Soutenance mémoire
L’amélioration de la performance énergétique des bâtiments anciens constitue un levier d’action essentiel dans l’atteinte des objectifs nationaux de réduction des émissions de gaz à effet de serre. Les maisons individuelles représentent plus de la moitié du parc de logements français. Du fait de leur faible compacité ainsi que de leurs caractéristiques constructives, ces constructions ont des besoins de chauffage élevés, surtout si elles sont antérieures à la réglementation thermique. Diviser par 4 les émissions de gaz à effet de serre dans le secteur du bâtiment impose donc de trouver des solutions adaptées à cette typologie. L’expérience des professionnels dans le domaine de l’énergétique des bâtiments neufs comme des bâtiments existants montre clairement que pour optimiser le niveau de confort et de performance énergétique, il est nécessaire de combiner un bon niveau d’isolation thermique à la maîtrise des pertes par renouvellement d’air et par infiltrations, à l’optimisation et au stockage des apports solaires, à l’efficacité du système de chauffage et de production de l’eau chaude sanitaire et à la production décentralisée d’électricité. Le bâtiment ne doit en aucun cas être considéré comme une simple addition de technologies, mais bien comme un système global dont le comportement résulte des interactions entre ses composants. Les pompes à chaleur (PAC) constituent une alternative aux systèmes de production de chaleur traditionnels, et notamment aux convecteurs électriques. Cependant les pompes à chaleur disposant d’une source froide sur l’air sont moins performantes les jours de grand froid, là où les besoins de chauffage sont les plus importants. Le déclenchement d’une énergie d’appoint d’origine électrique est souvent nécessaire pour couvrir l’ensemble des besoins de chauffage, ce qui réduit les performances globales de l’installation. De plus, des cycles de dégivrage sont nécessaires sur certaines plages de températures afin d’éliminer la formation de givre sur l’échangeur extérieur, contribuant à réduire les performances du système. Ces comportements ont des conséquences sur la gestion de l’électricité, où les pics de demande coïncident généralement avec les températures extérieures les plus froides. Ces constats sont le point de départ d’une réflexion visant à améliorer les performances des pompes à chaleur et à contribuer à la limitation des pointes de demande en électricité, en couplant la source froide de la pompe à chaleur avec des sources d’air tempérées intégrées au bâtiment.
Contexte et enjeux
La fin du XXe siècle et le début de XXIe sont marqués par des problématiques énergétiques et environnementales sans précédent. « Le réchauffement du système climatique est sans équivoque. On note déjà, à l’échelle du globe, une hausse des températures moyennes de l’atmosphère et de l’océan, une fonte massive de la neige et de la glace et une élévation du niveau moyen de la mer » [GIEC2007]. Le Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Évolution du Climat (GIEC) estime que la probabilité que les changements climatiques observés à l’heure actuelle soient dus aux activités humaines est supérieure à 90% . « Les émissions mondiales de [gaz à effet de serre]GES imputables aux activités humaines ont augmenté depuis l’époque préindustrielle ; la hausse a été de 70% entre 1970 et 2004 » [GIEC2007]. La concentration de CO2 (principal GES) dans l’atmosphère en 2005 atteignait 382 ppm contre 280 ppm avant l’ère industrielle . Cette concentration a cru au cours de ces dix dernières années de 1,9 ppm par an en moyenne , contre 1,4 ppm par an entre 1960 et 1990. Les scénarios de stabilisation de la concentration de GES dans l’atmosphère, nécessaire pour limiter une hausse de la température moyenne du globe autour d’une limite acceptable de 2°C à 2,4°C par rapport à l’ère préindustrielle (limite au delà de la laquelle la probabilité de voir apparaître des effets irréversibles sur l’environnement croît rapidement), indiquent qu’une diminution de 50% à 85% des émissions mondiales annuelles de GES est nécessaire pour limiter leur concentration atmosphérique entre 445 et 490 ppm en 2050 .
Les pays industrialisés, avec 20% seulement de la population mondiale, sont responsables de 46% des émissions de gaz à effet de serre (GES) . Dans le but de stabiliser la concentration de GES dans l’atmosphère afin de limiter les effets irréversibles sur l’environnement d’une augmentation de la température moyenne à la surface du globe, une collaboration internationale, à travers le processus du Protocole de Kyoto, s’est mise en place avec l’adoption d’une multitude de politiques nationales ayant pour objectif une division par deux des émissions globales de GES d’ici à 2050. Cet objectif se traduit pour les pays industrialisés par une réduction par quatre de leurs émissions de GES [CCE2005] [BOIS2006] [TUDD2006]. Les premiers engagements à moyen terme pour atteindre cette cible ont concerné la réduction des émissions de GES à l’horizon 2010-2012 par rapport au niveau de 1990. Pour l’Europe des 15, cela se traduit par une réduction des émissions de 8%, répartie de façon différenciée entre les différents pays, « allant d’une réduction de 28% pour le Luxembourg, à une augmentation de 27% pour le Portugal, les émissions de la France devant rester stables » [PEUP2008].
Du coté français, un plan d’action, proposé dans la loi programme du 13 juillet 2005, fixe les orientations de la politique énergétique nationale pour atteindre ces objectifs internationaux à moyen et long terme. L’ensemble des secteurs de l’économie sont contraints de diminuer leurs émissions de GES. Parmi eux, le secteur du bâtiment (résidentiel- tertiaire) en France est le premier consommateur d’énergie primaire avec 117,9 Mtep par an, représentant 43% de la consommation d’énergie primaire nationale . Ces consommations induisent 20% des émissions nationales de GES avec le rejet de 133,2 MteqCO2 [ADEM2007], soient un peu plus de 2 tonnes équivalent CO2 par habitant et par an .
Objectifs de la thèse
Sur les 17,5 millions de maisons individuelles du parc existant français, 10,6 millions ont été construites avant la première réglementation thermique de 1974 . Les constructions neuves représentent environ 1% du parc immobilier chaque année. Le taux de renouvellement du parc est très faible (inférieur à 1%) et la construction de logements neufs très performants sera loin d’être suffisant pour atteindre les objectifs de réduction des émissions de GES. L’amélioration du parc existant, véritable gisement d’économie d’énergie, est indispensable pour atteindre les objectifs nationaux. La réduction des besoins de chauffage est la priorité. Les solutions d’amélioration de l’enveloppe sont connues, mais difficiles à mettre en œuvre correctement sur des bâtis anciens dont on ne contrôle pas tout. Des imperfections de l’enveloppe subsistent toujours même après une mise en œuvre soignée, et imposent la mise en place de systèmes de production de chaleur adaptés. Dans le cas de bâtis anciens réhabilités, la température de source du vecteur d’énergie doit alors être supérieure à celle d’un bâti neuf performant pour atteindre une même température de consigne de chauffage.
Ces dernières années, une technologie marque l’attention par son essor: la pompe à chaleur (PAC). Le marché des PAC avec comme source froide l’air extérieur est en pleine expansion. De nouvelles technologies étrangères arrivent sur le marché français avec des performances intéressantes, notamment grâce à la technologie inverter qui permet une meilleure adaptation de la production de chaleur en fonction des besoins de chauffage. Les ventes sont en constante augmentation depuis plusieurs années, et la PAC semble être une alternative pertinente au chauffage par convecteurs électriques et au remplacement de chaudière. La majorité des systèmes de PAC en place sur le parc immobilier français disposent d’une source froide sur l’air extérieur. Ces systèmes aux technologies de plus en plus performantes, restent extrêmement sujets aux conditions de température extérieure. Leur performance décroit rapidement lorsque la température extérieure diminue, d’une part à cause de la formation de givre sur l’échangeur extérieur qui nécessite le recours à des procédés de dégivrage, consommateurs d’énergie, et d’autre part par l’utilisation d’énergie d’appoint, souvent électrique pour assurer la totalité des besoins de chauffage lors des périodes les plus froides.
Une solution pour limiter ce type de fonctionnement pourrait consister à profiter de sources d’air tempérées intégrées au bâtiment pour alimenter la source froide de la PAC. Dans les logements anciens réhabilités, l’enjeu est alors triple : (a) Limiter le fonctionnement de ces systèmes sur les plages de températures les plus défavorables, en vue de réduire les cycles de dégivrage, et le recours à une énergie d’appoint ; (b) Améliorer les performances instantanées et aboutir à des températures de sources chaudes plus élevées, mieux adaptées aux bâtis anciens mêmes réhabilités ; (c) Atteindre des performances saisonnières raisonnables, en vue d’améliorer le bilan en énergie primaire de ces systèmes par rapport à d’autres systèmes plus conventionnels, comme par exemple des chaudières gaz à condensation.
L’idée de récupérer la chaleur de zones thermiques qui disposent d’une température plus clémente que la température extérieure fait l’objet de cette thèse. Certaines zones agissent comme des zones tampons captant l’énergie solaire de façon passive : véranda, combles perdus, vide sanitaire. La récupération de chaleur peut également s’effectuer sur la chaleur contenue dans l’air vicié du système de ventilation. D’autres technologies peuvent venir compléter les précédentes : puits canadiens, capteurs solaires, façade double peaux et murs Trombe.
La récupération de la chaleur de zones attenantes aux locaux chauffées au profit d’un meilleur fonctionnement de la pompe à chaleur, pose la question de l’augmentation des déperditions. L’utilisation de la chaleur disponible dans certaines zones influence le débit de renouvellement d’air de celles-ci qui implique une diminution de sa température, et par conséquent une augmentation des déperditions des locaux à chauffer.
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Table des matières
Introduction
CHAPITRE 1 – Cadre de la thèse
1.Contexte et enjeux
2.Objectifs de la thèse
3.Délimitation
4.Les pompes à chaleur
4.1.Marché des PAC
4.2.Principes de base des systèmes thermodynamiques
4.3.Principe de fonctionnement théorique d’une PAC
4.4.Performances des pompes à chaleur
4.4.1.Indice de performance
4.4.2.Coefficient de performance
4.4.3.Facteur de performance saisonnier
4.5.Intérêt énergétique et environnemental
4.5.1.Comparaison avec d’autres systèmes de chauffage conventionnels
4.5.2.TEWI (Total Equivalent Warming Impact)
4.5.3.Part d’énergie renouvelable contenue dans la production de chaleur des PAC
5.État de l’art sur la récupération de chaleur
5.1.Couplage avec un vide sanitaire
5.1.1.[TERN1980], [TERN1982a], [TERN1982b]
5.1.2.[SMIT1981]
5.1.3.[WASS1983], [WASS1984]
5.1.4.[NICO1986]
5.1.5.[LUBL2007]
5.2.Couplage avec des capteurs à air
5.2.1.[ANDR2002]
5.2.2.[ZOND2002] [ZOND2008]
5.2.3.Programmes de l’AIE : Task 7, Task 19, Task 35.
6.Problématique du couplage PAC + sources d’air tempérées
6.1.Couplage indirect
6.2.Couplage direct
7.Approche de modélisation
8.Conclusions
Chapitre 2 – Modélisation des pompes à chaleur air-air
1.Introduction
2.Cadre et restrictions
3.Analyse des données constructeurs
3.1.Définitions préalables
3.1.1.Conditions de fonctionnement
3.1.2.Régime de fonctionnement
3.1.3.Communication des données constructeurs
3.1.4.Exemple de données constructeurs
4.État de l’art des modèles de pompe à chaleur
4.1.Modèle en régime permanent
4.1.1.Théorie de modélisation
4.1.2.Les modèles empiriques ou « boîtes noires »
4.1.3.Les modèles semi-empirique ou « boîtes grises »
4.2.Modélisation des effets dynamiques
4.2.1.Phénomènes de givrage et cycle de dégivrage
4.2.2.Fonctionnement à charge partielle
5.Description du modèle sélectionné
5.1.Modèle de fonctionnement à pleine charge
5.1.1.Description du modèle
5.1.2.Modélisation des échangeurs
5.1.3.Algorithme et implémentation
5.1.4.Méthode d’optimisation des paramètres (Nelder-Mead)
5.1.5.Implémentation et utilisation du modèle
5.1.6.Comparaison des résultats avec les données constructeurs
5.1.7.Comparaison avec le DOE/ORNL « Heat pump design model »
5.2.Modèle de fonctionnement à charge partielle
5.3.Modèle de givrage/dégivrage
5.4.Modèle de ventilateur de l’unité extérieure
5.4.1.Modèle simplifié constructeur
5.4.2.Modèle physique simplifié
5.5.Modèle d’appoint électrique
6.Conclusions
Chapitre 3 – Modèles de sources d’air tempérées intégrées au bâtiment
1.Introduction
2.Modèle d’enveloppe du bâtiment
2.1.Principes généraux de modélisation
2.2.Vide sanitaire
2.2.1.Principe de modélisation
2.2.2.Limites et discussion
2.2.3.Exemple d’application
2.3.Comble
2.3.1.Principe de modélisation
2.3.2.Exemple d’application
2.4.Véranda
2.4.1.Principe de modélisation
2.4.2.Exemple d’application
2.5.Capteur solaire hybride à air
2.5.1.Principe de modélisation
2.6.Échangeur double flux
2.6.1.Principe de modélisation
2.6.2.Limites et discussion
2.6.3.Exemple d’application
2.7.Échangeur air-sol
2.7.1.Principe de modélisation
2.7.2.Limites et discussion
2.7.3.Exemple d’application
3.Couplage des composants PAC/bâtiments
4.Conclusions
Conclusion
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