Schlussbericht
(Englisch)
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This study focuses on the combination of solar collectors with heat pumps for space heating and domestic hot water production in collective housing. The aim is to identify in which condi-tions this solution can be profitable both from an energy and economic perspective when compared to other systems, and to evaluate the potential for standardization.
A new housing complex in Geneva (10’000 m²) called Solarcity was built in 2010 with a highly efficient thermal envelope (Minergie standard). It was equipped with 1’200 m² solar collectors directly coupled to heat pumps for space heating and domestic hot water produc-tion. A 2-year energy monitoring enabled to fully characterise the operation and performance of the system. The measured SPF for the whole complex was 2.6 in 2012 (2.9 for the build-ing studied in detail). This value seems modest, but it has to be highlighted that the heat de-mand in Solarcity is unusual: 1/3 for space heating-2/3 for domestic hot water, whereas the opposite is typically observed in Switzerland. This is due to the high performance of the buildings envelope. This unusual ratio decreases the performance of the system, because the heat pump produces most of the heat at high temperature. Despite the modest perform-ance, the annual electricity consumption remains low (~20 kWh/m²/yr) due to the low heat demand (~55 kWh/m²/yr).
A numerical model of the system was developed in order to study the impact of different technical parameters in the system performance as well as simulate its performance when applied in existing buildings with less efficient thermal envelopes. The results show that the solar collector area is a key parameter, but also that the collector surface at Solarcity is close to the optimum: it could be slightly decreased without significant drop of the performance, but an increase of the collector area would not lead to an important increase in performance. Concerning the implementation of this type of system in existing buildings with higher heat demand, it has to be carefully considered in order to avoid an uncontrolled increase in the electricity consumption, as the simulation results showed that even for an optimized system (with a similar hydraulic configuration), the annual SPF would not be significantly different from that measured in Solarcity.
The economic analysis showed a high energy cost especially due to heavy investment costs. The annual heating charges for Solarcity are 45 CHF/m²/yr, whereas they would be around 20 CHF/m²/yr for a traditional system in Switzerland. However, the comparison is not very relevant considering the high level of innovation in this project. It has to be noticed that a decrease of the heat demand (that is already very low) would not mean a significant de-crease in the costs since the overall cost is 90% composed of fixed costs (i.e. not dependent of heat consumption).
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
ERTE Ingénieurs-Conseils SA
Université de Genève, Institut des sciences de l’environnement
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Mermoud,Floriane
Fraga,Carolina
Hollmuller,Pierre
Pampaloni,E.
Lachal,Bernard
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Schlussbericht
(Französisch)
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La présente étude s’intéresse au couplage entre capteurs solaires et pompe à chaleur pour la production de chauffage et d’eau chaude sanitaire dans l’habitat résidentiel collectif. L’objectif est de déterminer dans quelles conditions la solution peut s’avérer avantageuse énergétiquement et économiquement par rapport à d’autres systèmes concurrents, dans une optique de standardisation.
Le travail est centré sur un retour d’expérience complet mené sur un nouveau complexe im-mobilier Minergie de 10'000 m² habitables à Genève (« Solarcity »), qui a été équipé de 1'200 m² de capteurs solaires couplés à des pompes à chaleur pour la production du chauf-fage et de l’eau chaude sanitaire. Un suivi énergétique approfondi a été mené sur une durée de deux ans, et a permis de totalement caractériser le fonctionnement et les performances du système. Le SPF annuel mesuré sur l’ensemble du complexe est de 2.6 en 2012 (2.9 sur le bâtiment étudié en détail). Cette valeur peut sembler modeste, mais il faut souligner que la demande thermique à Solarcity (1/3 chauffage-2/3 eau chaude sanitaire) présente un profil inversé par rapport à la demande thermique habituellement observée (2/3 chauffage-1/3 eau chaude sanitaire), grâce à l’excellente enveloppe thermique des bâtiments. Ce rapport a tendance à désavantager la pompe à chaleur, qui doit produire la majorité de la chaleur à haute température. Il faut toutefois noter que malgré des performances moyennes, la consommation électrique annuelle reste bien maîtrisée (20 kWh/m²/an) grâce à une de-mande thermique des bâtiments faible (55 kWh/m²/an).
Un modèle numérique du système a été développé en parallèle, avec l’objectif d’étudier l’impact de différents paramètres techniques sur les performances du système et de faire l’exercice de transposer ce même système dans des bâtiments existants avec une enve-loppe thermique moins performante. Les résultats ont montré que le dimensionnement du champ solaire était un paramètre significatif, cependant actuellement la surface de capteurs en place est proche de l’optimum : elle pourrait être légèrement diminuée sans baisse signi-ficative de performances, par contre une augmentation de la surface de capteurs n’amènerait pas d’augmentation importante des performances. D’autre part, la mise en oeu-vre du concept dans des bâtiments présentant une demande thermique plus élevée doit être envisagée avec précaution pour que les consommations restent maîtrisées, d’autant que les simulations ont montré que le SPF atteint (dans une configuration hydraulique similaire) ne serait pas significativement différent de celui observé à Solarcity, même en optimisant le di-mensionnement des installations.
L’analyse économique menée en parallèle a mis en évidence des coûts élevés en grande partie liés au poids des investissements. Les charges annuelles de chauffage s’élèvent à 45 CHF/m²/an à Solarcity, tandis que les valeurs observées habituellement pour des systèmes conventionnels sont de l’ordre de 20 CHF/m²/an. La comparaison est cependant peu perti-nente étant donné le fort niveau d’innovation de ce projet par rapport à des opérations stan-dards. Il est à noter que ces coûts ne pourraient pas être significativement réduits grâce à une plus grande maîtrise des consommations de chaleur (déjà faibles), étant donné qu’ils sont à 90% composés de coûts fixes.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
ERTE Ingénieurs-Conseils SA
Université de Genève, Institut des sciences de l’environnement
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Mermoud,Floriane
Fraga,Carolina
Hollmuller,Pierre
Pampaloni,E.
Lachal,Bernard
Zugehörige Dokumente
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