En février de cette année, le module « pompe à chaleur » a été lancé dans la version GHEtool Cloud. Ce mois-ci, la première mise à jour majeure a été publiée, vous offrant la possibilité de définir votre propre pompe à chaleur ainsi que de spécifier la température d'émission vers le bâtiment.
Pompes à chaleur dans GHEtool
Lors de la conception de réseaux de forages géothermiques peu profonds, il est important de connaître la charge réelle d’injection et d’extraction au sein du réseau. Historiquement, ces charges étaient déterminées en tenant compte, d’une part, de la charge du bâtiment et, d’autre part, en supposant un rendement saisonnier constant (ou SCOP) pour la pompe à chaleur afin de la convertir en charge souterraine. Comme nous l’avons souligné dans notre article publié à la fin de l’année dernière (que vous pouvez consulter ici), cela pose trois problèmes :
- Votre rendement saisonnier est généralement sous-estimé, car la température moyenne du fluide est supérieure à la valeur ‘ B0 ’ indiquée dans les fiches techniques.
- La puissance de pointe du champ de forage est surestimée, car le rendement saisonnier est généralement supérieur au rendement instantané.
- Votre efficacité, puisqu'il s'agit d'une donnée d'entrée, est indépendante de votre conception, ce qui va à l'encontre de ce que l'on observe dans la réalité.
C'est pour ces trois raisons que nous avons intégré le module de pompe à chaleur dans la version GHEtool Cloud (lire l'article ici) en février dernier. En collaborant avec des fabricants de pompes à chaleur, nous avons pu créer des jumeaux numériques détaillés de leurs machines, qui permettent de simuler le champ de forage. Cela vous offre non seulement des résultats plus précis, mais aussi une image plus réaliste des performances réelles de votre système.
Bien que cette nouveauté ait rencontré un vif succès, la principale demande qui nous a été formulée concernait la possibilité de définir ses propres pompes à chaleur, et c'est précisément cette fonctionnalité que nous lançons aujourd'hui.
Rendement d'une pompe à chaleur
Pour bien comprendre la modélisation des pompes à chaleur définies par l'utilisateur dans GHEtool, il est important de saisir le principe du rendement théorique de la pompe à chaleur : le rendement de Carnot. Ce sujet sera abordé en premier lieu, puis nous expliquerons le modèle simplifié de la pompe à chaleur.
rendement de Carnot
La partie $T_H-T_L$ de l'équation est également appelée ‘ élévation de température ’, car il s'agit littéralement de la différence de température entre le côté froid et le côté chaud de la pompe à chaleur, et elle joue un rôle central dans le rendement global de votre appareil. Plus ce différentiel de température est élevé, plus votre rendement global sera faible.
Remarque !
C'est précisément la raison pour laquelle les systèmes à émission à basse température, comme le chauffage au sol, s'associent si bien à une pompe à chaleur. En raison de leurs exigences de température réduites (souvent 35 °C, voire moins), l’élévation de température est relativement faible, ce qui se traduit par des rendements très élevés par rapport aux systèmes dont la température de diffusion atteint 55 °C, comme c’est le cas, par exemple, de certains radiateurs.
Toutes les pompes à chaleur, qu'elles soient géothermiques ou aérothermiques, à vitesse modulable ou à vitesse fixe, présentent ce même rendement maximal de base ; c'est pourquoi celui-ci sert de fondement à notre modèle simplifié de pompe à chaleur.
Modèle simplifié
L'élément clé de ce modèle simplifié de pompe à chaleur réside dans le fait que, pour chaque combinaison de températures de l'évaporateur et du condenseur, le rendement maximal théorique est connu grâce à la formule évoquée plus haut. Cependant, il faut trouver un moyen de convertir cette valeur en rendement réel, ce qui s'effectue à l'aide d'un facteur de correction quadratique.
En utilisant au moins trois points (même si un nombre plus élevé permettra d'obtenir un ajustement plus précis), il est possible de quantifier la différence entre le rendement théorique et le rendement réel, comme illustré ci-dessous.
Sur la figure ci-dessus, les rendements attendus sont représentés à la fois par des points rouges (correspondant au rendement réel, tel qu'indiqué dans la fiche technique de votre pompe à chaleur) et par des triangles orange, qui représentent le rendement théorique. En divisant le premier par le second, on obtient une corrélation quadratique qui permet de quantifier la différence entre le rendement théorique, toujours connu, et le rendement réel.
Remarque !
Ce modèle simplifié ne fonctionne que pour les pompes à chaleur à vitesse fixe et non modulantes. Afin de modéliser avec précision le comportement en charge partielle, il faudrait un nombre nettement plus important de points de données, ce qui rend le modèle irréalisable. Nous continuons à travailler au développement d’un modèle similaire et simplifié pour les pompes à chaleur modulantes.
Définir sa propre pompe à chaleur dans GHEtool Cloud
Dans GHEtool, sous l'onglet ‘ Besoins thermiques ’, vous avez la possibilité de sélectionner une pompe à chaleur dans notre base de données. Auparavant, celles-ci étaient toutes prédéfinies, mais vous avez désormais la possibilité de créer vos propres pompes à chaleur.
Remarque !
Il n'est possible d'utiliser directement une pompe à chaleur que lorsqu'un profil de charge horaire est disponible. Lorsque ce n'est pas le cas, un profil de charge estimé peut être créé dans GHEtool, comme indiqué précédemment. ici.!Note
Toutes les pompes à chaleur que vous définissez dans GHEtool sont également disponibles dans vos autres projets, ce qui vous permet de gagner beaucoup de temps en évitant de redéfinir les machines.
Lorsque vous ajoutez (ou modifiez) une pompe à chaleur personnalisée, les informations suivantes sont toujours obligatoires (comme illustré dans la figure ci-dessous).
- Le nom sous lequel votre pompe à chaleur apparaîtra dans le rapport et les autres projets.
- La différence minimale de température entre l'évaporateur et le condenseur, qui peut varier d'une pompe à chaleur à l'autre.
- Les températures minimale et maximale du condenseur, afin de déterminer la plage de fonctionnement de votre machine.
- La différence de température entre l'entrée et la sortie de l'évaporateur et du condenseur. Cette valeur est nécessaire car le rendement des pompes à chaleur est souvent défini par le rapport Bx/Wy, où x correspond à la température de l'évaporateur entrée la température et y au niveau du condenseur magasin d'usine température. Pour pouvoir travailler avec les températures moyennes des fluides, il faut connaître la différence de température.
Outre ces informations générales, il convient de fournir au moins trois conditions de fonctionnement différentes et distinctes. Pour chaque condition, il faut indiquer la température à l'entrée de l'évaporateur, la température à la sortie du condenseur, le rendement ainsi que la puissance disponible. À partir de ces données, il est possible de définir la corrélation.
!Note
Lorsque votre pompe à chaleur est également utilisée pour le refroidissement actif, il n'est pas nécessaire de saisir ces données séparément, car le rendement en mode chauffage (COP) et le rendement en mode refroidissement (EER) sont liés d'un point de vue thermodynamique. C'est pourquoi la définition de la pompe à chaleur à partir des seules valeurs relevées en mode chauffage fournit des informations suffisantes pour couvrir également le refroidissement actif.
Effet de la température d'émission
Afin d'illustrer l'effet de la température d'émission sur le rendement de la pompe à chaleur, examinons la simulation suivante avec notre pompe à chaleur personnalisée et une température d'émission de 35 °C.
Ici, la valeur moyenne de SCOP sur une période de simulation de 20 ans est de 4,66. Lorsque la température d'émission est portée à 45 °C, le graphique change et le rendement global chute à 4,15. Cela s'explique simplement par le fait que, en raison de la hausse de température, le rendement diminue, ce qui illustre l'importance de maintenir une température d'émission aussi basse que possible.
!Note
Lorsque vous utilisez votre pompe à chaleur en mode refroidissement actif, il est tout à fait possible que vous obteniez simplement un rendement constant et stable, même en cas de déséquilibre dû à une extraction prédominante. Ce phénomène peut être dû à la température minimale du condenseur et/ou à la hauteur manométrique minimale. Si, par exemple, vous disposez d’une pompe à chaleur dont la température minimale du condenseur est de 25 °C et que la température de votre fluide descend en dessous de cette valeur de 25 °C, cela n’entraînera pas d’augmentation du rendement de refroidissement, puisque la pompe à chaleur continuera malgré tout à produire de l’air à 25 °C.
Quelle est la prochaine étape ?
Cette mise à jour a marqué la première mise à jour majeure du module de pompe à chaleur dans GHEtool, mais ce ne sera certainement pas la dernière. Vous trouverez ci-dessous deux mises à jour futures sur lesquelles nous travaillons déjà.
- Comme indiqué précédemment, le modèle simplifié actuel ne fonctionne qu'avec des pompes à chaleur à vitesse fixe. Nous travaillons actuellement à la mise au point d'un modèle similaire qui permettrait également de simuler des pompes à chaleur à charge partielle, tout en conservant le même faible niveau de complexité.
- Actuellement, la température de sortie vers le bâtiment est constante ; cependant, dans la réalité, cette température dépend souvent de la température extérieure : c'est ce qu'on appelle une courbe de chauffage. Cette fonctionnalité sera intégrée lors d'une prochaine mise à jour, ce qui permettra d'améliorer encore davantage le rendement réel de la pompe à chaleur géothermique.
Conclusion
Cet article présente la dernière mise à jour du module « pompe à chaleur » dans GHEtool Cloud. Désormais, il est possible de définir sa propre pompe à chaleur à vitesse fixe et de spécifier la température de sortie pour le chauffage, l'eau chaude sanitaire ainsi que le refroidissement actif.
À l'avenir, ce module sera encore développé afin d'intégrer une option de courbe de chauffage, ainsi qu'une extension du modèle simplifié actuel permettant de prendre en charge les pompes à chaleur modulantes.
Références
- Regardez notre vidéo d'explication sur notre page YouTube en cliquant sur ici.