Analyse énergétique et exergétique d’un système expérimental de production d’eau chaude sanitaire

Arnaud Lapertot1,⋆^{1,\star}, Jean-Henry Ferrasse2^{2}, Thomas Fasquelle3^{3}, Benjamin Kadoch3^{3}, Olivier Le Métayer3^{3}
⋆^{\star} : alapertot@estp-paris.eu
1^{1} Institut de Recherche en Constructibilité, ESTP Paris, 94230 Cachan, France
2^{2} Aix-Marseille Univ, CNRS, Centrale Marseille, M2P2, France
3^{3} Aix Marseille Université, CNRS, IUSTI UMR 7343, 13453, Marseille, France
Mots clés : Analyse énergétique et exergétique ; eau chaude sanitaire ; échangeur de chaleur ; pompe à chaleur ; régime transitoire ; stockage thermique.
Résumé :

L’Eau Chaude Sanitaire (ECS) devient un poste de consommation énergétique de plus en plus important dans le secteur du bâtiment qui, contrairement au chauffage, n’a pas subi de nettes améliorations ces dernières décennies. Pour améliorer le rendement des systèmes de production, il est possible d’utiliser une Pompe à Chaleur (PAC) couplé à un stockage thermique. La quantité et la qualité de l’énergie mis en jeu peuvent être évaluées à travers des analyses énergétiques et exergétiques du système.

Le dispositif expérimental permettant de produire de l’ECS est composé d’une PAC eau-eau qui récupère l’énergie de l’air extrait d’un bâtiment collectif à partir d’un échangeur air-eau. Après valorisation, cette énergie est transférée via un échangeur à plaques au ballon de stockage thermique d’ECS. Diverses conditions météorologiques et tailles de bâtiments peuvent être prises en compte en faisant varier la température et le débit de l’air extrait.

Tout d’abord, les premier et second principes de la thermodynamique sont appliqués sur l’ensemble des composants et sur le système complet en régime transitoire. Le premier principe permet de quantifier les pertes thermiques de chaque composant et le second principe est utilisé pour déterminer les irréversibilités du système. Le couplage des deux principes permet l’analyse par bilan exergétique des composants et du système. Enfin, ces bilans permettent de quantifier et de comparer les performances des composants et du système thermodynamique étudiés à travers différentes grandeurs telles que l’efficacité, le coefficient de performance ou les rendements énergétiques et exergétiques. Des analyses seront effectuées pendant une période de chauffe du ballon en partant d’une température initiale à 13∘^{\circ}C jusqu’à une température de consigne de 53∘^{\circ}C. Deux types de résultats seront présentés : des résultats dynamiques et des résultats intégrés sur la période considérée.

Les résultats montrent que le système subit peu de pertes thermiques, mais les conditions de fonctionnement engendrent des irréversibilités importantes. La comparaison des rendements indique que le rendement énergétique du système diminue pendant le chauffage du ballon alors que le rendement exergétique augmente. Cette dernière a été amélioré quand la différence de températures entre la source froide et chaude augmente. Cela signifie que la valorisation de l’énergie est améliorée au cours du temps. D’autres résultats présenteront l’effet de la variation des conditions opératoires sur les divers rendements au cours du temps.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2023-006

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