Trois manières de coupler solaire et pompes à chaleur

Les couplages solaire thermique et pompes à chaleur, solaire photovoltaïque et pompes à chaleur, voire solaire thermique, photovoltaïque et pompes à chaleur, ont dépassé le stade de l’expérimentation et apportent d’indéniables bénéfices à leurs utilisateurs. Nous avons déjà décrit il y a deux ans les SolaroPac qui utilisent des capteurs solaires thermiques basse température et des pompes à chaleur, ainsi que les offres des deux industriels français qui promeuvent cette solution : Heliopac et Giordano Industries.

Voici trois autres approches : celle du programme SunHorizon, celle de quatre chercheurs italiens et celle de l’entreprise française FreeHeat Caleosol.

Le programme SunHorizon, BDR Thermea, le solaire et les pompes à chaleur

Le programme SunHorizon teste trois technologies de pompes à chaleur : les pompes à chaleur à adsorption et hybrides (adsorption et compression), les pompes à chaleur à gaz de Boostheat et les pac à compression classiques de BDR Thermea, en les mariant avec des capteurs solaires thermiques et/ou photovoltaïques.

Nous disposons d’un peu plus de données sur le résultat du couplage pac à compression BDR Thermea et panneaux solaires photovoltaïques. A Madrid, en Espagne, un bâtiment de 1.072 m² de logements sociaux R+4 a bénéficié d’une rénovation globale. Après traitement de l’enveloppe, les déperditions ont baissé de 70%, les besoins d’énergie annuels sont évalués à 13 MWh pour la production d’ECS, 60 MWh pour le chauffage, 4 MWh pour le rafraîchissement et 18 MWh d’électricité pour les autres usages. A l’origine, les logements étaient équipés de chaudières gaz individuelles.

Dans le cadre du programme EuroSun, tous les logements ont été équipés de groupes de ventilation double flux individuels avec récupération de chaleur. 50 m² de panneaux solaires PVT (photovoltaïque et thermique à la fois) DualSun ont été installés sur le toit, ainsi qu’une pompe à chaleur réversible air/eau BDR Thermea de 27 kW pour le chauffage, le rafraîchissement et la production d’ECS, une pac eau/eau BDR Thermea de 24 kW alimentée par les panneaux PVT, un ballon de stockage Ratiotherm de 1,3 m³ qui fait office de primaire chauffage, un ballon Ratiotherm de 1000 l pour la préparation d’ECS. Les logements ont été pourvus de ventiloconvecteurs, avec des température de départ de 45°C en période de chauffage et de 16°C en mode rafraîchissement. Les panneaux PVT Dualsun alimentent l’installation en eau chaude et en électricité. Les économies d’énergie réalisées atteignent 76% pour le chauffage et la production d’ECS, exprimées en énergie primaire, 37% de la production PV est autoconsommée. ©SunHorizon

En résumé, l’association de panneaux solaires PVT (thermiques et photovoltaïques à la fois) est particulièrement intéressante. Elle fonctionne aussi bien pendant les périodes de chauffage que de rafraîchissement. Avec une pac eau/eau, la partie thermique des panneaux alimente la pac avec une eau à température comprise entre 8 et 15°C en hiver. Ce qui améliore son COP. La partie photovoltaïque contribue à l’alimentation électrique des pac tant eau/eau que air/eau.

Quatre chercheurs italiens font le bilan de la littérature scientifique sur l’association solaire + pompes à chaleur

Dans un article publié dans la revue scientifique ScienceDirect, quatre chercheurs italiens font le bilan des connaissances et des publications sur les pompes à à compression chaleur assistées par du solaire thermique ou photovoltaïque. Eux-aussi concluent que l’association de pompes à chaleur eau/eau à compression avec des capteurs solaires PVT (photovoltaïques et Thermiques à la fois), comme ceux que conçoit et fabrique le français Dualsun est particulièrement recommandable, notamment parce que la circulation d’eau en sous-face des panneaux contribue à rafraîchir les cellules photovoltaïques en surface et donc à accroître leur rendement d’exploitation annuel.

De plus, soulignent-ils, cela augmente en même temps le rendement des pompes à chaleur eau/eau parce qu’elles sont alimentées par une eau plus chaude que si elle provenait de capteurs géothermiques, par exemple.

Leur article détaille ensuite diverses configurations de pompes à chaleur à compression connectées à des panneaux PVT, ce qu’ils appellent PVT-SAHP pour PVT-Solar Assisted Heat Pumps : les systèmes à détente directe dans lesquels les capteurs PVT sont alimentés par le réfrigérant de la pompe à chaleur et constituent l’évaporateur de la pac ; les systèmes indirects avec un circuit d’eau glycolée dans les capteurs PVT, une pompe, un échangeur de chaleur entre le circuit eau glycolée et la pac, l’échangeur constituant l’évaporateur de la pac ; le fait que le soleil soit la seule source de chaleur du système ou bien qu’une autre source de chaleur soit présente, par exemple l’air ou un circuit géothermique, ce qui facilite la conception de systèmes réversibles. ©Alessandro Miglioli, Nicolo Aste, Claudio del Pero, Fabrizioo Leonforte

Ils relèvent que, du point de vue énergétique, le système le plus efficace pour la production d’ECS et de chauffage et le plus simple à concevoir et à installer est celui à détente directe. C’est en réalité une extrêmement mauvaise solution, puisqu’elle multiplie par dix ou davantage le volume de réfrigérant utilisé et que nous vivons sous l’empire du Règlement F-gaz en cours de révision , ainsi que de la révision en cours du règlement REACH.

Le règlement F-Gaz organise la décroissance du volume de réfrigérants HFC commercialisables chaque année dans l’Union Européenne : ce n’est pas le moment d’installer des systèmes mobilisant d’importants volumes de réfrigérant. Ensemble, F-Gaz et REACH poussent l’industrie du froid, de la climatisation et des pompes à chaleur vers les fluides naturels : R290 (propane), CO₂, Ammoniac, air, eau, etc.

Le R290 conviendrait parfaitement du point de vue thermodynamique, mais en installer plusieurs dizaines de kilogrammes sur un toit n’est pas nécessairement une bonne idée, sans même évoquer les obstacles règlementaires. Même chose pour l’ammoniac et le CO₂. Quant à l’air et l’eau, il existe trop peu de pompes à chaleur qui exploitent ces fluides comme réfrigérant pour que l’on puisse sérieusement y songer dans une telle installation.

Les systèmes indirects, en revanche, minimisent la charge de réfrigérant nécessaire et constituent une bonne alternative, même avec des pompes à chaleur eau/eau au R290.

FreeHeat Caleosol marie solaire thermique et pompes à chaleur géothermiques

FreeHeat Caleosol commercialise des solutions de géothermie de faible profondeur (murs géothermiques, paniers, …), de planchers, de murs et de plafonds chauffants et rafraîchissants. FreeHeat exploite les marques FreeHeat, CaleoSol, CaleoMur, CaleoPlafond, Jupiter, CaleoSoleil, Soleil-ô, …

Pour les besoins de ses propres bureaux à Blois, FreeHeat a développé, sous le nom de CaleoNet, une solution qui associe solaire thermique et installation géothermique. Une pompe à chaleur eau glycolée/eau est raccordée aux tubes géothermiques des murs géothermiques CaleoSol installés avec une simple pelleteuse. Jusque-là, tout est normal. L’innovation vient du fait que l’installation compte 7 m² de panneaux solaires thermiques non-vitrés, du type de ceux que l’on utilise pour le chauffage des piscines domestiques, d’une puissance nominale de 747 W/m², soit 5200 W. Ces panneaux sont alimentés par le circuit géothermique grâce une vanne motorisée. Ils sont utilisés comme source de chaleur alternative aux capteurs géothermiques pour alimenter l’évaporateur de la pompe à chaleur, dès que leur température dépasse celle du sol. Ce qui se produit pour une température extérieure supérieure à 8°C environ. ©FreeHeat

Le mur géothermique est un échangeur thermique d’une hauteur de 1,80 m, de faible profondeur, installé entre 1 et 4 m de profondeur dans une tranchée creusée par une mini-pelle ou une pelleteuse. FreeHeat estime que l’on peut creuser jusqu’à 6 à10 tranchées par jour, installer 6 à 10 murs géothermiques dans les tranchées par jour et refermer 6 à 10 tranchées par jour : soit 6 à 10 murs géothermiques installés en trois jours. Il faut ensuite quelques jours pour les finitions et le raccordement des murs géothermiques. ©FreeHeat

Le circuit CaleoNet à Blois est instrumenté. Par exemple, le 13 février 2023, la puissance thermique des panneaux solaires est montée à 7520 W, soit 1074 W/m². La température extérieure était de 10 à 13°C, soit environ 6 à 8°K de plus que la température de l’eau du circuit géothermique alimentant les panneaux solaires. Dans ces conditions, le COP de la pac géothermique atteint 6. ©FreeHeat

Voici en rouge la puissance fournie par les panneaux solaires thermiques non-vitrés, en vert les appels de puissance de la pompe à chaleur géothermique. Olivier Cazeaux, le dirigeant de FreeHeat, explique que l’installation n’a pas besoin de chauffage au moment où les panneaux solaires produisent le plus : ils sont donc utilisés durant cette période pour réchauffer la ressource géothermique. Ce qui augmente de quelques degrés la température du sol en contact avec les sondes géothermiques et améliore le COP de la pac géothermique. ©FreeHeat

Olivier Cazeaux, le dirigeant de FreeHeat, explique que cette solution fonctionne également la nuit, puisque les panneaux solaires non-vitrés contribuent à réchauffer le circuit géothermique, dès que la température extérieure est supérieure de 6 à 8°K à la température du circuit géothermique à l’entrée des panneaux. L’augmentation de température du circuit géothermique à l’entrée de l’évaporateur de la pac booste son rendement annuel.

Naturellement, le système CaleoNet est géré par une régulation développée par FreeHeat. Il peut être déployé pour toutes sortes de bâtiments : maison individuelle, immeubles collectifs par tranches de 8 logements, bâtiments tertiaires. Cette solution a été labellisée par la Solar Impulse Foundation.

Pour de plus grands bâtiments tertiaires, le français Accenta applique une méthode similaire : forages géothermiques de relativement faible profondeur, secourus par des panneaux solaires thermiques qui, à la fois augmentent la température d’arrivée du circuit géothermique à l’évaporateur des pac et rechargent le gisement géothermique en période de rafraîchissement du bâtiment. Le tout supervisé et piloté par une GTB développée par Accenta et baptisée "Plateforme de Conduite Continue".

Nous ne désespérons pas de pouvoir écrire un article sur l’une de leurs réalisations.