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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.
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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
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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
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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.
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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
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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.
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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):
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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.
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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) :
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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.
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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.
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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.
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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).
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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).
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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
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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
consommation des auxiliaires.
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
consommation des auxiliaires.
SCOP de référence : correspond au SCOPon avec prise en compte de la
consommation des auxiliaires.
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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.
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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.
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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) :
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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.
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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
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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
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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
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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
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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).
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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.
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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).
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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
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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
-
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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.
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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) :
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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.
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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.
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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.
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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) :
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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.
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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
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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
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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.
Etudiant : Olivier Gangloff Performances saisonnières Page 39 Tuteur : Jean-Jacques Lenotte des machines thermodynamiques
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- 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).
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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.
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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.
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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).
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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.
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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) :
Etudiant : Olivier Gangloff Performances saisonnières Page 45 Tuteur : Jean-Jacques Lenotte des machines thermodynamiques
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 -
Coef. de performance
saisonnierSCOP 4.42 -
Coef. de performance
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 = + 7 °C Pdh 22.8 kW Tj = + 7 °C COPd 5.03 -
Tj = + 12 °C Pdh 10.1 kW Tj = + 12 °C COPd 5.64 -
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
Pompes à chaleur air-eau
Tj = -15 °C (si TOL < -20°C)COPd NA -
Température bivalente T biv -10 °C
Pompes à chaleur air-eau
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
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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
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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
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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.
Etudiant : Olivier Gangloff Performances saisonnières Page 49 Tuteur : Jean-Jacques Lenotte des machines thermodynamiques
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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
Etudiant : Olivier Gangloff Performances saisonnières Page 50 Tuteur : Jean-Jacques Lenotte des machines thermodynamiques
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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.