Contrôle intelligent de la pompe à chaleur résidentielle en fonction du PV: qu'est-ce que cela apporte?
Dans le cadre du projet de recherche TETRA Thermi-Var (www.thermi-var.be), le Centre d'expertise en énergie de Thomas More, en collaboration avec Buildwise et Volta, a étudié les avantages pour l'utilisateur final d'un contrôle intelligent de sa pompe à chaleur. L'accent a été mis sur les solutions qui sont actuellement faciles à mettre en œuvre.
Paradoxe solaire?
Pour le chauffage des locaux, nous nous heurtons généralement au paradoxe solaire: lorsque la demande de chaleur est la plus forte, il y a peu de soleil. C'est principalement pendant l'intersaison qu'il y a quelque chose à récolter. Le taux d'autosuffisance est donc plus élevé dans les maisons moins bien isolées où la demande de chaleur est généralement plus importante en mi-saison: dans la maison labellisée C de la figure 1, le taux d'autosuffisance peut atteindre 30%. Dans une maison labellisée A, la demande de chaleur est faible à la mi-saison et les gains solaires ne peuvent donc pas être utilisés à bon escient: le taux d'autosuffisance peut être nettement plus faible.
Pour la production d'eau chaude sanitaire, il est possible d'aller plus loin: en été, la majeure partie de la demande de chaleur peut être couverte par l'énergie solaire et un taux d'autosuffisance de 80% est possible sur une base annuelle pour une famille de 3 personnes avec 4 kWc de PV (Fig. 2).
Un contrôle simple en pratique
Dans la pratique, il n'est toujours pas possible de faire correspondre parfaitement l'offre et la demande. Ce qui peut être fait assez facilement, c'est de stimuler la pompe à chaleur lorsqu'il y a un excédent solaire. Cela signifie que la pompe à chaleur est déclenchée par l'augmentation de la température ambiante requise, de la conduite de chauffage ou de la température de consigne d'un réservoir de stockage.
Une régulation simple est une régulation par horloge, où la pompe à chaleur est systématiquement activée à des heures fixes. Avec des panneaux photovoltaïques orientés vers le sud, par exemple, le rendement attendu est le plus élevé vers midi et c'est le moment idéal pour augmenter la pompe à chaleur. Une autre option consiste à contrôler la pompe à chaleur en fonction de l'injection photovoltaïque. Pour ce faire, il faut lire le port P1 du compteur numérique. Si l'injection dépasse un certain seuil, la pompe à chaleur est activée.
Dans les deux cas, l'objectif est d'utiliser plus d'énergie solaire et donc moins d'électricité provenant du réseau. Pour avoir une idée des économies possibles sur le réseau, elles ont été calculées à l'aide de simulations dynamiques. Cela permet également de comparer individuellement l'impact des différentes commandes et des paramètres associés.
Pour une maison individuelle standard avec une famille de 3-4 personnes, des variantes ont été calculées avec des différences dans le niveau d'isolation, le nombre de panneaux photovoltaïques, le système de sortie, le volume de stockage. Les résultats de ces calculs ont permis de dégager un certain nombre de recommandations pratiques.
Recommandations pour le chauffage des locaux
Le paradoxe solaire joue non seulement sur une base annuelle, mais aussi sur une base quotidienne, lorsque le soleil brille, la pompe à chaleur est plus susceptible de ne pas fonctionner. Avant même d'envisager un contrôle intelligent, il est donc intéressant d'augmenter la probabilité de chevauchement entre l'offre et la demande en les répartissant autant que possible sur la journée. Cela peut se faire du côté de l'offre en plaçant les panneaux photovoltaïques dans deux orientations différentes, et du côté de la demande en réglant la ligne de chauffage aussi bas que possible, garantissant ainsi que la pompe à chaleur fonctionne plus d'heures à une puissance plus faible. Une ligne de chauffage basse est d'ailleurs une solution facile à mettre en œuvre qui, à elle seule, permet de réaliser des économies considérables.
Une commande d'horloge qui stimule la pompe à chaleur en augmentant la température ambiante est une solution simple et robuste (Fig. 3). Cette commande permet à la pompe à chaleur de continuer à fonctionner au même régime, mais en déplaçant la demande vers les heures où les chances d'ensoleillement sont les plus grandes. Cela peut réduire la consommation de la pompe à chaleur d'environ 5% dans une maison avec l'étiquette énergétique C et des radiateurs, et d'environ 10% dans une maison avec l'étiquette A et un chauffage par le sol. Il est important de noter que la consommation absolue est plus élevée dans une habitation portant l'étiquette C, de sorte que le nombre de kilowattheures économisés est également plus élevé.
Pour exploiter davantage l'énergie solaire, la pompe à chaleur doit fonctionner à une puissance plus élevée pendant les périodes de fort ensoleillement. Cela peut se faire en augmentant le point de consigne de chauffage (Fig. 4). Cependant, l'augmentation de la température de sortie entraîne un fonctionnement moins efficace de la pompe à chaleur, c'est pourquoi il est important que l'appoint se fasse principalement sur l'énergie solaire en contrôlant l'injection.
Avec un choix judicieux des paramètres et 9.000 Wp de pv, la réduction de la consommation du réseau de la pompe à chaleur peut atteindre près de 10% dans une maison avec étiquette énergétique C et radiateurs et près de 30% dans une maison avec étiquette A et chauffage par le sol. Là encore, il faut noter que le nombre de kilowattheures économisés est plus important dans l'habitation portant l'étiquette C.
Il n'est pas recommandé d'augmenter la courbe de chauffage en combinaison avec le contrôle de l'horloge. L'augmentation de la température de sortie et la diminution de l'efficacité qui en découle avec une commande par horloge se produisent également pendant les périodes peu ou pas ensoleillées, en particulier en hiver. Cela augmente la consommation du réseau à ces moments-là. Le risque est d'autant plus grand que la pompe à chaleur est lourde par rapport au système photovoltaïque disponible. Par exemple, dans la variante la moins bien isolée (labelC) avec 3000 Wp de pv, il est même possible que la consommation du réseau augmente sur une base annuelle.
Stockage de la chaleur
Réduire la consommation du réseau en augmentant la pompe à chaleur lorsque l'énergie solaire est excédentaire ne fonctionne que parce que la chaleur excédentaire produite est stockée dans le bâtiment et utilisée ultérieurement. Ce principe fonctionne particulièrement bien avec le chauffage par le sol, car le sol lui-même agit comme un tampon thermique.
Dans une installation de chauffage avec radiateurs, l'ajout d'un réservoir tampon semble à première vue un bon moyen de créer une capacité de stockage supplémentaire (Fig. 5).
Dans la pratique, il n'est cependant pas évident de réduire la consommation du réseau de cette manière. Le réservoir tampon oblige la pompe à chaleur à fonctionner en permanence à une température plus élevée, ce qui réduit l'efficacité. De plus, il y a des pertes de chaleur à partir du réservoir tampon. Pour compenser cette consommation supplémentaire, la pompe à chaleur doit fonctionner autant que possible à l'énergie solaire. Cela nécessite une capacité tampon suffisante pour couvrir les périodes de faible ensoleillement, ce qui conduit à des réservoirs tampons très grands - et souvent irréalistes.
Recommandations pour l'eau chaude sanitaire (ECS)
Pour la production d'eau chaude sanitaire, une simple commande par horloge s'avère également être un bon choix (Fig. 6). Avec 4 kWc de PV et un réservoir de 180 litres pour une famille de 3 personnes, la part d'énergie renouvelable de la pompe à chaleur peut passer de 15-20% sans contrôle à environ 45% avec un contrôle de l'horloge. La consommation de la pompe à chaleur pour la production d'eau chaude diminue ainsi de plus de 20%. Les économies augmentent jusqu'à 40% avec 7 kWp de PV ou avec un réservoir de stockage de 300 litres, et même jusqu'à 70% si les deux mesures sont combinées.
Pour l'eau chaude sanitaire, la régulation par horloge fonctionne encore mieux que la régulation par injection à seuil fixe. En effet, dans ce dernier cas, il est difficile de trouver une valeur de seuil qui fonctionne toujours bien (Fig. 7). Un seuil bas donne de mauvais résultats les jours de fort ensoleillement, car l'appoint démarre alors trop rapidement et la cuve est "pleine" au moment où la production photovoltaïque atteint son maximum. Avec un seuil élevé, il y a un risque que la pompe à chaleur ne soit pas boostée les jours de faible ensoleillement.
Un contrôle de l'injection peut toutefois mieux fonctionner si la valeur seuil varie, par exemple, en fonction des prévisions météorologiques. Une autre possibilité consiste à utiliser une résistance électrique dans le réservoir de stockage, dont la puissance est contrôlée en fonction de l'excédent disponible. Cela permet de contrôler le profil de rendement et donc d'optimiser l'énergie solaire.
L'intervention éventuelle d'une résistance électrique constitue un problème majeur lors de la création d'un système d'eau chaude sanitaire. Cela peut complètement annuler les économies mentionnées, voire entraîner une consommation plus élevée. En effet, nous constatons que dans de nombreuses pompes à chaleur, la résistance électrique intervient ou prend le relais à partir de 60-65 °C. En fonction de la capacité de la résistance et de la quantité de panneaux photovoltaïques, une régulation sur l'injection avec un point de consigne variable peut alors offrir une solution.
Des économies grâce à un contrôle intelligent de la pompe à chaleur?
D'une manière générale, on peut conclure que la régulation intelligente des pompes à chaleur en fonction du rendement solaire offre des opportunités. Cependant, il est important de faire attention aux contrôles qui réduisent l'efficacité (COP), par exemple en augmentant la température de l'eau ou en activant une résistance électrique.
Pour l'eau chaude sanitaire en particulier, des stratégies de contrôle simples permettent de réaliser des économies substantielles sur la consommation du réseau. Pour le chauffage des locaux, en revanche, nous nous heurtons au paradoxe solaire, qui, il est vrai, joue moins fortement dans les habitations où la demande de chaleur est élevée pendant la saison morte. Peut-être cela constitue-t-il une incitation supplémentaire pour les maisons existantes, généralement un peu moins bien isolées, à envisager de passer à une pompe à chaleur?
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