Chaudière

 

Mise en place d'un système de chauffage plus

performant : la pompe à chaleur

 

Après mise en place d'un nouveau système de ventilation et d'une isolation performante pour le bâtiment, nous avons pu diminuer la puissance de chauffage de moitié. Ainsi d'une chaudière initialement de 425 kW, le bâtiment ne nécessite plus qu'une chaudière de 230 kW. En gardant le même système de chauffage, la consommation s'élèverai alors à 360 MWh/an environ.

Afin de minimiser l'impact du chauffage du bâtiment sur l'environnement et de réduire la consommation énergétique liée au chauffage nous étudions la possibilité d'installer un nouveau système de chauffage.

De nos jours, la technologie la plus recommandée et la plus performante est la pompe à chaleur (PAC). Elles peuvent être de type air/air, air/eau, on parle alors d'aerothermie ou encore sol/eau on parlera alors de géothermie. 

 

1. Principe de fonctionnement

Le principe consiste à récupérer les calories thermiques présentes dans l'air, l'eau ou encore le sol pour les transmettre au système de chauffage du bâtiment (Figure 1). Dans notre cas, nous ne connaissons pas la nature exact de notre sol nous nous focaliserons donc sur l'aerothermie qui est adaptable à plusieurs types de situation.  Considérant au départ que nous avons un système de chauffage à eau haute température (65°C), nous partirons sur l'étude d'une pompe à chaleur air/eau haute température.

 

Figure 1 : Principe de la pompe à chaleur

(Source : http://www.les-energies-renouvelables.eu/fr/principe-de-fonctionnement-dune-pompe-a-chaleur-geothermique.html)

 

Une pompe à chaleur est donc constitué d'une boucle fermé qui contient un fluide dit frigorigène ou réfrigérant. La caractéristique principale de ce fluide est de pouvoir s'évaporer à température faible sous la pression atmosphérique. Le fluide utilisé dans notre cas sera un hydrocarbure de formule brute C2H2F4 plus connu sous le nom : R134a. Le fluide se trouvera soit à l'état liquide, soit à l'état gazeux ou soit à l'état diphasique. 

Comme le montre la Figure 1, il traverse quatre organes principaux, un évaporateur ou il absorbera les calories de la source froide en se vaporisant puis le compresseur qui augmentera son enthalpie et sa pression donc sa température de condensation. Le fluide cèdera alors sa chaleur à la source chaude en se condensant dans le condenseur puis passera dans le detendeur pour repasser en basse pression.

On définit la performance d'une pompe à chaleur par son COP: Coefficient de Performance, il correspond au nombre de kW produit sur le nombre de kW consommé. Ainsi un COP de 3 par exemple, signifie que la chaudière consommera 1 kW pour 3 kW produits.  

 

2. Rentabilité de l'installation

Pour des questions économiques nous voulons changer uniquement le système de chauffage, sans toucher aux convecteurs (radiateurs) et à la tuyauterie. Pour cela nous devons trouver un produit capable de s'adapter à notre réseau. Nous avons donc rechercher une pompe à chaleur air/eau  d'une puissance minimal de 230 kW à haute température.

L'ancienne chaudière peut rester sur place pour venir en soutien dans des conditions extrêmes de température. Le pompe à chaleur va donc permettre de récupérer des calories qui ne seront donc plus prélevées par la chaudière existante. Cela permet donc de substituer une certaine quantité de gaz par de l'électricité consommé par le moteur de la PAC. 

Le temps de retour sur investissement est définis comme suit : 

Figure 2 : Le temps de retour sur investissement d'une pompe à chaleur industrielle

(Source : EDF R&D, 2010, La Pompe à Chaleur Industrielle à Haute Température (PAC HT))

La rentabilité de l'installation d'une pompe à chaleur dans le bâtiment va donc être fonction de plusieurs paramètres : 

  • Le prix des énergies : en effet, le prix de l'électricité et du gaz varient et sont difficilement prévisibles. Depuis le début de notre étude, nous considérons un prix moyen du gaz de 40 €/MWh et un prix de l'électricité à 80 €/MWh. Ces valeurs vont beaucoup influencer le TRI. Une augmentation générale du prix des énergies  (MWhgaz/MWhélec constant) est favorable à la rentabilisation de l'investissement. Tout comme une augmentation de ce ration.
  • Le COP, il est liée principalement à la différence entre la température de la source et celle du besoin en énergie. Ainsi, il est d'environ 3 pour des écarts de température entre 40/50°C.
  • La durée annuelle de fonctionnement. Plus la durée de fonctionnement est longue, plus la rentabilité est bonne. A titre d'exemple, une PAC fonctionnant 2 000 h/an aura un temps de retour 4 fois supérieur à une PAC fonctionnant 8 000 h/an. Dans notre cas, la période de chauffe dure 242 jours, pour une occupation du bâtiment 24h/24 e qui représente environ 5 800 h/an de fonctionnement.
  • Le coût de l'investissement. Il dépendra des conditions de travail. En effet, des machines qui comme c'est le cas pour nous produises de l'eau chaude à des températures inférieures  à 70°C sont souvent produites en grande quantité et sont donc moins chères. Ainsi une machine standard coûte aux alentours de 500 €/kW soit environ 115 000 € dans notre cas (chaudière 230 kW)

Ainsi, grâce à des courbes de tendances réalisé par la R&D d'EDF en 2010 (prix de l'électricité = 60 €/kW et prix du gaz = 30 €/kW), on peut estimer la rentabilité de notre installation en fonction du COP et de la durée de fonctionnement. Avec un COP = 3 et une durée de fonctionnement de 5 800 heures, on trouve un temps de retour sur investissement de deux ans et demi environ (Figure 3).

Figure 3 : Temps de retour sur investissement d'une PAC standard (température inférieure à 70°C) en fonction du COP pour les coût de l'énergie en novembre 2010 (gaz : 30 €/kWh - électricité : 60 €/MWh)

(Source : EDF R&D, 2010, La Pompe à Chaleur Industrielle à Haute Température (PAC HT))

Voici en résumé les caractéristiques de la PAC :

Figure 4 : Caractéristiques de la pompe à chaleur

 


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