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Solutions hybrides pour chauffage de grands volumes

Par Jean TERRIER et Pierre-Maël GORRA - GRDF - Novembre 2017

LA PROBLEMATIQUE

Depuis plusieurs années, au niveau français comme européen, la lutte contre le réchauffement climatique conduit les pouvoirs publics à renforcer les contraintes réglementaires liées à l’efficacité énergétique dans tous les secteurs du bâtiment (résidentiel, tertiaire, industriel…). Ceci se traduit notamment par la Réglementation Thermique 2012 (RT 2012) applicable dans le neuf depuis début 2013, le mécanisme des Certificats d’Economies d’Energie (CEE) et des textes à venir prochainement pour la rénovation de bâtiments existants. En parallèle, les prix des différentes énergies de chauffage n’ont cessé d’augmenter. Dans ce contexte amené à perdurer, voire à se renforcer, le choix d’investir dans une solution de chauffage performante - souvent pour dix à quinze ans - devient un enjeu majeur pour les maîtres d’ouvrages.

Pour le chauffage et la climatisation des locaux de grands volumes (commerces, industrie, logistique,…), les solutions classiques de type rooftop et aérotherme existent en version bi-énergie depuis de nombreuses années. D’abord utilisées de façon exclusive (le chaud au gaz et le froid à l’électricité), les technologies bi-énergies se sont développées sur le principe de la « base + appoint » en production de chaleur. Ainsi, le gaz naturel apporte le confort de chauffage nécessaire lorsque, par basse température extérieure, la PAC électrique ne délivre plus assez de puissance.

Les solutions hybrides vont plus loin. En garantissant à tout moment l’utilisation de l’énergie de chauffage la plus performante thermiquement ou économiquement, elles permettent d’optimiser les consommations et par conséquent la facture énergétique. Explications et revue de détail.

L'ANALYSE ET LE SAVOIR FAIRE DE L'INDUSTRIEL

Les solutions pouvant assurer le chauffage des locaux de grands volumes sont de deux types : chauffage de l’ensemble du volume d’air par des produits air soufflé, ou chauffage des récepteurs (personnel, machines) par des équipements rayonnants. Parmi les solutions utilisant l’air soufflé, les aérothermes et les rooftops sont très répandus. Les premiers fonctionnent généralement au gaz naturel (brûleurs à air soufflé). Les seconds peuvent fonctionner au gaz naturel ou à l’électricité, à travers l’utilisation d’une pompe à chaleur air/air. Depuis quelques années des solutions alliant gaz naturel et électricité sont disponibles.

Des solutions bi-énergies en « base + appoint », c’est bien…
Dans le tertiaire, et notamment le secteur du commerce, les rooftops électriques sont actuellement majoritaires. L’utilisation d’une PAC réversible assurant le chauffage, mais aussi la climatisation des bâtiments, présente des performances très intéressantes… à condition d’être bien utilisée.

Utilisés à pleine charge et dans des conditions de température d’air extérieur clémentes, les rooftops électriques présentent de très bonnes performances en mode chauffage. Néanmoins, lorsque la température d’air extérieur diminue, c'est-à-dire lorsque les besoins de chauffage des bâtiments augmentent, la puissance délivrée par les PAC air/air diminue progressivement, tout comme les performances. Cette caractéristique intrinsèque des technologies à base de PAC électriques aérothermiques conduit parfois à surdimensionner ces installations, de manière à ce qu’elles puissent couvrir le besoin de chauffage du bâtiment par grand froid, ce qui n’est pas optimal. En effet, pour quelques jours très froids dans l’année, l’investissement est sensiblement augmenté.
Par ailleurs, la PAC électrique se trouve surdimensionnée la majeure partie de l’année, elle fonctionne donc à charge partielle et voit ainsi généralement ses performances diminuées :

Graphique besoin de chauffage

Ainsi, afin d’éviter ces inconvénients, la plupart des rooftops sont équipés d’une part d’une PAC air/air capable de couvrir les besoins de chauffage lorsque la température d’air extérieur est clémente, et d’autre part d’une technologie d’appoint moins coûteuse, capable de délivrer le complément de puissance nécessaire pour les jours les plus froids. Ce dimensionnement diminue le fonctionnement de la PAC à charge partielle, et donc optimise ses performances, en plus de l’investissement.

Graphique besoin de chauffage

L’utilisation de batteries électriques (effet joule) ou de brûleurs au gaz naturel en appoint est très classique. La solution au gaz naturel présente de nombreux avantages :

- Immédiatement disponible grâce à une montée en température très rapide, la puissance délivrée par les brûleurs reste constante, quelle que soit la température extérieure,

- De l’ordre de 92% sur PCI en version de base, le rendement avec le gaz naturel peut atteindre 105% sur PCI pour les versions à condensation (selon le taux de charge). Ces niveaux de rendement, qui restent constants par grands froid, rendent ces solutions tout à fait compétitives étant donnés les prix des énergies de chauffage.

- En énergie primaire, le gaz naturel apporte de bien meilleures performances que les solutions « Effet Joule » dont le rendement sur énergie primaire atteint à peine 40% (1), facilitant ainsi le respect de la RT 2012 et l’atteinte de labels (HPE, THPE).


Une variante consiste à utiliser le gaz naturel en relève : dimensionnée pour couvrir les besoins de chaud par températures clémentes comme dans le cas précédent, la PAC est cette fois arrêtée lorsqu’elle ne couvre plus l’ensemble des besoins du bâtiment. Le brûleur gaz naturel dimensionné à 100% des besoins prend alors la relève totale de la PAC. Il peut également servir de secours à tout moment.

Graphique besoin de chauffage

Ces solutions bi-énergies dimensionnées en « base+ appoint » existent également sous forme de rooftops.

(1) La réglementation française fixe le facteur de conversion de l’électricité à 2,58, soit 2,58 kWh d’énergie primaire pour produire 1 kWh d’électricité utilisé pour le chauffage (énergie finale). Ainsi, le rendement de l’effet joule qui atteint 100% en énergie finale n’a en réalité qu’un rendement global (sur énergie primaire) de 39 % (100/2,58). Le gaz naturel étant une énergie primaire utilisée sans transformation, son facteur de correction réglementaire est de 1 : pour 1 kWh d’énergie finale consommée , il faut 1 kWh d’énergie primaire.



Des solutions hybrides c’est mieux !

Comme indiqué précédemment, les solutions dimensionnées en « base + appoint » permettent notamment d’éviter le surdimensionnement de la PAC et diminuent ainsi le coût d’investissement de la solution. Les solutions hybrides, associations packagées d’une solution gaz naturel (brûleurs), et d’une PAC électrique air/air réversible comme les solutions « base + appoint », vont plus loin en optimisant les performances et les coûts d’exploitation : en effet, non seulement la puissance délivrée par la PAC électrique diminue progressivement à mesure que la température d’air extérieur baisse, mais également ses performances. Le principe des solutions hybrides consiste donc à utiliser à tout moment, en fonction de la température extérieure, la solution la plus performante.

  • Optimisation du rendement

Déjà disponible auprès de plusieurs constructeurs, un premier type de solution hybride consiste à optimiser les consommations d’énergie primaire en utilisant à tout moment la technologie présentant le meilleur rendement sur énergie primaire :

Graphique besoin de chauffage

La PAC est utilisée en base lorsqu’il fait doux. Quand elle ne peut plus assurer la totalité des besoins de chauffage, le brûleur gaz est allumé pour assurer l’appoint de puissance nécessaire (seuil T1 de température). La PAC reste en fonctionnement tant que son rendement sur énergie primaire est meilleur que celui du brûleur gaz.

Lorsque le second seuil de température T2 est atteint, le COP sur énergie primaire de la PAC devient inférieur au rendement du brûleur gaz, la PAC est alors arrêtée et le brûleur assure l’ensemble des besoins avec la meilleure performance. Dans la pratique, la température de bascule T2 est fixée par le fabricant en fonction des rendements des deux technologies utilisées (PAC et brûleurs).

  • Optimisation de la facture énergétique

Un second type de régulation hybride consiste à choisir à tout moment l’énergie de chauffage qui permet d’optimiser sa facture énergétique. La régulation intègre les prix des énergies d’une part et les rendements sur énergie finale des équipements d’autre part. Le principe consiste à choisir à tout moment la technologie qui présente le coût énergétique le plus avantageux :

Graphique besoin de chauffage

La PAC est utilisée en base lorsqu’il fait doux et tant que le rapport (coût de l’électricité / COP en énergie finale de la PAC) est supérieur au rapport (coût du gaz naturel / rendement gaz).
Autrement dit on utilise à tout moment la technologie présentant le coût du kWh de chaleur produit le plus bas. En fonction de l’évolution du prix des énergies, le seuil de bascule T2 de la PAC vers le brûleur gaz peut varier.

Les solutions hybrides intégrant une régulation en prix des énergies sont peu présentes sur le marché. Toutefois, sur les solutions hybrides de type « régulation rendement énergie primaire » la température de bascule de l’électricité vers le gaz naturel est généralement paramétrable. Ainsi, au cas par cas, on peut fixer la température de bascule de ces solutions en intégrant les prix des énergies du site considéré, et pour la période concernée.

  • Optimisation de la durée de vie de l’équipement

Outre une optimisation du rendement sur énergie primaire ou de la facture énergétique, ces solutions hybrides présentent une fiabilité et une longévité plus grande que les solutions tout électrique et les solutions bi-énergies en «base + appoint». En effet, la PAC électrique est moins soumise aux charges partielles, aux éventuels courts cycles, ainsi qu’aux cycles de dégivrages, sa durée de vie est donc sensiblement augmentée.

LES SOLUTIONS PRODUITS

Les solutions bi-énergies pouvant assurer le chauffage des locaux de grands volumes sont disponibles sous la forme de rooftops auprès de nombreux fabricants.

Les rooftops:

Le rooftop bi-énergie utilise à la fois la technologie du rooftop électrique et celle du rooftop gaz :
- La production de chaleur est assurée par une PAC électrique à détente directe et/ou une rampe gaz avec échangeur fumées / air :

Graphique rooftop bi-énergie

Fonctionnement en mode chauffage

- La production de froid est assurée par la PAC électrique (le brûleur est bien sur arrêté).

Graphique rooftop bi-énergie

Fonctionnement en mode climatisation

Qu’il soit bi-énergie ou pas, le rooftop se prête à des locaux de grands volumes, neufs ou existants, comme des hypermarchés, des magasins spécialisés (stockage, …), des salles de spectacles ou encore les locaux industriels. Plusieurs fabricants proposent un rooftop bi-énergie dans leur catalogue. On peut notamment citer :

fabricants de rooftops bi-énergie

La gamme de puissance des différents rooftop varie de 30 à 700 kW, en chaud comme en froid, avec des débits d’air de 1000 à 60000 m³/h avec modulation systématique. La puissance de chauffe et la puissance frigorifique sont généralement de même niveau.

Les brûleurs gaz sont disponibles sous de multiples variantes : simple allure, double allure, modulant, à condensation, pour des rendements annoncés de 95 % / PCI et jusqu’à 105 % / PCI pour les modèles à condensation.

En conclusion
L’avenir des solutions hybrides passera notamment par un travail approfondi de la fusion des deux technologies (PAC électrique et brûleur gaz naturel), améliorant le basculement d’une technologie vers une autre, mais surtout via un développement plus poussé de la régulation : optimisant d’une part le rendement sur énergie primaire, et d’autre part le prix des énergies. Ainsi les solutions hybrides garantissent d’avantage l’utilisation de l’énergie de chauffage la plus performante en maîtrisant les consommations et par conséquent également la facture énergétique.

CEGIBAT

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