant

nouveaux, certains de ces paramètres sont mal maîtrisés par l’entreprise, il a donc fallu les

quantifier au mieux. D’autres problèmes proviennent de l’interprétation des textes officiels et

de certains choix laissés par ceux-ci aux constructeurs. Un travail important de calculs

comparatifs des performances saisonnières a été effectué, dans le but de se positionner par

rapport à ces choix. La préparation des calculs définitifs et de la mise en forme des résultats

pour la publication a été réalisée. Les calculs et la mise en forme ont été effectués

complètement pour les machines soumises aux premières échéances.

Les informations publiées par les instances européennes en termes d’exigences et

d’échéances ont été synthétisées sous la forme de documents. Les échéances les plus

proches, les seules pour lesquelles le règlement officiel a paru au Journal Officiel,

concernent les pompes à chaleur, à travers les réglementations 811/2013 et 813/2013

issues des directives ERP. Les quelques informations concernant la future règlementation

des performances saisonnières des groupes froid ne sont que prévisionnelles. C’est

pourquoi l’essentiel de ce PFE s’est porté sur les calculs des performances saisonnières en

chauffage, à travers les coefficients de performances saisonniers (SCOP).

Le travail effectué répond à un besoin de l’entreprise. En effet, les fabricants de

systèmes de chauffage et de refroidissement, dont le groupe CIAT, sont tenus de satisfaire

aux exigences des règlements européens, sous peine d’être interdits de marquage CE et

donc de vente en Europe. Cela représente un travail de calcul et de publication conséquent

du fait de la complexité de la norme et du nombre important de données à prendre en

compte et à déclarer.

Ce sujet est lié à des aspects économiques et stratégiques importants pour CIAT. Il

concerne directement la vente des produits et laisse au constructeur la possibilité de se

positionner pour certains aspects. Tout développement de nouvelles gammes, toute

amélioration des gammes actuelles, doivent se faire en tenant compte de ces

règlementations, pas seulement pour le marquage CE, mais aussi pour les performances

elles-mêmes, puisque ce sont celles-ci que le client va regarder, mis à part le prix.

L’avancement et les résultats de calculs ont donc été présentés au service Offre et

Développement Stratégique tout au long du PFE.

Sur le plan personnel, ce PFE m’a apporté une expérience très intéressante dans le

bureau d’études d’un important constructeur industriel, qui complète celles des stages

précédents réalisés dans le bâtiment. Cela m’a également donné l’occasion de comprendre

et de maîtriser des règlementations et des normes réalisés pour des systèmes fabriqués en

usine mais utilisés dans le bâtiment, ainsi que d’améliorer mes connaissances techniques

sur les machines thermodynamiques.


Août 2014

Bibliographie

[1] An : Règlement délégué (UE) N° 811/2013 de la Commission du 18 février 2013

complétant la directive 2010/30/UE du Parlement européen et du Conseil en ce qui

concerne l’étiquetage énergétique des dis ositifs de c auffage des locaux, des dispositifs de

c auffage mixtes, des roduits com inés constitués d’un dis ositif de c auffage des locaux,

d’un régulateur de tem érature et d’un dis ositif solaire et des roduits com inés constitués

d’un dis ositif de c auffage mixte, d’un régulateur de tem érature et d’un dis ositif solaire

[2] An : Règlement délégué (UE) N° 813/2013 de la Commission du 2 août 2013 portant

application de la directive 2009/125/CE du Parlement européen et du Conseil en ce qui

concerne les exigences d’écoconception applicables aux dispositifs de chauffage des locaux

et aux dispositifs de chauffage mixtes

[3] An : Norme NF EN 14511, Climatiseurs, groupes refroidisseurs de liquide et pompes à

chaleur avec compresseur entraîné par moteur électrique pour le chauffage et la

réfrigération des locaux, 2011

[4] An : Norme NF EN 14825, Climatiseurs, groupes refroidisseurs de liquide et pompes à

chaleur avec compresseur entraîné par moteur électrique – Essais et détermination des

caractéristiques à charge partielle et calcul de performance saisonnière, 2013

[5] An : Communication de la Commission dans le cadre du règlement (UE) n° 813/2013 de

la Commission portant application de la directive 2009/125/CE du Parlement européen et du

Conseil en ce qui concerne les exigences d’écoconce tion a lica les aux dispositifs de

chauffage des locaux et aux dispositifs de chauffage mixtes et du règlement délégué (UE)

N° 811/2013 de la Commission du 18 février 2013 complétant la directive 2010/30/UE du

Parlement européen et du onseil en ce qui concerne l’étiquetage énergétique des

dispositifs de chauffage des locaux, des dispositifs de chauffage mixtes, des produits

com inés constitués d’un dis ositif de c auffage des locaux, d’un régulateur de tem érature

et d’un dis ositif solaire et des roduits com inés constitués d’un dis ositif de c auffage

mixte, d’un régulateur de tem érature et d’un dis ositif solaire

[6] An : Lot 6 : Air-conditioning and ventilation systems, Final report of Task 6, Armines,

2012

[7] An : Operational Manual for the certification of liquid chilling packages and hydronics heat

pumps, 2014

[8] An : Méthode de calcul Th-BCE 2012

[9] Elias Kinab, Optimisation des performances non nominales des pompes à chaleur

réversibles pour le secteur tertiaire, 2009

[10] Site internet d’UNI LIMA

http://www.uniclima.fr/fileadmin/BASE_DOCUMENTAIRE_UNICLIMA/Actualites/Conference

_I_E_2013/Reglementation_europeenne_performance_et_etiquetage_des_equipements_du

_genie_climatique__directive_eco_design_.pdf

http://www.uniclima.fr/fileadmin/BASE_DOCUMENTAIRE_UNICLIMA/Actualites/Conference_I_E_2013/Reglementation_europeenne_performance_et_etiquetage_des_equipements_du_genie_climatique__directive_eco_design_.pdf




Août 2014

Sommaire des annexes

Annexe A : La gamme CIAT ............................................................................................... 2

Annexe B : Comptes rendus de réunions ........................................................................ 3

Annexe C : Synthèse des exigences et échéances ........................................................ 11

Annexe D : Document explicatif de la méthode de calcul de SCOP .............................. 19

Annexe E : Fichier Excel de calcul de SCOP .................................................................. 55

Annexe F : Textes officiels : Règlement ErP 813/2013 et Méthode Transitionnelle ..... 60

Présentation de l’organisme d’accueil : CIAT

1. Le groupe CIAT

La Compagnie Industrielle d’Applications Thermiques (CIAT) constitue un groupe

industriel d’envergure, qui conçoit, fabrique et commercialise des solutions principalement

de chauffage par pompe à chaleur, de rafraîchissement et de traitement d’air, pour les

marchés du bâtiment résidentiel et tertiaire, de la santé et de l’industrie.

Le groupe CIAT comporte 6 sites industriels, situés en France (3 sites dont le plus

important se trouve au siège social de Culoz (01)), en Espagne et en Italie.

En 2013, CIAT employait 2084 salariés, dont 1140 en Rhône-Alpes, pour un chiffre

d’affaire de 256 millions d’euros. Cela en fait le plus grand groupe français dans son secteur

et l’un des leaders en Europe.

Parmi les principaux produits fabriqués par CIAT, on retrouve les échangeurs

thermiques, les unités de confort et ventilo-convecteurs, les appareils de climatisation et de

chauffage monobloc, les centrales de traitement d’air, les pompes à chaleur et les chillers

(groupes de production d’eau glacée).

2. Bureau d’études Développement ENERGY CHILLERS

Le bureau d’études développement Energy Chillers (BE Energy) se trouve sur le site

principal de Culoz. Il est en charge des études techniques et de développement des pompes

à chaleur et des groupes frigorifiques vendus dans le tertiaire et l’industrie, à savoir de

larges gammes de produits de puissance comprise entre 20 et 1400 kW. Tous les produits

traités pas le BE Energy font appel à une boucle d’eau pour le chauffage ou le

refroidissement.

Les principales gammes de machines en charge du BE Energy sont les suivantes :

- Aquaciat2 et Aquaciat Power: large gamme d’appareils air/eau froid seul ou

réversible (20 à 650 kW), compresseur(s) scroll

- Aquaciat Caleo : petite gamme d’appareils air/eau chaud seul (haute température),

25 à 48 kW, compresseur à injection de vapeur

- Aquaciat Inverter : petite gamme d’appareils air/eau réversibles (40 à 50 kW),

compresseur Inverter

- Dynaciat, Dynaciat Power et Hydrociat : larges gammes d’appareil eau/eau

réversibles, chaud seul ou froid seul (40 à 1400 kW), compresseur(s) scroll

Le BE Développement Energy, dirigé par André Barral, fait partie du département

Etudes et Développement des Produits, dirigé par Jean-Michel Navarro. Il comporte des

chargés de projets, comme mon tuteur Yohan Rousseau, et des techniciens.

Download - GENIE CLIMATIQUE ET ENERGETIQUE - …eprints2.insa-strasbourg.fr/1732/1/Synthèse.pdf · GENIE CLIMATIQUE ET ENERGETIQUE SYNTHESE PERFORMANCES SAISONNIERES DES MACHINES THERMODYNAMIQUES

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