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Couplage pompe à chaleur et photovoltaïque hybride

L'apport de COMFIE, le logiciel de simulation thermique des bâtiments

Le CEP MINES ParisTech participe au projet PACAirPV* dont l'objectif est d'étudier le couplage entre un capteur photovoltaïque hybride et une pompe à chaleur (PAC). Le système a été intégré à un bâtiment démonstrateur à énergie positive, près de Chambéry (73), la « Petite Maison ZEN » (PMZ) abritant les locaux de l'entreprise CYTHELIA. L'idée originelle du projet est de coupler des technologies existantes pour optimiser la performance énergétique et obtenir un bâtiment basse consommation, voire un bâtiment à énergie positive

Maison Zéro Energie à Chambéry (Photo Cythelia) Maison Zéro Energie à Chambéry (Photo Cythelia)

Situé près de Chambéry, le bâtiment expérimental est construit en ossature bois, avec une isolation performante, une ventilation double flux et des éclairages LED. Tous les équipements sont de classe A+ minimum. Les besoins de chauffage, simulés à partir de Pleiades-COMFIE, logiciel développé par le CEP MINES ParisTech (Centre Energétique et Procédés), ont été estimés à 27 kWh/m²/an et ceux de rafraîchissement à 4 kWh/m²/an.

La production d’électricité est assurée par une installation photovoltaïque d’une puissance de 8,2 kWc. Le système couplant la pompe à chaleur (PAC) et les panneaux photovoltaïques est également composé d’un caisson situé le long de l’armature du toit et relié à un échangeur de chaleur, ainsi qu’un ballon d’eau chaude. Le caisson récupère la chaleur résiduelle des panneaux PV, la chaleur est récupérée par la PAC et l’énergie stockée dans le ballon d’eau chaude. Couplée à l’énergie solaire, la PAC devient héliothermique.

Fort de son savoir-faire en matière de modélisation thermique des bâtiments (toujours grâce au logiciel Pleiades-COMFIE), le CEP MINES ParisTech est intervenu afin de réaliser une simulation du dispositif « PACAirPV », d’évaluer sa faisabilité et d’aider à sa conception.

Les simulations ont par exemple permis d’identifier la nécessité d’un stockage d’énergie car il n’y a en général pas de corrélation entre les besoins de chauffage d’un bâtiment et la production de chaleur par la toiture.

Plusieurs hypothèses ont été émises pour simplifier le modèle tout en gardant une précision satisfaisante. Le modèle prend en compte les aspects dynamiques liés notamment aux cycles de marche/arrêt de la PAC et simule aussi bien un ballon de stockage de chaleur qu’un ballon d’eau chaude sanitaire. Cet outil de calcul, intégré à la plateforme de simulation COMFIE, est conçu pour chercher le meilleur compromis entre fiabilité des résultats de calcul et rapidité, soit pour contribuer à l’aide à la conception, soit pour aller encore plus loin en effectuant des études de sensibilité ou d’optimisation.

L’installation est complètement opérationnelle depuis le début de l’année 2012. Les premiers résultats en cours de validation laissent apparaître des gains significatifs. Le comparatif entre modélisation et résultats expérimentaux obtenus jusqu'à présent est très satisfaisant. On n’observe que peu de variation entre la simulation de COMFIE et les mesures obtenues, ce qui contribue à valider par une expérimentation concrète la grande fiabilité des logiciels de simulation du Centre et contribue à l’amélioration constante de son système de modélisation. Fort de ce succès, le CEP va pouvoir ajouter ce type de couplage à sa plateforme de simulation prototype pour pouvoir proposer encore plus de possibilités aux industriels désireux d’innover dans ce domaine. Les composants de ce type de système (capteur photovoltaïque et pompe à chaleur) sont quant à eux en cours d’intégration dans la version commerciale du logiciel Pleaides-COMFIE.

 

Le concept issu du programme PACAirPV a été breveté. La phase de monitoring qui se poursuivra en 2012 permettra d’optimiser la régulation et de confirmer la performance du système sur une année. L’étude technico-économique basée sur les résultats de simulation pour connaître la rentabilité économique réelle de ce concept sera validée parallèlement.

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*Ce projet s’inscrit dans l’édition 2008 du programme Habisol de l'ANR. Il regroupe 4 partenaires (Armines, CIAT, Cythelia et CEA-INES).

 

Textes : H&B Communication - Nadège Chapelin

 

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