Intégration des pompes à chaleur domestiques avec l'énergie solaire photovoltaïque et le stockage sur batterie

Raccordements du système hydronique pour les systèmes de pompe à chaleur

Les chercheurs du Fraunhofer ISE ont exploré le potentiel des systèmes d'énergie solaire résidentiels sur les toits, en particulier la manière dont ils peuvent fonctionner en tandem avec des pompes à chaleur et un stockage par batterie.

Leur étude s'est concentrée sur une maison unifamiliale construite dans les années 1960 à Fribourg, en Allemagne, équipée d'un système combinant des panneaux photovoltaïques (PV), une pompe à chaleur et un stockage par batterie, le tout géré par un réseau intelligent (SG). contrôle prêt. Shubham Baraskar, un chercheur, a expliqué au magazine PV que le contrôle intelligent augmentait efficacement le fonctionnement de la pompe à chaleur en augmentant les températures de consigne. Par exemple, le contrôle a augmenté la température d'alimentation de 4,1 Kelvin pour la préparation d'eau chaude, ce qui a entraîné une diminution de 5,7 % du facteur de performance saisonnier (SPF), de 3,5 à 3,3. En mode chauffage des locaux, la commande intelligente a réduit le SPF de 4 %, de 5,0 à 4,8.

Le SPF, semblable au coefficient de performance (COP), diffère en ce sens qu'il est calculé sur une période plus longue dans des conditions variables. 

Baraskar et son équipe ont détaillé leurs conclusions dans leur étude intitulée "Analyse des performances et du fonctionnement d'un système de pompe à chaleur à batterie photovoltaïque basée sur des données de mesure sur le terrain", publiée dans Solar Energy Advances. Ils ont noté que les principaux avantages des systèmes de pompes à chaleur photovoltaïques sont une consommation réduite du réseau et des coûts d'électricité inférieurs.

Le système de pompe à chaleur présenté est une unité géothermique de 13,9 kW avec stockage tampon pour le chauffage des locaux. Il comprend également un ballon et une station d'eau douce pour la production d'eau chaude sanitaire (ECS), tous deux équipés de chauffages d'appoint électriques.

Le système solaire photovoltaïque est orienté vers le sud avec un angle d'inclinaison de 30 degrés, offrant une puissance de 12,3 kW et couvrant 60 mètres carrés. La batterie couplée au courant continu a une capacité de 11,7 kWh. La maison sélectionnée a une surface chauffée de 256 m² et une demande annuelle de chauffage de 84,3 kWh/m²a.

Les chercheurs ont expliqué que l'énergie continue des unités photovoltaïques et des batteries est convertie en courant alternatif via un onduleur d'une puissance maximale de 12 kW et d'un rendement européen de 95 %. La commande SG-ready interagit avec le réseau électrique, ajustant le fonctionnement du système en conséquence. Cela permet de réduire la pression sur le réseau pendant les périodes de charge élevée en éteignant la pompe à chaleur ou en l'activant dans des situations inverses.

Dans le système conçu par les chercheurs, l'énergie solaire produite par les panneaux photovoltaïques est d'abord utilisée pour les besoins des ménages. Toute puissance supplémentaire est ensuite dirigée vers la batterie. Ce n'est que lorsque les besoins de la maison sont satisfaits et que la batterie est complètement chargée que l'énergie excédentaire est envoyée au réseau. À l'inverse, si le système photovoltaïque et la batterie ne peuvent pas répondre aux besoins énergétiques de la maison, l'électricité du réseau est utilisée.

L'équipe a souligné que le mode SG-Ready s'active lorsque la batterie est complètement chargée ou en charge à son maximum, et qu'il reste encore un surplus d'énergie solaire. Il s'éteint lorsque l'énergie solaire est inférieure à la demande de la maison pendant au moins 10 minutes.

Leur étude, qui portait sur des données détaillées d'une minute de janvier à décembre 2022, a examiné les niveaux d'autoconsommation, la fraction solaire, l'efficacité de la pompe à chaleur, ainsi que l'impact du système photovoltaïque et de la batterie sur les performances de la pompe à chaleur. Ils ont constaté que le contrôle SG-Ready augmentait les températures d'alimentation de la pompe à chaleur de 4,1 K pour l'eau chaude sanitaire (ECS) et atteignait un taux d'autoconsommation de 42,9 % sur l'année, conduisant à des économies financières pour les propriétaires.

La demande en électricité pour la pompe à chaleur était couverte à 36 % par le système PV/batterie, dont 51 % en mode ECS et 28 % en mode chauffage des locaux. Cependant, ils ont noté que des températures plus élevées réduisaient l'efficacité de la pompe à chaleur de 5,7 % en mode ECS et de 4,0 % en mode chauffage.

Baraskar a souligné un inconvénient du chauffage des locaux : le contrôle intelligent faisait parfois fonctionner la pompe à chaleur au-dessus des températures de chauffage nécessaires en raison d'une augmentation probable de la température de consigne de stockage, même lorsque le chauffage n'était pas nécessaire. Il a également mentionné le potentiel d'augmentation des pertes de chaleur en raison de températures de stockage trop élevées.

L'équipe prévoit d'explorer davantage de combinaisons de systèmes PV/pompes à chaleur avec diverses configurations et contrôles à l'avenir. Ils ont souligné que ces résultats sont spécifiques aux systèmes qu'ils ont testés et peuvent varier en fonction des spécifications des différents bâtiments et systèmes énergétiques.