RGF 1198
Soutenir le développement des pompes à chaleur hybrides sur le marché européen : simulation et approche expérimentale
Auteur(trice)s : Ghady Abou Rached, Elvire Katramiz, Jean Baptiste Videau, Noura El Harakat, Patrick Milin, David Dupuis, Cristian Muresan
Combinaison d’une pompe à chaleur électrique et d’une chaudière, les pompes à chaleurs hybrides (PACH) ont des performances intéressantes étudiées dans cet article.
Résumé
Avec le contexte actuel de changement climatique et la conscience globale de la consommation énergétique, les pouvoirs publics européens appellent à une électrification massive et à des rénovations globales de bâtiments. Mais, ce type d’actions demande un temps non négligeable pour mettre en oeuvre les défis de disponibilités et de renforcement du réseau électrique et répondre aux différentes contraintes techniques et budgétaires pour les rénovations. Les pompes à chaleurs hybrides (PACH) sont la combinaison d’une pompe à chaleur électrique, d’une chaudière (comme nouveau système ou rajout sur un système existant) et d’un système de régulation intelligent. Elles offrent le meilleur des deux technologies, tels qu’un impact réduit des pics électriques à basses températures une réduction des émissions de CO2 et une efficacité améliorée. Pour promouvoir cette technologie aux pouvoirs publics, Engie a développé une méthodologie pour les bâtiments dotés d’une chaufferie, basés sur la modélisation dynamique pour définir des règles de dimensionnement optimal des PACH. Un travail collaboratif avec la filiale a permis l’adoption d’une approche technique robuste. Une campagne expérimentale a permis la validation de la modélisation et a servi comme cas d’études concrets aux pouvoirs publics. En utilisant l’approche semivirtuelle, l’efficacité saisonnière d’une PAC hybride a été évaluée dans des conditions proches de la réalité. Une période de test sur cinq jours, dérivée de la méthode des k-médoïdes pour représenter la saison de chauffe complète, a été sélectionnée pour simuler les déperditions d’un bâtiment via Dymola. La PACH a été installée dans une chambre climatique qui reproduit les conditions de température et d’humidité auxquelles la PACH sera soumise. Les résultats ont démontré les excellentes performances des PACH (efficacité de 1,2 en énergie primaire, PCS), avec un taux de couverture de 80 % dans des bâtiments peu isolés dans la région parisienne et dotés de radiateurs haute température. Cela est principalement dû à l’efficacité élevée de la chaudière à très basse température et celle de la PAC électrique à des températures modérées.
Summary
In the context of climate change and growing global awareness of energy consumption, European legislators are advocating for total electrification and large-scale building renovations. However, these actions require significant time to address availability challenges and meet various constraints. Hybrid heat pumps (HHPs), combining an electric heat pump (HP) with a boiler as either a new system or an add-on, offer the benefits of both technologies, including higher power output, reduced electricity peak load impact, decreased CO2 emissions, and improved efficiency. To promote this technology to the French stakeholders, ENGIE developed a comprehensive methodology for building boiler rooms, based on dynamic modeling to define optimal sizing rules for HHPs. Collaborative work with the industry ensured a robust technical approach. An experimental campaign validated the modeling and provided practical use cases for stakeholders. Using a Hardware-in-the-Loop (HIL) approach, an HHP’s seasonal efficiency was evaluated under near-real-world conditions. A 5-day test period, derived using the k-medoid method to represent the entire calendar year for the cold climatic region of Paris, was selected to simulate the building heating needs via Dymola modeling in a climatic chamber. Results demonstrated excellent performance of the HHP (1.2 in primary energy – High Heating Value), with an 80% heat covering ratio in poorly insulated buildings in the Paris climatic region, equipped with high temperature radiators (70°C nominal temperature), primarily due to the condensing boiler’s high primary energy efficiency at low temperatures. The combined modeling and experimental results thus supported the promotion of HHP technology to the French Ministry of Energy.