Perspectives de la combinaison du PVT avec les pompes à chaleur aérothermiques et géothermiques

Introduction

Sous l'impulsion de la stratégie mondiale de neutralité carbone, les systèmes énergétiques des bâtiments et des industries évoluent rapidement vers la propreté et l'efficacité. L'intégration photovoltaïque et solaire thermique (PVT), les pompes à chaleur aérothermiques (PACA) et les pompes à chaleur géothermiques (PCG) sont progressivement devenues des technologies emblématiques. Le système PVT assure à la fois la production d'électricité et le chauffage, tandis que divers types de pompes à chaleur permettent de capter efficacement la chaleur ambiante à partir de l'air ou du sol pour le chauffage et la climatisation. L'association organique du PVT aux pompes à chaleur aérothermiques et géothermiques permet d'obtenir une solution énergétique complète intégrant électricité, chaleur et froid, ouvrant ainsi une nouvelle voie aux économies d'énergie dans les bâtiments et au développement de l'énergie décentralisée.

I. Brève description des principes de fonctionnement des systèmes PVT et des pompes à chaleur

1. Système PVT

Le PVT est un système intégrant l'énergie photovoltaïque et solaire thermique. La partie photovoltaïque convertit l'énergie radiante en énergie électrique grâce à des cellules solaires. La partie solaire thermique récupère la chaleur résiduelle des panneaux photovoltaïques via la paroi arrière ou des canalisations pour chauffer l'eau ou l'air. Le PVT améliore non seulement le rendement énergétique des modules photovoltaïques, mais fournit également un complément d'énergie thermique.

2. Pompe à chaleur à air (PAC)

La thermopompe à air transfère la chaleur de faible intensité de l'air vers l'eau ou l'air grâce à des composants tels que des compresseurs, des évaporateurs et des condenseurs, pour le chauffage ou le refroidissement. Son coefficient de performance (COP) est généralement compris entre 2,5 et 4,5, ce qui signifie que pour chaque unité d'énergie électrique consommée, on peut obtenir de 2,5 à 4,5 unités d'énergie thermique.

3. Pompe à chaleur géothermique (PACG)

La pompe à chaleur géothermique exploite la température relativement stable du sol ou des plans d'eau souterrains pour assurer les échanges de chaleur et de froid. Comparée à la pompe à chaleur à air, la pompe à chaleur géothermique est moins sensible à la température ambiante et présente un rendement énergétique plus stable, mais son coût d'installation est plus élevé.

Ii. La logique de la combinaison du PVT et des pompes à chaleur

La combinaison du PVT et des pompes à chaleur n’est pas une simple superposition mais une relation complémentaire :

PVT fournit de l'énergie électrique

Le fonctionnement des pompes à chaleur nécessite de l'électricité. L'électricité produite par le PVT peut alimenter directement la pompe à chaleur, réduisant ainsi la dépendance au réseau électrique.

Le PVT fournit une source de chaleur à basse température

L'efficacité d'une pompe à chaleur est étroitement liée à la température de la source de chaleur. Si la chaleur résiduelle de la plaque arrière du PVT peut être utilisée comme source de chaleur auxiliaire pour l'évaporateur, elle améliorera l'efficacité de la pompe à chaleur, notamment en saison froide.

La pompe à chaleur fonctionne de manière stable

La pompe à chaleur peut continuer à fonctionner la nuit ou les jours nuageux, compensant ainsi les fluctuations énergétiques causées par un rayonnement solaire insuffisant dans le PVT.

Alimentation combinée de refroidissement et de chauffage

Grâce au système combiné PVT et pompe à chaleur, un approvisionnement complet en électricité, eau chaude, chauffage et refroidissement peut être réalisé, répondant aux diverses demandes énergétiques des bâtiments modernes.

III. Les perspectives de la combinaison des pompes à chaleur PVT et aérothermiques

Résoudre le problème de la baisse d'efficacité en hiver

En hiver, à basse température, l'évaporateur d'une pompe à chaleur air-eau est sujet au gel, ce qui diminue considérablement son rendement. Si la chaleur fournie par le PVT pendant la journée peut préchauffer l'évaporateur, cela peut réduire efficacement la fréquence du gel et améliorer l'efficacité opérationnelle.

Convient à l'architecture urbaine

Les bâtiments urbains ont généralement des surfaces de toit limitées et des besoins énergétiques élevés. Le système PVT+ASHP peut être installé sur le toit, produisant de l'électricité, fournissant de la chaleur et offrant de l'eau chaude sanitaire. C'est une solution respectueuse de l'espace.

Analyse économique

Investissement initial : Relativement élevé, mais inférieur à celui des pompes à chaleur géothermiques.

Coût d’exploitation : Réduisez le coût d’achat de l’électricité grâce à l’autoproduction PVT.

Délai de récupération : Il est généralement de 7 à 10 ans dans les régions où les prix de l’énergie sont élevés.

Dossier de candidature

En Italie, en Espagne et ailleurs, certains hôtels ont adopté des systèmes ASHP pilotés par PVT, qui peuvent atteindre l'autosuffisance en énergie verte pour le refroidissement en été et le chauffage en hiver.

IV. Perspectives de la combinaison des pompes à chaleur géothermiques et PVT

Améliorer l'efficacité des pompes à chaleur géothermiques

GSHP consomme de l’énergie électrique. S'il est alimenté par PVT, les coûts d'exploitation peuvent être considérablement réduits.

La chaleur résiduelle du PVT est utilisée comme source de chaleur auxiliaire

En hiver, la température du sous-sol est stable, mais encore relativement basse. Si la chaleur résiduelle générée par le PVT peut être transférée au sous-sol par des tubes d'échange thermique, cela peut améliorer les conditions de fonctionnement de l'évaporateur de la pompe à chaleur géothermique et augmenter le COP global.

Fiabilité opérationnelle à long terme

La pompe à chaleur géothermique (PCG) offre une longue durée de vie et un fonctionnement stable. Associée au PVT, elle constitue un système efficace, sobre en carbone et durable, particulièrement adapté aux bâtiments publics à exploitation durable tels que les écoles, les hôpitaux et les parcs industriels.

Analyse économique

Investissement initial : supérieur à celui de la pompe à chaleur air-eau, principalement en raison des coûts élevés de forage et de pose de tuyaux.

Coût d'exploitation : Le plus bas, en raison de la température souterraine stable et du rapport d'efficacité énergétique élevé.

Période de récupération : Généralement de 8 à 12 ans, mais la durée de vie peut atteindre plus de 20 ans.

Scénarios d'application

La combinaison PVT et GSHP est plus adaptée aux régions froides telles que l'Europe du Nord et l'Allemagne, qui peuvent répondre aux besoins de chauffage et d'eau chaude sanitaire tout au long de l'année.

V. Défis techniques et applicatifs

Coût initial élevé

Qu'il s'agisse d'une pompe à chaleur air-eau ou d'une pompe à chaleur géothermique, la complexité du système augmente lorsqu'elle est combinée avec le PVT, et le seuil d'investissement reste relativement élevé.

Problème de correspondance du système

Les caractéristiques de sortie de la production d'énergie et du chauffage PVT ne correspondent pas entièrement aux exigences des pompes à chaleur, et un contrôle intelligent et un stockage d'énergie sont nécessaires en coordination.

Normes et promotion insuffisantes

À l’heure actuelle, il n’existe pas de normes unifiées pour les pompes à chaleur PVT+ et l’expérience en matière de conception technique et de construction est limitée.

Faible sensibilisation des utilisateurs

Le marché a une certaine compréhension des technologies individuelles PVT et pompe à chaleur, mais il n'est pas encore familier avec le système composite combiné des deux, et des projets de démonstration sont nécessaires à la promotion.

Vi. Orientations de développement futures

Système de contrôle intelligent

Grâce à l’intelligence artificielle et à l’Internet des objets, une correspondance en temps réel entre la puissance du PVT et la charge de la pompe à chaleur est obtenue pour optimiser les stratégies d’exploitation.

Combiné à la technologie de stockage d'énergie

Stockage d'énergie électrique : Stocke l'électricité pendant la journée et fait fonctionner les pompes à chaleur la nuit.

Stockage d'énergie thermique : La chaleur perdue générée par le PVT est stockée dans le réservoir d'eau ou dans des matériaux à changement de phase pour équilibrer les fluctuations jour-nuit.

Conception modulaire

À l’avenir, les PVT et les pompes à chaleur pourraient lancer des produits intégrés pour réduire la difficulté d’intégration du système.

Promotion des politiques

Dans le contexte des politiques de neutralité carbone, le gouvernement devrait offrir des subventions ou des crédits de construction écologique pour promouvoir leur application dans les institutions publiques et les bâtiments commerciaux.

VII. Conclusion

L'association du PVT avec des pompes à chaleur aérothermiques et géothermiques permet non seulement une complémentarité diversifiée des formes d'énergie, mais améliore également considérablement l'efficacité énergétique et réduit les coûts d'exploitation des bâtiments. Des bâtiments commerciaux aux institutions publiques en passant par les parcs industriels, ce type de système énergétique composite offre de vastes perspectives d'application. Bien qu'il soit encore confronté à des défis tels que le coût, les normes et la reconnaissance du marché, le système de pompe à chaleur PVT+ devrait, grâce aux progrès technologiques et au soutien des politiques, devenir un élément important du système énergétique des bâtiments écologiques au cours de la prochaine décennie.