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Bâtimétiers N° 5 - 2006 | Innovation

Pompes à chaleur et capteurs solaires

Un couple dans l'air du temps

Difficilement viables dans le contexte économique et énergétique des années 80, les systèmes utilisant des énergies renouvelables ont aujourd'hui le vent en poupe. A la demande de l'Union climatique de France (UCF-FFB) et de l'Union des Constructeurs Immobiliers (UCI-FFB), la FFB a confié une étude au Costic, dans le cadre du Programme recherche développement métier (PRDM), consistant à faire l'état des lieux des technologies existantes associant pompes à chaleur et capteurs solaires.

Diminution des besoins des bâtiments, volonté de réduire les gaz à effet de serre, maturité des techniques : le contexte énergétique et environnemental actuel semble à nouveau favorable à une utilisation massive des énergies renouvelables, après la période d'engouement puis de déception des années 80. D'où l'intérêt de mesurer l'opportunité de développer des systèmes de production de chaleur utilisant ces énergies. Parmi eux, l'association d'une pompe à chaleur (PAC) à des capteurs solaires pour la production de chauffage et/ou d'eau chaude sanitaire (ECS) peut se révéler particulièrement intéressante.

LE PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

Les PAC présentes actuellement dans l'habitat individuel utilisent majoritairement l'énergie contenue dans l'air extérieur par le biais d'une batterie ventilée, ou celle contenue dans le sol par le biais de capteurs enterrés horizontaux ou verticaux. Si la première solution permet une exploitation facile à faible coût, la seconde permet une meilleure efficacité énergétique. La pompe à chaleur couplée à des capteurs solaires extrait quant à elle l'énergie contenue dans le flux solaire et dans l'air extérieur. Le capteur solaire permet la récupération de cette énergie et la pompe à chaleur l'élévation du niveau de température afin de rendre possible une utilisation pour le chauffage d'un bâtiment et/ou pour la production d'ECS. Solution peu performante la nuit et pour des basses températures, elle trouve néanmoins rapidement son intérêt économique et environnemental à de faibles intensités de rayonnement solaire.

DES TECHNOLOGIES DE COUPLAGE DIFFÉRENTES

Le couplage entre les capteurs solaires et la pompe à chaleur peut s'effectuer de différentes manières. Dans la technique de couplage direct, il n'existe qu'un seul échangeur entre le fluide frigorigène et la source de chaleur. C'est en théorie le procédé le plus performant, mais sa diffusion n'est pas la plus courante. L'importante quantité de fluide frigorigène utilisée ainsi que les prédispositions à fuir du circuit de chauffage obligent à faire appel à une main-d'oeuvre qualifiée. Le développement des fluides frigorigènes tend également à favoriser des systèmes plus confinés. De plus, un transfert d'énergie différé dans le temps est difficile car cette technique ne permet pas de stocker aisément la chaleur.

La technique de couplage indirect fait intervenir une PAC dont l'évaporateur est relié aux capteurs solaires par un circuit d'eau glycolée, incluant un échangeur et un circulateur primaire. Un stockage d'énergie permet essentiellement la mise en phase des circuits de production et de distribution. Moins performante que la précédente, cette technique peut en revanche être utilisée plus largement. Elle est en effet plus aisée à mettre en œuvre car le fluide frigorigène est contenu directement dans la PAC.

DES CAPTEURS SOLAIRES PERFORMANTS

Les contre-performances des installations associant des capteurs vitrés ont montré tout l'intérêt de récupérer l'énergie convective prélevée sur l'air extérieur. Cette récupération est possible via des capteurs dits « hélio-atmosphériques », c'est-à-dire nus (sans vitrage) et sans isolation arrière. Les fortes déperditions permettent, en plus d'une absorption du rayonnement solaire, des échanges de chaleur sensible et de masse (vent, humidité...). Les coefficients d'échange élevés des capteurs favorisent l'apport d'énergie lorsque la température d'entrée du fluide caloporteur est inférieure à la température ambiante. Ces capteurs atmosphériques permettent également d'évacuer la chaleur en cas de surchauffe dans les capteurs pendant les périodes de fort ensoleillement. Par ailleurs, ils ne produisent aucune gène acoustique et leur prix est abordable, mais la surface à mettre en œuvre est plus importante.

PEU DE SYSTÈMES COMMERCIALISÉS

Parmi les rares systèmes commercialisés, un système de production d'eau chaude solaire (ECS) propose le couplage indirect de capteurs hélio-atmosphériques et d'une PAC modulaire adaptée aux besoins du tertiaire et de l'hôtellerie. On relève des coefficients de performance (COP) globaux pouvant atteindre 3,3 et un taux de couverture par le solaire pouvant atteindre 60 à 70 % des besoins énergétiques.

Un autre produit destiné à la production d'ECS dans l'habitat individuel s'appuie sur un couplage direct entre une PAC et des capteurs plans en aluminium. Un tel système peut atteindre des COP de 2,5 à 3,5 et permettre une nette économie en électricité tout en réduisant l'encombrement dû au stockage de l'ECS.

Concernant la production de chauffage, il est intéressant de souligner l'initiative d'un industriel dans la réalisation d'un système de PAC couplée à des capteurs solaires à stockage d'énergie qui permet, par le biais d'un réservoir tampon, une décharge d'énergie en cas de demande et de non disponibilité d'énergie solaire. Il s'agit dans ce cas d'un stockage de chaleur latente, qui peut tout aussi bien être souterrain, par chaleur sensible, par hydro-accumulation ou bien directement dans la terre.

LA RECHERCHE SE POURSUIT

L'engouement des entreprises pour le solaire dans les années 80 avait donné lieu à des installations souvent très complexes et difficilement exploitables. Les rares systèmes commercialisés aujourd'hui pour la production unique d'ECS peinent à s'imposer face aux solutions classiques, bien que leurs performances économiques et environnementales apparaissent concurrentielles. Le nouveau contexte énergétique et environnemental incite pourtant à penser que le développement des techniques telles que les PAC couplées à des capteurs atmosphériques est possible non seulement dans le cadre d'une production d'ECS mais aussi de chauffage.

C'est pourquoi un second volet de la recherche engagée par la FFB est en cours. A la demande des professionnels de l'UCF et de l'UCI, la FFB a confié au Costic une étude portant sur des simulations dynamiques qui permettront d'évaluer le potentiel économique et environnemental d'une production de chauffage par PAC couplée à des capteurs solaires dans une habitation conforme à la réglementation actuelle.



POUR EN SAVOIR PLUS

- UCF-FFB, tél. : 01 40 69 52 94

- UCI-FFB, tél. : 01 40 69 51 86