Les avancées sur la PAC absorption gaz naturel

Colloque ATEE IDF 14 juin 2012

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Le gaz naturel vecteur d’innovation

1990 2000 2010 2020

Couplage EnR (solaire thermique, photovoltaïque…)

10%

0%

20%

30%

40%

50%

Pile à combustible

Pompe à Chaleur moteur gaz

Ecogénérateur Stirling

Pompe à Chaleur absorption

Mini Cogénération

Économies d’Énergie primaire par rapport à une chaudière Standard

Chaudière basse température

Chaudière standard

Chaudière à condensation

PAC hybride

14/06/2012

Rappel du principe de fonctionnement

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L’offre et ses atouts

• Des machines d’environ 40 kW chaud avec une variété de configuration : aérothermique, géothermique, chaud seul, réversible (17 kWf)..

• Des performances très élevées en mode chaud (jusqu’à 170% sur PCI en version géothermique et 165% en version aérothermique) avec de très bonnes performances saisonnières

• La possibilité de monter à haute température (jusqu’à 70ºC) permettant : – La production d’ECS – La proposition de cette solution en rénovation

• Un produit labellisé EnR (Directive EnR) avec une part EnR pouvant atteindre 40%

• Compétitivité pour atteindre des labels de performance énergétique • Fluide frigorigène sans impact sur l’effet de serre • Peu de pièce en mouvement (silence, faible entretien et fiabilité)

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La gamme actuelle de PAC à absorption gaz

Version aérothermique chaud seul : E3 A

Puissance : 38 kW Version HT : Haute température (65 °C) Version LT : Basse température (55°C) Delta T : 10°C

Version géothermique chaud seul (sol et nappe) : E3 GS et WS

Puissance : 42 kW Version HT : Haute température (65 °C) Version LT : Basse température (55°C) Delta T : 10°C

Version aérothermique réversible : GAHP AR

Version PRO (gamme modulaire : assemblage à la carte de PAC, refroidisseurs, chaudières …)

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Principes 1/ Au niveau du Bâtiment, une pompe à chaleur géothermique alimentée par un fluide caloporteur

2/ Un fluide caloporteur assurant l’échange de chaleur,

3/ Un échangeur de chaleur installé dans le réseau d’assainissement transférer les calories au fluide.

Une pompe à chaleur absorption gaz eau/eau - Puissance chauffage /ECS : 40 kW

- COP sur Ep : 1,7, soit 4,4 en équivalent électrique

- Haute température (65oC)

- Distribué par ROBUR, France AIR, DE DIETRICH (fin 2010)

Des couplages performants et innovants

…mais également sur air extrait de VMC, sur boucle d’eau etc;

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Attractive pour de nombreux marchés

• Une solution ultra-performante et labélisée EnR pour le chauffage et la production d’ECS

• Production de froid possible mais avec des puissances et rendements relativement faibles : plus adapté à du rafraichissement

• « La » solution gaz adaptée pour valoriser les énergies « perdues » ou réaliser des couplages innovants

Marchés cibles : • Le logement collectif neuf (ou éventuellement rénové), avec des

objectifs en terme de labels de performance ou d’EnR : logement social, promotion privée

• Le tertiaire avec peu ou pas de besoin de rafraîchissement : enseignement, Maisons de retraite, crèches…

• … et la possibilité de valoriser la solutions dans des projets d’écoquartiers ou d’aménagement innovant (degré bleu, boucle d’eau..)

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Etat du marché

• Le produit est distribué en France depuis 2008: – Initialement par ID Therm sous la marque Robur – Depuis 2009 par France Air – Depuis début 2011 par De Dietrich puis Buderus

• Un marché en forte progression – Environ 130 machines installées à fin 2011, avec une forte progression

sur 2012 (plus du doublement du nombre de machines) – Une répartition aujourd’hui égale entre le résidentiel et le tertiaire – Un effet de levier attendu avec l’arrivée sur le marché des fabricants de

chaudières

9 Et demain…. la PAC absorption gaz de petite puissance pour la maison individuelle

L’absorption est une technologie déclinable pour les petites puissances 5 kW < P < 18 kW

– PAC à adsorption eau – zéolithe • Source froide géothermique ou solaire • Produits pour le neuf ou la rénovation « haut de gamme » • Fabricants : Vaillant et Viessmann • Disponibilité commerciale : 2013

– PAC à absorption : • ROBUR / Bosch : PAC NH3/ Eau de 18 kW – marché de la rénovation (Projet

européen Heat4U) -> premier prototype testé en laboratoire avec des performances très prometteuses

• Viessmann : PAC abso murale avec couple absorbant/frigo innovant en version géothermique, marché neuf ou réno -> stade 1er field tests en Allemagne

• Disponibilité commerciale attendue : 2014/2015

COP saisonnier visé > 1,3 en chauffage + ESC

PAC adsorption

zéolithe Vaillant

PAC absorption gaz

Rex sur la résidence Dinetard à Toulouse

(Instrumentation ADEME- GrDF)

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Le site instrumenté

Le site instrumenté est une résidence pour étudiants d’une superficie de 2200 m² située rue Dinetard à Toulouse (31).

Elle comporte 4 étages (R+3) et est composée de 119 logements de type T1, un logement pour le gardien de type T4 et plusieurs locaux communs (salles de travail, laverie…).

Le bâtiment est chauffé mais non climatisé.

BET Fluides ATMOSPHERES

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Solution de référence : 2 chaudière à condensation de 110 kW ; ECS solaire.

1 PAC : ɳ de production moyen sur PCI de 122 % (+28%) Plus value de 21100 € TTC

BET Fluides ATMOSPHERES

Choix final du maître d’ouvrage

Études de dimensionnement : 1, 2 ou 3 PAC ??

2 PAC : ɳ de production moyen sur PCI de 134 % (+40%) Plus value de 31900 € TTC TRB = identique à la solution 1

3 PAC ɳ de production moyen sur PCI de 135 % (+41%) Plus value de 49000 € TTC TRB = solution 2 + 6 ans

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La solution choisie

Le bâtiment est chauffé par une installation composée de deux pompes à chaleur (PAC) à absorption gaz naturel en base et d'une chaudière à condensation en appoint.

La PAC aérothermique a une puissance nominale de 35kW (chauffage seul)

L’eau chaude sanitaire est préchauffée grâce à un ensemble de panneaux solaires thermiques et le chauffage de l’ECS est complété par la chaudière gaz à condensation.

L'installation a été instrumentée et suivie sur une saison de chauffe, d’octobre 2011 à avril 2012.

La régulation de l’installation

Fonctionnement alternatif des deux PAC

La température d’émission des PAC est en moyenne de 42°C sans loi d’eau apparente, et elle oscille généralement entre 40 et 45°C. Quant à la température d’émission de la chaudière, elle varie très fortement puisqu’elle va de 40 à 80°C toutes les 90 minutes environ. Les deux PAC fonctionnent alternativement et l’appoint par la chaudière se met en marche dès qu’une PAC ne suffit pas à fournir l’énergie nécessaire au chauffage du bâtiment. L’appoint par la chaudière fonctionne tous les jours à partir de 6h du matin. Il produit environ 60 kW pendant 4h puis 10 kW à 30 kW en continu jusqu’à minuit (sans compter la production d’ECS). Ce fonctionnement diffère de ce qui avait été préconisé.

Température d’émission de l’ensemble des deux PAC

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Le confort

Températures intérieures dans les 2 chambres instrumentées (°C)

Le suivi de site a permis de quantifier les performances de l'installation en terme de confort des occupants par la mesure en hiver des températures et hygrométries des locaux.

Température intérieure moyenne en janvier et février (les deux mois les plus froids) : 22,3°C avec une hygrométrie de l'ordre de 40%, donc ambiance très confortable. Taux de disponibilité de l’installation : 100%.

Hygrométries intérieures dans les 2 chambres instrumentées (%)

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La performance énergétique

GUE (Gas Utilization Efficiency) du système de deux PAC à absorption sur l’ensemble de la saison de chauffe (sans prendre en compte l’appoint par chaudière)

Un GUE* (ou COP gaz*) de 1.42 en moyenne sur la saison de chauffe, équivalent à une efficacité de production de 142% sur PCI (Pouvoir Calorifique Inférieur), pour une température d’émission variant entre 40 et 45°C sans loi d’eau. Une performance proche à 11% des valeurs annoncées par le constructeur, qui présente une efficacité de 160% (pour une température d’émission de 40°C).

Moyenne 142%

* : GUE = COPgaz = rapport entre la production thermique et la consommation de GN de la machine

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L’impact des auxiliaires électriques

COP sur énergie primaire du système de deux PAC à absorption sur l’ensemble de la saison de chauffe (sans prendre en compte l’appoint par chaudière)

Un COP sur énergie primaire* de 1.25 en moyenne sur la saison de chauffe, soit une consommation des auxiliaires électriques représentant 13% de la consommation totale d’énergie des PAC. Même en prenant en compte les consommations des auxiliaires, les PAC à absorption gaz restent donc très performantes.

Moyenne 125 %

* : COPep = rapport entre la production thermique et les consommations de GN et d’électricité auxiliaire de la machine

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La proportion d’EnR

Proportion d’EnR sur la consommation des deux PAC :

Production d’EnR des 2 PAC : 19300 kWh ; Consommation de gaz des 2 PAC : 48900 kWh ;

Taux d’EnR sur la consommation : 39%.

Proportion d’EnR sur la consommation du système de chauffage (PAC + appoint chauffage par chaudière, production d’ECS exclue):

Production d’EnR système de chauffage : 19300 kWh ; Consommation de gaz système de chauffage : 96900 kWh ;

Taux d’EnR sur la consommation : 20%.

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Les axes d’amélioration

Sur cette installation, il avait été préconisé d’utiliser une loi d’eau pour optimiser la performance énergétique. En programmant une loi d’eau adaptée sur les pompes à chaleur et la chaudière, on améliorerait encore les COP et GUE du système sans nuire au confort des occupants.

Les deux pompes à chaleur à absorption gaz fonctionnent alternativement mais jamais simultanément. Comme la puissance nécessaire est souvent supérieure à la puissance maximum que peut fournir une seule pompe à chaleur, l’appoint chaudière gaz est très souvent sollicité. Or la chaudière à condensation est moins performante énergétiquement qu’une PAC absorption, donc cela détériore la performance globale de l’installation. L’appoint gaz ne devrait être sollicité que lorsque les deux PAC absorption fournissent le maximum d’énergie et que la charge du bâtiment est malgré tout supérieure à la puissance disponible sur les PAC.

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De la théorie à la pratique

2 PAC : ɳ de production moyen sur PCI de 134 % Plus value de 31900 € TTC

Moyenne 117% sur PCI

Un écart de 12% entre la théorie et la pratique…

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De la théorie à la pratique

2 PAC : ɳ de production moyen sur PCI de 134 % Plus value de 31900 € TTC

Moyenne 117% sur PCI

•Température de consigne de 22°C et non pas 19°C comme prévu à l’origine ; • Pas de fonctionnement des PAC en simultané = recours abusif de la chaudière dont le rendement est de 94% ; • Baisse de rendement de la PAC à faible charge, non prise en compte dans l’étude initiale.

Au moins trois raisons possibles :

On est finalement très proche des résultats prévus par le BET avec 1 seule PAC… ce qui est logique !

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Conclusion