Dossier Technique

Les Solutions hybrides pour le tertiaire et l'industrie

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Base, appoint, relève….autant de termes détaillés dans ce dossier, qui présente également les principaux équipements hybrides destinés aux bâtiments tertiaires et dans l’industrie.

Depuis les voitures hybrides, ce mot est utilisé « à toutes les sauces ». Tout le monde l’emploie sans que personnes ne sache vraiment ce que sont ces solutions. Cet article a donc pour objectif de clarifier notre définition de l’hybride. Ce n’est pas LA définition, mais notre proposition pour clarifier les choses. Il détaille ensuite les avantages de ces produits avant de dresser un panorama des solutions hybrides déjà disponible sur le marché.

Définitions : base, appoint, relève, qu'est-ce que c'est

Les solutions bi-énergie de type roof top et aérotherme existent depuis de nombreuses années. D’abord utilisées de façon exclusive (le chaud au gaz et le froid à l’électricité), les technologies bi-énergies se sont développées sur le principe de la « base + appoint » en production de chaleur. Ainsi, le gaz naturel apporte le confort de chauffage nécessaire lorsque, par basse température extérieure, la pompe à chaleur (PAC) électrique ne délivre plus assez de puissance.

Les solutions hybrides vont plus loin. En garantissant à tout moment l’utilisation de l’énergie de chauffage la plus performante thermiquement ou économiquement, les aérothermes et roof tops hybrides permettent d’optimiser les consommations et par conséquent la facture énergétique. Explications et revue de détail. 

Des solutions bi-énergies en "base + appoint", c'est bien ...

Dans le tertiaire, et notamment le secteur du commerce, les roof tops électriques sont actuellement majoritaires. L’utilisation d’une PAC réversible assurant le chauffage, mais aussi la climatisation des bâtiments, présente des performances très intéressantes… à condition d’être bien utilisée.

En fonctionnement à pleine charge et dans des conditions de température d’air extérieur clémentes, les roof tops électriques présentent de très bonnes performances en mode chauffage. Néanmoins, lorsque la température d’air extérieur diminue, c'est-à-dire lorsque les besoins de chauffage des bâtiments augmentent, la puissance délivrée par les PAC air/air diminue progressivement, tout comme les performances. Cette caractéristique intrinsèque des technologies à base de PAC électriques aérothermiques conduit parfois à surdimensionner ces installations, de manière à ce qu’elles puissent couvrir le besoin de chauffage du bâtiment par grand froid, ce qui n’est pas optimal. En effet, pour quelques jours très froids dans l’année, l’investissement est sensiblement augmenté. Par ailleurs, la PAC électrique se trouve surdimensionnée la majeure partie de l’année, elle fonctionne donc à charge partielle et voit ainsi généralement ses performances diminuées.

Synoptique d’une installation avec une PAC couvrant 100% des besoins.
Synoptique d’une installation avec une PAC couvrant 100 % des besoins.

Ainsi, afin d’éviter ces inconvénients, la plupart des roof tops sont équipés d’une part d’une PAC air/air capable de couvrir les besoins de chauffage lorsque la température d’air extérieur est clémente, et d’autre part d’une technologie d’appoint moins coûteuse, capable de délivrer le complément de puissance nécessaire pour les jours les plus froids. Ce dimensionnement diminue le fonctionnement de la PAC à charge partielle, et donc optimise ses performances, en plus de l’investissement.

Synoptique d’une installation avec un système Base PAC + appoint (effet joule ou gaz naturel)
Synoptique d’une installation avec un système Base PAC + appoint (effet joule ou gaz naturel)

L’utilisation de batteries électriques (effet joule) ou de brûleurs au gaz naturel en appoint est très classique.

La solution au gaz naturel présente de nombreux avantages : 

  • Immédiatement disponible grâce à une montée en température très rapide, la puissance délivrée par les brûleurs reste constante, quelle que soit la température extérieure,
  • De l’ordre de 92% sur PCI en version de base, le rendement avec le gaz naturel peut atteindre 105% sur PCI pour les versions à condensation (selon le taux de charge). Ces niveaux de rendement, qui restent constants par grands froid, rendent ces solutions tout à fait compétitives étant donnés les prix des énergies de chauffage.
  • En énergie primaire, le gaz naturel apporte de bien meilleures performances que les solutions « Effet Joule » dont le rendement sur énergie primaire atteint à peine 40 % (1), facilitant ainsi le respect de la RT 2012 et l’atteinte de labels (HPE, THPE).
La réglementation française fixe le facteur de conversion de l’électricité à 2, 58, soit 2,58 kWh d’énergie primaire pour produire 1 kWh d’électricité utilisé pour le chauffage (énergie finale). Ainsi, le rendement de l’effet joule qui atteint 100% en énergie finale n’a en réalité qu’un rendement global (sur énergie primaire) de 39 % (100/2,58). Le gaz naturel étant une énergie primaire utilisée sans transformation, son facteur de correction réglementaire est de 1 : pour 1 kWh d’énergie finale consommée il faut 1 kWh d’énergie primaire. 

Une variante consiste à utiliser le gaz naturel en relève : dimensionnée pour couvrir les besoins de chaud par températures clémentes comme dans le cas précédent, la PAC est cette fois arrêtée lorsqu’elle ne couvre plus l’ensemble des besoins du bâtiment. Le brûleur gaz naturel dimensionné à 100% des besoins prend alors la relève totale de la PAC. Il peut également servir de secours à tout moment. 

Synoptique d’une installation fonctionnant en relève (gaz naturel)
Synoptique d’une installation fonctionnant en relève (gaz naturel)

Ces solution bi-énergies dimensionnées en « base + appoint » existent également sous forme d’aérothermes et de roof tops.Des solutions hybrides c’est mieux !

Comme indiqué précédemment, les solutions dimensionnées en « base + appoint » permettent  notamment d’éviter le surdimensionnement de la PAC et diminuent ainsi le coût d’investissement de la solution. Les solutions hybrides, associations packagées d’une solution gaz naturel (brûleurs), et d’une PAC électrique air/air réversible comme les solutions « base + appoint », vont plus loin en optimisant les performances et les coûts d’exploitation. En effet, non seulement la puissance délivrée par la PAC électrique diminue progressivement à mesure que la température d’air extérieur baisse, mais également ses performances. Le principe des solutions hybrides consiste donc à utiliser à tout moment, en fonction de la température extérieure, la solution la plus performante.

Des solutions hybrides c'est mieux !

Comme indiqué précédemment, les solutions dimensionnées en « base + appoint » permettent notamment d’éviter le surdimensionnement de la PAC et diminuent ainsi le coût d’investissement de la solution. Les solutions hybrides, associations packagées d’une solution gaz naturel (brûleurs), et d’une PAC électrique air/air réversible comme les solutions « base + appoint », vont plus loin en optimisant les performances et les coûts d’exploitation. En effet, non seulement la puissance délivrée par la PAC électrique diminue progressivement à mesure que la température d’air extérieur baisse, mais également ses performances. Le principe des solutions hybrides consiste donc à utiliser à tout moment, en fonction de la température extérieure, la solution la plus performante.

Les avantages des solutions hybrides

L'optimisation du rendement

Déjà disponible auprès de plusieurs constructeurs, un premier type de solution hybride consiste à optimiser les consommations d’énergie primaire en utilisant à tout moment la technologie présentant le meilleur rendement sur énergie primaire :

 Synoptique d’une installation fonctionnant avec une technologie hybride optimisée en rendement.
Synoptique d’une installation fonctionnant avec une technologie hybride optimisée en rendement.

La PAC est utilisée en base lorsqu’il fait doux (partie bleue du schéma jusqu’à la température extérieure T1)

Quand elle ne peut plus assurer la totalité des besoins de chauffage, le brûleur gaz est allumé pour assurer l’appoint de puissance nécessaire (seuil T1 de température). La PAC reste en fonctionnement tant que son rendement sur énergie primaire est meilleur que celui du brûleur gaz. C’est la partie bleue et verte du schéma entre les températures extérieures T1 et T2.

Lorsque le second seuil de température T2 est atteint, le COP sur énergie primaire de la PAC devient inférieur au rendement du brûleur gaz, la PAC est alors arrêtée et le brûleur assure l’ensemble des besoins avec la meilleure performance. 

Dans la pratique, la température de bascule T2 est fixée par le fabricant en fonction des rendements des deux technologies utilisées (PAC et brûleurs).

L'optimisation de la facture énergétique

Un second type de régulation hybride consiste à choisir à tout moment l’énergie de chauffage qui permet d’optimiser sa facture énergétique. La régulation intègre les prix des énergies d’une part et  les rendements sur énergie finale des équipements d’autre part. Le principe consiste à choisir à tout moment  la technologie qui présente le coût énergétique le plus avantageux :

Synoptique d’une installation fonctionnant avec une technologie hybride optimisée en coût des énergies.
Synoptique d’une installation fonctionnant avec une technologie hybride optimisée en coût des énergies.

La PAC est utilisée en base lorsqu’il fait doux et tant que le rapport (coût de l’électricité / COP en énergie finale de la PAC) est supérieur au rapport (coût du gaz naturel / rendement gaz). Autrement dit on utilise la PAC électrique tant que le coût du kWh de chaleur d’origine électrique est inférieur au coût du kWh de chaleur d’origine gaz.Quand la tendance s’inverse, c'est-à-dire qu’il devient plus intéressant économiquement de produire sa chaleur à partir du gaz naturel, la pompe à chaleur électrique se met à l’arrêt.En fonction de l’évolution du prix des énergies, le seuil de bascule T2 de la PAC vers le brûleur gaz peut varier. Cette température T2 est bien sûr différente de la température T2 de l’optimisation en rendement.

Les solutions hybrides intégrant une régulation en prix des énergies sont peu présentes sur le marché. Toutefois, sur les solutions hybrides de type « énergie primaire » la température de bascule de l’électricité vers le gaz naturel est généralement paramétrable. Ainsi, au cas par cas, on peut fixer la température de bascule de ces solutions en intégrant les prix des énergies du site considéré, et pour la période concernée

Optimisation de la durée de vie d'un équipement

Outre une optimisation du rendement sur énergie primaire ou de la facture énergétique, ces solutions hybrides présentent une fiabilité et une longévité plus grande que les solutions tout électrique et les solutions bi-énergies en « base + appoint ». En effet, la PAC électrique est moins soumise aux charges partielles, aux éventuels courts cycles, ainsi qu’aux cycles de dégivrages. Elle est de plus utilisée moins longtemps dans l’hiver car à partir d’une certaine température, elle s’arrête.

Sa durée de vie est donc sensiblement augmentée.

Pour simuler les gain envisageable en fonction du prix des énergies, nous vous proposons cette calculette. [lien vers page de l’outil hybride] – A ne pas intégrer au site pour le moment car le simulateur n’est pas encore disponible.

Les solutions produits

Les solutions hybrides pouvant assurer le chauffage des locaux sont disponibles sous la forme d’aérothermes et de roof top auprès de nombreux fabricants.

Les roof tops hybrides

Le roof top hybride utilise à la fois la technologie du rooftop électrique et celle du rooftop gaz : 

La production de chaleur est assurée par une PAC électrique à détente directe et/ou une rampe gaz avec échangeur fumées / air 

Fonctionnement en mode chauffage: 

 Schéma d’un roof top en mode chauffage.
Schéma d’un roof top en mode chauffage.

La production de froid est assurée par la PAC électrique (le brûleur est bien sur arrêté).

Fonctionnement en mode climatisation:

Schéma d’un roof top en mode refroidissement.
Schéma d’un roof top en mode refroidissement.

Qu’il soit hybride ou pas, le roof top se prête à des locaux de grands volumes, neufs ou existants, comme des hypermarchés, des magasins spécialisés (stockage, …), des salles de spectacles ou encore les locaux industriels. Plusieurs fabricants proposent un roof top bi-énergie hybride dans leur catalogue. On peut notamment citer ETT, Ciat ou Trane.

La gamme de puissance des différents rooftop varie de 30 à 700 kW, en chaud comme en froid, avec des débits d’air de 1 000 à 60 000 m3/h avec modulation systématique. La puissance de chauffe et la puissance frigorifique sont généralement de même niveau.

Les brûleurs gaz sont disponibles sous de multiples variantes : simple allure, double allure, modulant, à condensation, pour des rendements annoncés de 95 % / PCI et jusqu’à 105 % / PCI pour les modèles à condensation.

Enfin le surcoût d’un roof top hybride par rapport à un roof top composé d’une PAC électrique et d’un appoint effet joule est de l’ordre de 10 à 15%.

L'aérotherme bi-énergie hybride

C’est l’association packagée d’un aérotherme gaz naturel et d’une unité électrique à détente directe, qui peut être soit une PAC électrique réversible, soit un groupe froid électrique.

 Schéma de principe d’un aérotherme hybride. Source : Aircalo
Schéma de principe d’un aérotherme hybride. Source : Aircalo

La batterie intérieure de l’unité à détente directe est « clipsée » derrière l’aérotherme, ce qui permet d’utiliser les deux ventilateurs de l’aérotherme gaz pour diffuser les calories/frigories de la PAC.

Ces aérothermes sont fabriqués en France et distribués sous différentes marques comme Aircalo, Solaronics, SEET...

Selon les conditions de fonctionnement (température de soufflage ou les conditions extérieures), la PAC électrique délivre une puissance de chauffage comprise entre 15 et 20 kW. En fonctionnement au gaz naturel, l’aérotherme délivre une puissance de 35 kW (puissance autorisée pour les Etablissements Recevant du Public) avec un rendement de 94 % sur PCI. 

Pour une température extérieure de 7°C et un air soufflé à 20°C, la PAC délivre une puissance de 20,5 kW avec un COP de 3,5 annoncé par le constructeur. 

La puissance frigorifique délivrée par la PAC est  de 17 kW à 35°C d’air extérieur.

Le débit d’air est modulant et peut atteindre 5400 m3/h (deux ventilateurs hélicoïdes).

L’avenir des solutions hybrides passera notamment par un travail approfondi de la fusion des deux technologies (PAC électrique et brûleur gaz naturel), améliorant le basculement d’une technologie vers une autre, mais surtout via un développement plus poussé de la régulation : optimisant d’une part le rendement sur énergie primaire, et d’autre part le prix des énergies. Ainsi les solutions hybrides garantissent d’avantage l’utilisation de l’énergie de chauffage la plus performante en maîtrisant les consommations et par conséquent également la facture énergétique. L’enjeu aujourd’hui est de pouvoir modifier simplement les réglages en fonction de l’évolution des prix des énergies.

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