PACAirPV : système de pompes à chaleur à air couplé avec un capteur photovoltaïque intégré au bâtiment

Les pompes à chaleur (PAC) à air, ainsi que les capteurs photovoltaïques (PV) font partie des solutions permettant de concevoir des bâtiments basse consommation ou à énergie positive. Alors que ces deux systèmes sont en général installés de manière indépendante, il est possible de profiter de la chaleur produite par le capteur PV pour améliorer le coefficient de performance (COP) de la PAC. Par ailleurs le fait de rafraîchir le capteur PV permet d’améliorer le rendement de celui-ci ainsi que sa durabilité. Avec le démonstrateur « Petite Maison ZEN », des réductions de consommation énergétique allant jusque 230% sont obtenues.

PACAirPV s’inscrit dans la programmation 2008 du programme Habisol de l'ANR, regroupant des thèmes de recherche sur le bâtiment et sur le solaire (anciennement Solaire photovolta,que). Quatre partenaires se sont regroupés : CIAT, Cythelia, INES et Armines (ici, description des rôles de chacun ?). L’objectif de ce projet est d’étudier le couplage entre un capteur photovolta,que hybride et une pompe à chaleur, le tout en interaction avec le bâtiment, et ceci du point de vue expérimental et de la modélisation.

Conception du système
Une étude préliminaire par simulation a permis d’établir la nécessité de disposer d’un stockage car la corrélation entre les besoins de chauffage et la production de chaleur par le capteur PV n’est pas assez bonne. Le cahier des charges de la conception du système a été établi de sorte que le prototype puisse être monté à partir de composants industriels déjà disponibles, afin de faciliter la valorisation industrielle du système. Certains composants ont été adaptés par CIAT pour une meilleure intégration du système au bâtiment (récupération de l’air chaud, réduction des dimensions de l’échangeur de chaleur), ou pour améliorer la performance du système (ventilateur de l’échangeur et pompes de circulation à vitesse variable).

Etude expérimentale
La PAC a été testée sur un banc de mesure à l’INES selon plusieurs niveaux de température. Le système a ensuite été installé dans un bâtiment de type tertiaire de surface 116 m². La phase de monitoring, qui porte sur les mesures d’irradiation solaire, production et consommation d’électricité, températures et débits, a débuté en octobre 2011.

Etude théorique
L’ensemble du système a été modélisé et couplé à un logiciel de simulation thermique dynamique de bâtiment (Pléiades -Comfie, dont le moteur a été développé par Armines). ). Le modèle une fois validé permettra de comparer le système par rapport à un cas de référence pour connaître le gain réalisé. Les premiers résultats donnent un gain de 20 % par rapport à un système de référence, sans couplage entre le capteur PV et la PAC. Le modèle permettra également d’optimiser la régulation, ou encore de tester le système sur d’autres cas d’étude, avec d’autres typologies de bâtiment. Ces travaux font l’objet d’une thèse de doctorat.

Conclusions et perspectives
Le système concept PACAirPV a été breveté. Le prototype a été installé dans un bâtiment démonstrateur à énergie positive ‘La petite maison Z.E.N (Zzéro Eénergie Nnette’), qui abrite les locaux de Cythelia., Let la phase de monitoring permettra d’optimiser la régulation et d’étudier la performance réelle du système. Elle va valider Une l’étude technico-économique basée sur les résultats de simulation permettra depour connaître la rentabilité économique réelle de ce concept. Ce type de système permettra d’améliorer encore la performance des bâtiments à énergie positive.

La fin du projet et les résultats finaux sont prévus pour décembre 2012.

Rôle des partenaires :
ARMINES-CEP : rôle de coordination du projet PACAirPV, modélisation, simulation, aide à la conception et étude de cas.
CIAT : fourniture des composants optimisés, définition de l’architecture hydraulique, régulation du système complet.
Cythelia: Etude des systèmes BIPV, choix de ceux favorisant le PV/T, maîtrise d'œuvre du bâtiment démonstrateur, installation et suivi du prototype.
CEA INES: Test de la pompe à chaleur sur banc d'essais, Elaboration et mise en place du monitoring du démonstrateur, Participation au suivi et à l'optimisation du démonstrateur.

Légendes photos :
-PACAIRPV1.jpeg : bâtiment démonstrateur « Petite Maison ZEN »
-PACAIRPV2.jpeg : système PAC avec stockage
-PACAIRPV3.jpeg : exemple de résultats de simulation
-PACAIRPV4.jpeg : schéma de principe du système
-PACAIRPV5.jpeg : interface du logiciel de régulation développé par CIAT

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