Concepts à faible exergie pour l’approvisionnement en chaleur des maisons multifamiliales existantes

Les pompes à chaleur sont une technologie clé pour la transition thermique, mais leur mise en œuvre dans les bâtiments multifamiliaux existants est un défi. Ces bâtiments imposent des exigences particulières aux systèmes de transfert pour le chauffage des locaux et l’eau chaude sanitaire ainsi qu’à l’utilisation de la chaleur environnementale. Dans le cadre du projet commun LowEx in the Building Stock, des solutions pour les pompes à chaleur, les systèmes de transfert de chaleur et de ventilation dans les maisons multifamiliales rénovées ont été analysées, développées et démontrées.

Dans le rapport final du projet, l’Institut Fraunhofer pour les systèmes d’énergie solaire ISE, l’Institut pour l’ingénierie des systèmes durables INATECH de l’Université de Fribourg et l’Institut de technologie de Karlsruhe KIT présentent les solutions résultantes et quelques exemples d’objets de démonstration.

Un regard sur le secteur de la construction montre aujourd’hui clairement que le principal levier de la transition thermique sont les bâtiments existants : 62 % des bâtiments existants ont été construits avant le premier Wärmeschutzverordnung (règlement sur l’isolation thermique) en Allemagne en 1977, et ceux-ci représentent actuellement environ les deux tiers de la consommation d’énergie finale du secteur.

Les pompes à chaleur offrent un potentiel considérable de réduction du CO₂ s’ils sont utilisés dans des systèmes dits LowEx ou à faible exergie. En raison des faibles différences de température entre le fluide caloporteur et la chaleur utile, les pompes à chaleur peuvent fonctionner très efficacement.

Alors que les pompes à chaleur sont de plus en plus utilisées dans les maisons individuelles et bifamiliales dans les bâtiments neufs et existants, elles sont encore peu répandues dans les bâtiments résidentiels à plusieurs étages. Fraunhofer ISE travaille depuis de nombreuses années sur ce sujet qui a récemment attiré une attention croissante en raison de la hausse des prix de l’énergie.

“Les défis ici résident à la fois dans la puissance calorifique plus élevée requise du générateur de chaleur et dans l’emplacement du bâtiment qui se trouve souvent dans des quartiers densément bâtis. De plus, les radiateurs et les systèmes d’eau chaude sanitaire dans les bâtiments multifamiliaux nécessitent souvent des températures de départ élevées “, explique Jeannette Wapler de Fraunhofer ISE. Par conséquent, les solutions du projet se sont concentrées sur les deux thèmes de l’exploitation des sources environnementales dans l’environnement bâti et de l’abaissement des températures du système.

Analyse holistique de l’approvisionnement en chaleur et de la rénovation

Pour l’analyse, des concepts de système ont été attribués à différents types de bâtiments multifamiliaux en effectuant des enquêtes et des évaluations systématiques. Ici, le confort de l’utilisateur, les aspects économiques et la réduction réalisable du CO₂ les émissions ont été prises en compte. L’équipe de recherche a mené une analyse globale de l’apport de chaleur, depuis la source à basse température jusqu’au transfert de chaleur vers les pièces.

Dans l’analyse, le potentiel d’implantation de composantes solaires sur l’enveloppe du bâtiment, les combinaisons possibles de sources de chaleur environnementales et l’utilisation de systèmes hybrides ont été considérés, entre autres.

Nouvelles technologies LowEx pour les maisons multifamiliales

L’équipe de recherche a travaillé avec des partenaires industriels pour développer de nouveaux composants et systèmes LowEx pour les maisons multifamiliales dans cinq sous-projets. Par exemple, un système de pompe à chaleur multi-sources a été développé en collaboration avec le fabricant de chauffage Viessmann dans le cadre du projet HEAVEN.

Dans les centres-villes, il n’y a souvent pas assez d’espace pour forer des forages pour les sondes géothermiques. L’utilisation de l’air extérieur comme source de chaleur est relativement inefficace et a une émission de bruit plus élevée. Le système de pompe à chaleur multi-sources combine les avantages des deux sources de chaleur : l’air extérieur et le sol. Avec cette combinaison, une zone de forage plus petite est obtenue tout en conservant le rendement élevé d’une pompe à chaleur à saumure.

“La ventilation intérieure décentralisée joue également un rôle important dans la rénovation énergétique des maisons multifamiliales existantes. Il existe un potentiel d’économie d’énergie considérable qui n’est pas encore exploité dans ce domaine. De plus, l’installation ultérieure est nettement plus facile et plus rentable”, explique le professeur. Andreas Wagner du KIT. Dans le projet, le contrôle des systèmes de ventilation décentralisés a été optimisé et une méthode d’évaluation de ces dispositifs a été développée.

Pour ce faire, un contrôleur d’auto-apprentissage centré sur l’occupant pour les ventilateurs pendulaires décentralisés a été développé à Fraunhofer ISE et démontré avec succès dans le KIT Energy Smart Home Lab.

Dans d’autres projets, un système hybride (pompe à chaleur en combinaison avec un générateur de chaleur à combustible fossile), une pompe à chaleur avec un circuit de réfrigérant basé sur le réfrigérant naturel propane, des unités de ventilation intégrées à la façade et des pompes à chaleur à haute température ont été développés.

Des démonstrateurs prouvent la faisabilité des pompes à chaleur dans les bâtiments existants

Les technologies d’approvisionnement développées dans les sous-projets singuliers ont été démontrées dans trois projets de rénovation exemplaires. Des mesures et des évaluations détaillées ont accompagné les installations dans les maisons multifamiliales. “Les collaborations avec l’industrie du logement, l’industrie des pompes à chaleur et les fournisseurs d’énergie, qui ont tous apporté leurs différentes perspectives au projet, ont été très précieuses”, explique le chef de groupe, le Dr Constanze Bongs de Fraunhofer ISE.

Les scientifiques ont analysé à la fois les performances des systèmes à faible exergie installés ainsi que le processus de rénovation énergétique lui-même.

En coopération avec KES Karlsruher Energieservice GmbH, l’équipe a réalisé un concept d’approvisionnement énergétique complexe pour cinq immeubles d’appartements existants avec 160 appartements à Karlsruhe-Durlach. Les nouveaux concepts d’approvisionnement en énergie reposent sur une combinaison intelligente de technologies : un système photovoltaïque est installé sur chacun des cinq toits du bâtiment. Pour deux des bâtiments, des pompes à chaleur et une chaudière à gaz de pointe ont été installées pour fournir de la chaleur.

Pour atteindre une faible teneur en CO₂ génération de chaleur dans ces bâtiments, les pompes à chaleur ont été conçues pour avoir le taux de couverture maximal possible, la chaudière à gaz fonctionnant rarement en conséquence. Dans l’un de ces bâtiments, un système de pompe à chaleur avec une source de chaleur combinée (air extérieur, chaleur géothermique) qui a été développé dans le projet HEAVEN a été installé. Un autre système de pompe à chaleur utilise des collecteurs PVT hybrides comme seule source de chaleur.

Les trois autres bâtiments sont raccordés à un réseau de chauffage local alimenté par des unités de cogénération au gaz naturel. L’électricité générée par les systèmes est utilisée pour faire fonctionner économiquement les pompes à chaleur décentralisées. Les pompes à chaleur, les unités de cogénération et les systèmes photovoltaïques sont tous interconnectés et contrôlés par un système de gestion de l’énergie afin que les pompes à chaleur fonctionnent aussi économiquement que possible en utilisant de l’électricité produite localement.

Au cours des six premiers mois de fonctionnement, l’hydraulique multi-sources HEAVEN a atteint des températures de source élevées avec une valeur moyenne de 8 degrés Celsius, ce qui a contribué à un bon facteur de performance annuel de 3,2 au cours du premier semestre de fonctionnement (février-juillet 2022) dans lequel les évaluations ont eu lieu. Le fait que la chaudière à gaz de pointe représentait 31 % de la chaleur fournie est principalement dû aux exigences de température élevées pour l’eau chaude sanitaire hygiénique.

Dans l’ensemble, le système a atteint le CO₂ des économies d’émissions équivalentes de 42 % par rapport au début du projet. Par rapport à la construction originale du bâtiment non isolé en 1963, les économies d’émissions sont équivalentes à 73 %. Fonctionnement optimisé avec une moindre consommation de gaz, un meilleur rendement de la pompe à chaleur ou l’utilisation d’un mix électrique avec moins de CO₂ l’intensité peut réduire davantage le CO₂ émissions à l’avenir. Le concept énergétique modèle peut être transféré à d’autres quartiers avec des bâtiments multifamiliaux existants.

“Les maisons multifamiliales de démonstration de ce projet ont prouvé la faisabilité de la modernisation de maisons multifamiliales avec des pompes à chaleur et des technologies à faible exergie. Pour obtenir un fonctionnement optimal, il est important de prendre en compte la situation donnée, y compris les systèmes de distribution de chaleur et la quantité d’espace dans le Pendant la rénovation, il est également essentiel d’effectuer un bilan hydraulique du système de chauffage et de vérifier si les températures de départ peuvent être encore réduites, par exemple en remplaçant les radiateurs individuels », explique le Dr.-Ing. Manuel Lämmle, chef de projet à INATECH.

L’équipe estime qu’il est nécessaire de poursuivre les recherches dans ce domaine. En particulier, le développement de solutions pour remplacer les systèmes de chauffage au gaz de plain-pied et pour la fourniture de hautes températures et de chauffage d’eau chaude sanitaire avec des pompes à chaleur. Dans le nouveau projet LCR290, des pompes à chaleur avec le propane réfrigérant respectueux de l’environnement sont en cours de développement pour une utilisation dans les maisons multifamiliales.

Fourni par l’Institut Fraunhofer pour les systèmes d’énergie solaire ISE