Evaluation des PAC : l’alliance du virtuel et du réel

La plate-forme géothermique

C’est un véritable champ de sondes thermiques, planté en double U et à 20 mètres de profondeur. Cet équipement permet d’extraire l’énergie du sol mais aussi d’en injecter. Ce champ de sondes est connecté au laboratoire semi-virtuel du CSTB, le PEPSY, ou Plateforme d’Evaluation des Performances des SYstèmes à caractéristiques variables. A l’aide de ces deux plates-formes, on peut évaluer le comportement et les performances du système global d’une PAC géothermique. Les sondes géothermiques peuvent être connectées à une pompe à chaleur (PAC) et à un bâtiment virtuel, ou aussi couplées à une PAC réelle, elle-même connectée au réseau hydraulique d’un bâtiment virtuel. Dans ce cas de figure, la partie du système devant être testée (PAC, ballon de stockage, pompes, régulation etc.) est réellement installée dans le laboratoire, tandis que le bâtiment ou la maison (avec sa distribution et ses émissions de chaleur, ses occupants, ses équipements, son climat et ses échangeurs géothermiques) est simulé. La limite entre les parties « réelles » et « virtuelles » pouvant être librement déterminée en fonction du produit à tester… (Voir schéma).

Une adaptabilité au service d’un système complet

Cette adaptabilité est tout l’intérêt de cette plate-forme expérimentale : le comportement et les performances de la PAC sont évalués sur la base d’un système complet alliant sondes géothermiques, PAC et bâtiment. Contrairement aux essais classiques, les performances ne sont pas des performances nominales, mais annuelles ou saisonnières (pour l’exemple du chauffage, le COP - Coefficient de Performance -, n’est pas un COP nominal mais un COP annuel ou saisonnier). De plus, la robustesse de la régulation du produit est testée en même temps, ce qui n’est pas le cas aujourd’hui pour les tests normatifs. Les données sur la source, l’émission, la PAC et les auxiliaires sont donc intégrées à celles relevant de l’inertie du système global, de la régulation du bâtiment, etc. Résultat ? Une analyse et un calcul de performance globale intégrant l’ensemble des paramètres : équipements déjà existants, climat, typologie et usage de bâtiment, etc. Un véritable avantage pour les fabricants cherchant à optimiser leurs produits industriels ou à améliorer leurs prototypes : la même PAC peut être optimisée, dans des périodes courtes et en quelques tests, pour un ensemble de climats, de bâtiments ou de types de sols différents tout en garantissant des résultats proches du réel.

Gain de temps, gain d’argent

Pompe à chaleur

Un avantage qui n’a pas de prix… Car on le sait, un véritable suivi est habituellement indispensable pour évaluer les performances d’une installation PAC géothermique. Ce suivi « réel » prend en général un an, voire plusieurs années : une saison de chauffe, de refroidissement, respectant ainsi le rythme naturel des saisons. A grande échelle, ces suivis sont non seulement longs mais extrêmement coûteux. Or, le CSTB a mis au point une méthodologie unique passant outre ces contraintes. Il s’agit d’une séquence d’essais de 12 jours définie sur la base de données climatiques (par exemple, de fichiers météo de référence). Un calcul numérique détermine automatiquement la séquence d’essai appropriée. Dans ce test - où un jour d’essai correspond à un jour représentatif de chaque mois - les températures de départ de la PAC (coté évaporateur et coté condenseur), ainsi que les débits correspondants, sont mesurés et envoyés à l’environnement virtuel, à chaque pas de simulation - soit toutes les 5 secondes. En retour, l’environnement simulé calcule les conditions de retour des fluides dans les boucles de charge et de décharge de la plateforme. Pour que la PAC et sa régulation se « croient » dans un bâtiment réel, les sondes de températures, telles que la température de zone ou la température extérieures, sont remplacées par des boîtes à résistance variable, reproduisant exactement les températures du système virtuel.

Peter Riederer, du laboratoire de géothermie du CSTB, conclut : « 12 jours contre 365 c’est évidemment intéressant ! On pourrait même encore réduire ce temps pour une partie des systèmes. En tout cas, nous y travaillons… »

Très basse température

Les différents projets en cours au CSTB ne concernent que la géothermie dite de « très basse température », c’est-à-dire à un niveau nécessitant une pompe à chaleur. La notion de « géothermie », d’ailleurs, est quelque peu abusive pour une partie des échangeurs géothermiques (capteurs horizontaux et corbeilles) : à ce niveau du sol, en effet, la chaleur stockée par le terrain provient davantage de l’énergie solaire ou du ruissellement d’eau de pluie que des profondeurs de la croûte terrestre.

Plusieurs plates-formes d’essais à disposition

Raccordement des sondes au distributeur / collecteur