Plusieurs installations pilotes ont été réalisées pendant l’hiver 2024-2025 dans le but de valider et d’affiner le fonctionnement du système PAC solarothermique (appelé MAX) avant la phase de lancement commercial. 

Ils ont principalement permis de valider la conception des produits et de leur mise en œuvre, ainsi que d’adapter la régulation de la PAC.

Cet article a pour objectif de synthétiser les résultats obtenus sur deux installations qui se trouvent en zone H1 (zone climatique froide), à Chavelot dans les Vosges, et à Villette-lès-Dole dans le Jura. 

A noter que sur ces deux pilotes un sous-dimensionnement des panneaux est considéré pour étudier les limites du système. En effet, un ratio de 1,25 PVT par 1 kW calorifique de la PAC a été appliqué (vs 1,5 PVT préconisé par 1 kW calorifique).

Les deux PAC solarothermiques intègrent une instrumentation de mesure complète sur les différents composants. Dans le cadre de l’analyse réalisée, les points de mesure qui nous intéressent sont les suivants :

• le bilan calorimétrique au niveau de l’évaporateur de la PAC (circuit de captage des panneaux SPRING MAX) : débit, température entrée et sortie. 

• le bilan calorimétrique au niveau du condenseur de la PAC (circuit de production pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire) : débit, température entrée et sortie

• la consommation électrique de la PAC alimentant le compresseur et les circulateurs  (captage et production)

• la fréquence de fonctionnement du compresseur 

• la consigne de température du chauffage ainsi que la valeur de température mesurée dans la maison

• la consigne de température de l’eau chaude sanitaire ainsi que la valeur de température mesurée dans le ballon d’eau chaude sanitaire

Ces données sont remontées et extraites directement en ligne via le logiciel de la PAC Arkteos. L’intervalle de temps est de 5 minutes.

Dans un premier temps, on étudie les distributions et l’évolution temporelle des grandeurs principales. Par exemple, la distribution de l’écart entre la température intérieure et la consigne nous renseigne sur le confort thermique. Son évolution nous permet d’identifier les intervalles de temps plus ou moins critiques.

Ensuite, les données sont regroupées : 

• par mois ou par jour : on calcule les quantités d’énergies totales produites et consommées et on peut les mettre en perspective des distributions de températures extérieures.

• par phase de fonctionnement de la pompe à chaleur (soit pour le chauffage soit pour la production d’eau chaude sanitaire).

Ces données agrégées peuvent être mises en perspective de la température ambiante extérieure moyenne mesurée qui est un des principaux déterminants du fonctionnement du système. En effet, elle influence la demande thermique du bâtiment, la température de sortie condenseur via la loi d’eau mais aussi le niveau de température en sortie du champ solaire (entrée de l’évaporateur de la pompe à chaleur).

A noter que sur l’installation de Villette-lès-Dole,  la période entre fin décembre et fin janvier a permis d’ajuster la régulation de la PAC, les résultats présentés ici ne commencent donc qu’à partir de fin janvier 2025.

Premièrement, le confort thermique des utilisateurs a été respecté, ce qui est le plus important. Les seules fois où la température intérieure descendait à  1°C en dessous de la consigne, c’était pendant les phases de transition lorsque la température de consigne était augmentée (le temps d’atteindre la consigne)  :

A Chavelot, la température intérieure dépasse parfois la température de consigne de 3 ou 4°C grâce aux journées ensoleillées et à la grande baie vitrée exposée plein sud (la PAC n’est donc pas à l’origine de ce dépassement de la consigne). 

A Villette-lès-Dole, la température intérieure s’est retrouvée dans 5% des cas entre 1 et 2°C en dessous de la consigne lors des transitions nuit/jour et de l’augmentation de la consigne pendant cette phase (la maison fait 160m², il faut un peu de temps pour que la PAC remonte la température de la maison de quelques degrés).

Nous avons regroupé sur le graphique suivant la production et la consommation énergétique des installations sur une durée de 30 jours (février pour Villette, mars pour Chavelot) : 

La première chose remarquable est qu’il n’y a quasiment pas eu recours à l’appoint électrique pendant ces périodes (0,5%). Ce qui permet d’en déduire le facteur de performance (ou “COP moyen” sur cette période) : 

• 3,4 à Chavelot (mars) 

• 2,8 à Villette (février). 

Néanmoins ce chiffre ne prend pas en compte l’autoconsommation photovoltaïque qui a bien sûr réduit la consommation électrique de la PAC venant du réseau. A Chavelot par exemple, la production de l’installation PV de 6,3 kWc a été autoconsommée à 30% cet hiver.

Les figures ci-dessous montrent l’évolution du facteur de performance (dit PF) de tous les cycles d’activation de la PAC en fonction de la température extérieure. Les deux modes de fonctionnement (eau chaude sanitaire et chauffage) sont distingués par un encadrement des points correspondant aux cycles d’eau chaude sanitaire pour lesquels la consigne en sortie du condenseur est généralement supérieure à celle en chauffage. La consigne des cycles du chauffage suit une loi d’eau implémentée dans la PAC selon le type d’émetteurs de chaleur présents dans la maison.

La taille et la couleur des points correspondent respectivement (selon les légendes des courbes) à la durée du cycle d’activation et à la consigne en sortie du condenseur de la PAC.

Le fonctionnement des deux PAC solarothermiques partagent les éléments communs suivants :

• Le facteur de performance augmente avec l’augmentation de la température extérieure. En effet, la température en sortie condenseur diminue, et la température en entrée de l’évaporateur augmente (l'écart avec la température extérieure restant relativement constant), ce qui élève la performance de la PAC (réduction de l'écart de température entre condenseur et évaporateur).

• La consigne en sortie du condenseur est plus élevée lors des cycles de production d’eau chaude sanitaire par rapport à des cycles de chauffage. Ce qui montre que pour la même température extérieure, le facteur de performance de la PAC est plus faible lorsque le ballon d’eau chaude sanitaire est alimenté.

• La taille ainsi que la consigne (tracée par la couleur) des points présentant les cycles de chauffage augmentent avec la diminution de la température extérieure. Cela reflète la consigne adaptative en sortie du condenseur pour maintenir l’intérieur de la maison à sa consigne de chauffage.

• Les performances des PAC sont conformes au dimensionnement considéré pour ces deux installations pilotes: lorsque la température extérieure est inférieure à -2°C, le PF du cycle est inférieur à 2. Ce dernier monte à 6-7 lorsque la température extérieure est supérieure à 10°C, aidée par les éventuels rayonnements solaires en jour.

La comparaison entre les deux graphes montrent qu’il a fait plus froid à l’extérieur sur la période de fonctionnement de la PAC à Villette-Lès-Doles par rapport à Chavelot. C’est une des raisons pour lesquelles le facteur de performance global à Chavelot est meilleur qu’à Villette-Lès-Doles, comme mentionné dans la sous-section précédente.

Il est également intéressant de regarder la différence de fonctionnement entre le nuit et le jour, notamment en durée de fonctionnement, et en performance  :

Ce graphique montre clairement que les PAC fonctionnent beaucoup plus la nuit que le jour (normal pour du chauffage), néanmoins nous pourrions étudier l’influence d’un stockage tampon chaud plus grand pour augmenter le fonctionnement de la PAC pendant la journée. Sachant qu’il est déjà possible de régler les plages horaires de fonctionnement de l’ECS en journée. 

Bien sûr, lorsqu’il y a du rayonnement solaire en journée, la performance de la PAC est supérieure, atteignant parfois des COP de 7. 

Regardons maintenant l’évolution de la différence de températures entre l’entrée évaporateur de la PAC (ce que les panneaux envoient à la PAC), et la température de l’air:  

Cette différence de température représente le pincement entre le panneau et l’air (donc l’efficacité de l’échange thermique). Il est directement lié au besoin de dégivrage des panneaux qui sera présenté plus bas. 

Ce pincement passe en positif grâce au rayonnement solaire en journée, la nuit il sera forcément négatif étant donné que la seule source de calorie pour le panneau est l’air. En journée, en plus de l’air, le panneau bénéficie directement de la chaleur de la partie photovoltaïque qui chauffe au soleil, ce qui augmente l’énergie transmise à la PAC et donc son efficacité. 

En fonction de la température ambiante et du pincement entre le panneau et l’air, des phénomènes différents s’observent sur le panneau. On peut notamment constater 3 états différents : 

• sec

• condensation 

• givre 

Le graphique ci-après représente ces 3 états en fonction des conditions extérieurs :

Ces changements n’impactent pas tout le temps à la baisse la performance des panneaux. Nous pouvons constater sur le graphique suivant que lorsqu’il y a phénomène de condensation, un léger givre en plus de la condensation, ou lorsqu’il pleut, cela augmente l’efficacité de l’échange thermique, et donc du système : 

Néanmoins les conditions météos pendant ces différents phénomènes sont assez variables, notamment le vent qui a une grande influence dans cet échange avec l’air. 

Mais on peut déduire de la comparaison des moyennes que :

• Le phénomène de condensation améliore de plus de 20% le coefficient d’échange thermique des panneaux par rapport à un état sec. En effet, les panneaux thermiques semblent profiter de la chaleur latente générée par le changement de phase (de l’état gazeux à l’état liquide). La condensation de la vapeur d’eau contenue dans l’air extérieur se produit sur la surface avant et arrière des panneaux SPRING MAX lorsque la température du fluide traversant l’échangeur thermique est inférieure à la température de rosée.
  

• Lorsque la température du fluide traversant l’échangeur thermique s’approche de la température de fusion de l’eau, la vapeur d’eau condensée sur la surface des panneaux commence à givrer : ce phénomène de léger givre  apporte de la chaleur aux panneaux solaires ce qui améliorerait de plus de 10% l’échange thermique avec l’air.
  

• Lorsque l’activation de la PAC dure plus d’une heure et que la température extérieure est négative, le givre se stabilise sur la surface des panneaux et forme alors une couche “isolante”. L’impact de ce phénomène de givre stable est plutôt négatif sur l’échange thermique des panneaux SPRING MAX qui est réduit d’environ 30% en moyenne par rapport à celui à sec.
  

• Les précipitations provenant de l’atmosphère semblent être bénéfiques au coefficient d’échange thermique des panneaux avec l’air extérieur : la pluie l’améliore d’environ 10% alors que la neige de seulement 1 à 2%.

Voici un timelapse des panneaux givrés en fonctionnement à Chavelot :

Voici un timelapse des panneaux en fonctionnement avec de la neige à Chavelot : 

Les résultats de cette sous-section montrent que les panneaux SPRING MAX fonctionnent bien de nuit comme de jour même sous certaines conditions météorologiques extrêmes. En effet, ils sont capables d’assurer l’alimentation thermique de la PAC pour qu’elle assure l’ensemble des besoins thermique de la maison sans recours à son appoint électrique, même lorsqu’il neige, pleut ou que le panneau est givré.

Pour plus de détails sur l’impact de ces différents phénomènes, consultez cet article dédié : Quel est l’impact de la condensation, du givre ou de la neige sur la performance d’un système solarothermique avec des panneaux solaires SPRING4 MAX ?

Il y a quand même des situations où il faut dégivrer les panneaux, mais de manière moins intense et fréquente que pour l’unité extérieure d’une PAC air/eau. 

La PAC INVELIA a l’avantage d'intégrer à sa régulation interne une fonction de dégivrage en inversant son cycle thermodynamique et en puisant dans le ballon tampon chaud. Ce réglage a été affiné cet hiver sur ces installations pilotes : il faut à la fois éviter la formation trop importante de givre à la surface des panneaux, et minimiser l’énergie dépensée pour le faire. 

 Il  n’y a pas eu de cycle de dégivrage à Chavelot depuis fin février. 

Et il y a eu seulement 11 cycles de dégivrage sur l’installation de Villette-lès-Dole depuis fin janvier. Un seul cycle de dégivrage par jour d’une durée de 15 minutes débutant toujours entre 6h30 et 8h00 suite à une nuit où la température extérieure est négative (voir courbes ci-dessous).

Les courbes temporelles de fonctionnement de cette PAC montrent que ces cycles de dégivrage sont dus à l’augmentation de la consigne de la maison ayant lieu à 5h00 tous les jours. En effet, la consigne passe de 19 à 20 °C (voir les courbes d’évolution temporelle de températures entre 4h30 et 8h30 du 18 février ci-dessous).

Ces courbes montrent :

• que ces cycles de dégivrage n’ont aucun impact sur la température ambiante intérieure de la maison dont la courbe reste collée à la courbe de la consigne

• que les températures en entrée et en sortie des panneaux solaires augmentent brusquement tandis que celles en entrée et en sortie des ballons chaud diminuent :  c’est normal et dû à l’inversion du cycle thermodynamique de la PAC. 

Les bilans énergétiques montrent que pour les 11 cycles de dégivrage :

• La somme de l’énergie thermique puisée dans le ballon chaud est d’environ 18 kWh. Ce qui représente 1,3% seulement de l’énergie produite par la PAC pour le chauffage sur un mois (1383 kWh),
  
  

• La somme de l’énergie électrique consommée par la PAC est égale à 3,6 kWh (EER ~ 4,9). Ce qui représente environ 0,7% seulement de l’énergie consommée par la PAC sur un mois (474 kWh),
  
  

• La somme de l’énergie thermique envoyée dans les panneaux est égale à environ 29 kWh. Ce qui représente environ 3,2% de l’énergie thermique produite par les panneaux sur un mois (environ 900 kWh).

Ces résultats sont prometteurs et valident la conception du système combinant les SPRING MAX de Dualsun et la PAC Invelia d’Arkteos.

Malgré le léger sous-dimensionnement des SPRING MAX, les points suivants ont été montrés :

• Le confort thermique est assuré à l’intérieur du foyer, avec un très faible recours à l’appoint électrique de la PAC malgré les conditions météorologiques parfois extrêmes (température extérieure négative, neige)

• Les performances du système sont conformes à son dimensionnement (environ 1,25 panneau par kW de PAC) avec des facteurs de performance (compresseur, driver et appoint) estimés à 2,8 et 3,4 respectivement à Villette-lès-Dole et Chavelot sur leur période de fonctionnement étudiée

• Les panneaux SPRING MAX, qui sont  la seule source froide de la PAC, ont assuré l’alimentation thermique de l’évaporateur de la PAC dans les différents états de fonctionnement observés (neige, givrage, condensation, pluie, etc.).

• Les cycles de dégivrage, nécessaires au bon fonctionnement du système, sont peu fréquents (1 fois par jour lorsque la température extérieure est négative) et peu énergivores (<1% comparés à la consommation d’énergie de la PAC sur la période étudiée)