Systèmes combinant des panneaux solaires hybrides (PVT) et des pompes à chaleur (HP)

Dans le monde en général et en Europe en particulier, la tendance est à l’utilisation des énergies renouvelables et à l’efficacité énergétique. De toutes les énergies renouvelables, l’énergie solaire est l’une de celles qui offrent le plus grand potentiel de réduction des émissions dans les villes. Parmi les différentes technologies solaires, les panneaux solaires hybrides (PVT), qui produisent de l’électricité et de l’eau chaude, constituent une rupture évidente sur le marché et sont appelés à jouer un rôle important dans la décarbonisation.

D’autre part, l’énergie que nous demandons dans nos bâtiments doit représenter la consommation d’énergie la plus faible possible, ce qui implique de travailler sur l’efficacité énergétique de nos systèmes. Il convient de préciser que la demande énergétique d’un bâtiment est l’énergie nécessaire pour satisfaire les conditions de confort que nous exigeons dans nos bâtiments (eau chaude, chauffage, refroidissement, etc.) et que la consommation du bâtiment est l’énergie provenant de l’extérieur du bâtiment (et normalement mesurée par des compteurs d’électricité, de gaz, de diesel, etc. Par conséquent, pour satisfaire la demande énergétique d’un bâtiment, nous avons besoin des systèmes les plus efficaces possibles dans le but de consommer le moins d’énergie possible provenant de l’extérieur du bâtiment, car cette consommation entraîne un coût non seulement économique, mais aussi en termes d’émissions de gaz à effet de serre. L’une des technologies qui a gagné en importance ces dernières années sur la voie de l’efficacité énergétique est la pompe à chaleur (PCCE), en particulier l’énergie aérothermique.

Les énergies renouvelables, qui ont connu une forte pénétration du marché au cours de la dernière décennie, ne sont pas suffisantes à court et moyen terme pour satisfaire toute la demande énergétique de nos villes et pays. Il est donc nécessaire que l’énergie supplémentaire que les énergies renouvelables ne sont pas en mesure de fournir soit fournie par des systèmes efficaces et peu polluants.

Pour réduire la consommation d’énergie d’un bâtiment, il est nécessaire de prendre trois mesures consécutives : la première consiste à utiliser des mesures passives pour réduire la demande d’énergie (telles que l’isolation, l’ombrage, etc.), la deuxième consiste à utiliser des énergies renouvelables pour répondre à une partie de la demande d’énergie du bâtiment, et la troisième consiste à répondre à la demande d’énergie du bâtiment, qui ne peut être satisfaite par les énergies renouvelables, au moyen d’un système efficace. Ainsi, la dépendance énergétique vis-à-vis de l’extérieur du bâtiment (consommation) est aussi faible que possible.

Les deuxième et troisième étapes concernent les installations du bâtiment combinant les énergies renouvelables et un système efficace tel que les PVT et les pompes à chaleur (HP) respectivement. Il existe de nombreuses combinaisons possibles entre les PVT et les BdC avec des machines air-eau (aw) et eau-eau (ww) et chacune a son application la plus appropriée. Cet article vise à en décrire quelques-unes.

• PVT + HP_aw comme préchauffage: La première combinaison de PVT et BdC est simple et peut être intégrée dans la plupart des bâtiments. L’eau froide provenant du réseau est préchauffée dans le réservoir solaire (lui-même chauffé par les PVT) à une certaine température, puis chauffée à la température de consommation dans un autre réservoir (lui-même chauffé par un BdC). Ce BdC peut être de n’importe quelle typologie : aérothermique, géothermique ou hydrothermique. Ces systèmes peuvent fonctionner en parallèle avec les chaudières existantes dans le bâtiment, de sorte que la chaudière utilisée pour l’ECS peut être remplacée par ce système.

• PVT + HP_aw avec réservoir multi-énergie: dans de nombreux types de bâtiments, il est nécessaire de prévenir la légionellose et pour cela, il faut des systèmes qui atteignent des températures élevées. En particulier, dans la BdC, on utilise des équipements spécifiques qui utilisent des réfrigérants (comme le CO2) pour atteindre des températures supérieures à 70ºC, dont la caractéristique est qu’ils ont un saut thermique élevé, de sorte qu’ils sont alimentés en eau froide et font un saut thermique élevé dans la BdC. Dans le circuit hydraulique des PVT, plus la température d’écoulement vers les panneaux est basse, plus leur rendement est élevé, de sorte que les deux technologies fonctionnent mieux si elles reçoivent de l’eau à basse température. Afin de combiner efficacement les deux technologies, des réservoirs multi-énergies avec stratification sont utilisés pour fournir de l’eau à basse température dans la partie inférieure et à haute température dans la partie supérieure. Ce système est très efficace car ses trois composants (PVT, BdC et réservoir) fonctionnent dans les bonnes conditions pour obtenir de bons rendements.

• PVT + HP_aw compact : est un système conçu pour les petites consommations d’ECS (comme les maisons individuelles) lorsqu’une autre installation indépendante est utilisée pour le système de chauffage et/ou de refroidissement. Ce système se compose de panneaux PVT raccordés au même réservoir que la chaudière ECS. Le compresseur de ces chaudières ECS est placé sur le dessus du réservoir et chauffe le réservoir d’eau à l’aide d’un serpentin (condenseur) qui entoure le réservoir. Ce système a l’avantage d’être compact et de fournir dans un seul réservoir les énergies thermiques des PVT et de la chaudière à eau chaude. Ce système peut combiner la source renouvelable et le système auxiliaire dans le même réservoir tant que la consommation dans le logement est inférieure à 100 l/jour (3 personnes ou moins dans le logement), car il n’entre pas dans le champ d’application du CTE HE-4. L’inconvénient est que la production solaire thermique fonctionne sur un ballon qui garde l’ECS chaude, donc le rendement thermique et photovoltaïque est plus faible que si un ballon précédent était préchauffé. Comme il fonctionne à une température plus élevée, ce système ne peut être combiné qu’avec des PVT avec toiture, car les PVT sans toiture ont des performances pratiquement nulles dans ces conditions de fonctionnement. Ce système est intéressant pour les petites installations où la simplicité et le coût priment sur l’optimisation du rendement.

• PVT + HP_aw multitâches: dans les cas de petite taille (maisons individuelles) où les systèmes d’ECS, de chauffage et de refroidissement sont intégrés dans un seul système, il est judicieux d’utiliser la PVT avec une BdC qui peut répondre aux 3 demandes d’énergie. Ce système peut inclure le réservoir à l’intérieur ou à l’extérieur de la chaudière, en fonction de l’espace disponible à l’intérieur de la maison. Ce système présente des avantages évidents tels que la compacité, puisque, dans un espace similaire à celui d’un réfrigérateur, l’ensemble du système est inclus pour fournir l’énergie thermique demandée par la maison. De plus, si les PVT sont dimensionnées de telle sorte que pendant les périodes de demande de refroidissement (de mai à septembre) les PVT peuvent fournir 100% de l’ECS, la machine n’a pas besoin de changer le cycle de refroidissement en mode de chauffage pour fournir l’ECS, de sorte que le système, en plus d’être plus efficace, prolonge la durée de vie de la machine.

• PVT +HP_ww de haute température: les combinaisons précédentes sont conçues pour des circuits ouverts (normalement l’eau chaude sanitaire), mais dans les circuits fermés, et surtout lorsqu’on travaille à haute température, la combinaison de PVT avec des BdC eau-eau est très appropriée. En effet, les panneaux fonctionnent comme le foyer froid (évaporateur) de la BdC, ce qui présente un double avantage : les PVT travaillent à une température plus basse, ce qui améliore leurs performances (tant thermiques que photovoltaïques) et la température du foyer froid de la BdC est plus élevée, de sorte que la SCOP de la machine est plus élevée et, par conséquent, sa consommation d’électricité est plus faible. Cela signifie que la consommation d’électricité de la BdC est inférieure à la production photovoltaïque des PVT et qu’il s’agit d’une installation qui génère beaucoup d’énergie thermique à haute température et qui dispose d’un surplus d’électricité pour d’autres usages. Cette combinaison convient aux réseaux urbains, aux processus industriels ou même, à petite échelle, aux maisons individuelles. L’avantage de la cogénération eau-eau est que son coût est nettement inférieur à celui de la cogénération air-eau, mais son inconvénient est qu’elle n’est pas le seul système et qu’elle nécessite un système auxiliaire (chaudière, aérothermie, etc.) pour fournir de l’énergie thermique pendant les mois où l’irradiation n’est pas suffisante.

A l’exception du dernier cas, en règle générale (sauf exceptions), le dimensionnement de ces systèmes est basé sur le dimensionnement des PVT pour couvrir entre 60% et 70% de la demande annuelle d’ECS. Par conséquent, la BdC devra fournir l’énergie thermique restante. Cela signifie que le compresseur ne fonctionnera que pendant 30 à 40 % de la demande, ce qui se traduit par une consommation d’électricité plus faible et une durée de vie plus longue. En outre, dans la plupart des cas, cette consommation d’électricité est inférieure à la production photovoltaïque des PVT, ce qui permet d’obtenir des systèmes qui répondent à 100 % de la demande d’ECS et génèrent également un surplus d’électricité pour la consommation du bâtiment.

L’un des avantages de l’utilisation des panneaux PVT par rapport aux panneaux photovoltaïques traditionnels est que le rendement global des PVT est de 3 à 4 fois supérieur à celui des panneaux photovoltaïques. Par conséquent, la surface nécessaire pour produire la même énergie à l’aide de panneaux photovoltaïques est entre 3 et 4 fois plus grande qu’avec le PVT (sans tenir compte du facteur d’autoconsommation), ce qui explique que dans la plupart des bâtiments de nos villes, il n’y a pas assez de toitures pour produire autant d’énergie. Par conséquent, l’utilisation du PVT nous permet de maximiser les économies d’énergie et, par conséquent, les économies économiques et les économies d’émissions de nos toits.

Depuis l’entrée en vigueur des certificats d’économie d’énergie (CAE) dans notre pays, les deux technologies bénéficient d’un jeton applicable aux économies thermiques réalisées et à l’efficacité énergétique du système, ce qui constitue une incitation économique pour ce type d’installation.