High temperature air to water heat pump for the refurbishing of heating systems in existing buildings
Pompe à chaleur haute température pour la réhabilitation des systèmes de chauffage dans le résidentiel
Résumé
Climate change and the decrease in energy resources lead to seek for new solutions in order to improve energy efficiency and reduce emissions of greenhouse gases. In France, heating of buildings constitutes 22% of final energy consumption and 7% of CO2 emissions. The renewal of the installed base of buildings is slow (in the range of 1% per year). Thus the fast decrease (in the range of fifteen years) in CO2 emissions depends on the number of technical solutions adapted to the refurbishing market. Within this context, a high-energy efficiency heat pump has been developed. However, to take up the challenge, such a heat pump has to comply with various refurbishing constraints, especially in terms of temperature distribution. Its technical performances have to be high, for low outdoor air temperature (large temperature difference between the cold source and the hot sink) as well as moderate outdoor air temperature (lower temperature difference between the cold source and the hot sink). To comply with those technical requirements, a two-stage system allowing an easy switch to single stage configuration has been selected. Then the various components of the system have been designed with a specific attention to the sensitivity of the different design parameters on the global energy efficiency of the heat pump. The modelling of the components has allowed simulating the operation of the heat pump and to compare the results to tests results obtained on a prototype. Based on these test results, a computational tool has been developed for the simulation of single houses and their heating system, leading to the calculation of the HSPF (heating seasonal performance factor), and the study of the system behaviour. In order to improve seasonal performances, the gain of variable capacity through speed variation has been evaluated using a prototype and calculations of HSPF, showing its interest.
Le changement climatique et la diminution des ressources énergiques amènent à chercher des solutions nouvelles afin d’améliorer l’efficacité énergétique et réduire les émissions des gaz à effet de serre. En France, le chauffage du bâtiment constitue 22% de la consommation d’énergie finale et 7% des émissions de CO2. Le parc de bâtiments se renouvelle très lentement (de l’ordre de 1% par an). Ainsi la diminution rapide (de l’ordre de quinze ans) du niveau d’émissions de CO2 repose sur un ensemble de solutions techniques adaptées au marché de la réhabilitation. C’est dans ce cadre que s’inscrit le développement d’une pompe à chaleur (PAC) à haute efficacité énergétique. Toutefois, afin de relever ce défi, elle doit répondre aux différentes contraintes de la réhabilitation, notamment en termes de température de distribution. Techniquement, elle doit pouvoir présenter des performances élevées, aussi bien à basse température d’air extérieur (quand l’écart entre la source froide et le puits chaud est grand) qu’à des températures d’air extérieur modérées (quand l’écart entre la source froide et le puits chaud devient plus faible). Pour répondre à ces exigences techniques, une solution bi-étagée permettant un passage simple en configuration mono-étagée a été retenue. Ayant choisi cette solution, un travail de dimensionnement sur les différents composants de la machine a été réalisé avec une attention particulière portée à la sensibilité des différents paramètres de dimensionnement sur la performance énergétique globale de la pompe à chaleur. Il a été également possible en modélisant les différents composants de simuler le fonctionnement de la pompe à chaleur et de comparer les résultats de cette simulation à des résultats d’essais obtenus sur un prototype. A partir de ces résultats d’essais, un outil permettant de modéliser des maisons individuelles et leur système de chauffage a été adapté, afin d’aboutir à un calcul de COP saisonnier et d’étudier le comportement du système. Enfin, afin d’améliorer les performances saisonnières, le gain de la puissance variable à travers la variation de vitesse a été évalué grâce à un prototype et des calculs de COP saisonniers, démontrant ainsi son intérêt.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)