AirBiVal – Concepts hybrides de pompes à chaleur sur l’air pour des immeubles résidentiels collectifs

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501608

Schlüsselwörter (Englisch)

Air to water, heat pump, bivalent, multi-family, retrofit

Kurzbeschreibung (Englisch)

Thermal energy for space heating and domestic hotwater production represente about 30% of the C0₂-emissions of Switzerland. The residential building is made 45% single-family houses and 55% multi-family houses. In urban areas as Geneva, 79% of the buildings are multi-family houses.

In urban areas, renewable energies are mostly limited or not sufficient; no surface water as lake or river, or it is too far away, or restricted (protection of drinking water), no district heating nearby, wood forbidden because of air pollution, solar difficult or impossible (no place on the roof, protected building). The only renewable source which is available anywhere is the outside air. So air to water beat pumps is the technology with the highest potential to retrofit existing heating Systems to reduce C0₂-emissions.

The present project focuses on applied R&D to define standard hydronic schemes for bivalent beat pumps in multi-family houses. The overall aim is to assure quality and performances of these systems.

Kurzbeschreibung (Französisch)

L’énergie thermique des bâtiments représente 30% des émissions de CO₂ en Suisse, dont les ³/₄ pour l’habitat. Dans la région urbaine de Genève, 79% de la surface chauffée concernent des bâtiments résidentiels collectifs contre 21% pour les villas individuelles. Sur le plan national, le rapport est de 55% / 45%.

En zone urbaine, les gisements d’énergies renouvelables pour le chauffage de bâtiments collectifs sont le plus souvent très limités : distance au lac ou à une rivière trop grande, absence de nappe phréatique ou interdiction d’utilisation (protection des eaux), pas de réseau de chauffage à distance à proximité raisonnable, chaudière à bois interdite en zone d’émission excessive, solaire restreint ou nul à cause de la protection des bâtiments. Dans ce contexte, il apparaît que les pompes à chaleur sur l’air constituent le potentiel le plus important pour la réduction de la consommation du CO₂ en zone urbaine.

La présente demande se concentre sur les aspects de recherche énergétique appliquée pour la mise en oeuvre de pompes à chaleur dans la rénovation de chauffages à mazout ou à gaz. Il s'agit d’identifier les besoins de R&D pour les fabricants et fournisseurs et de mettre au point des schémas hydrauliques standards qui assurent l’intégration du système complet, l'efficacité et la fiabilité de l’installation.

Schlussbericht (Deutsch)

Das AirBiVal-Projekt befasst sich mit der Entwicklung von Hybridkonzepten mit Luft-Wärmepumpen, die an das schwierige und spezifische Umfeld bestehender Mehrfamilienhäuser angepasst sind, ohne dass das Gebäude vollständig renoviert werden muss. Ziel ist es, robuste hydraulische Schemata zu entwickeln, die einen ordnungsgemäßen Betrieb der Geräte gewährleisten. Sie sind so konzipiert, dass sie den Anteil des von der Wärmepumpe gedeckten Wärmebedarfs maximieren und gleichzeitig die beste Effizienz des gesamten Systems anstreben. Ziel ist es, den Ersatz von Heizkesseln mit fossilen Brennstoffen durch Wärmepumpen in diesem Sektor auf pragmatische Weise zu verbessern. Um die CO2-Reduktionsziele der Schweiz zu erreichen, müssen jedes Jahr 30'000 fossile Heizkessel ersetzt werden. Es ist dringend notwendig, diesen Übergang (Brennstoffwechsel) schnell zu vollziehen, ohne notwendigerweise auf eine Verbesserung der Gebäudehülle zu warten, die in einer zweiten Phase erfolgen kann. Die durchgeführten Arbeiten umfassen eine Analyse der Funktionsweise von zwei Pilotprojekten des SIG-Programms für erneuerbare Wärme in Genf unter realen Einsatzbedingungen. Sie umfasst auch die Ausarbeitung von vier hydraulischen Schemen für monovalente und bivalente Wärmepumpensysteme und die Ausarbeitung der entsprechenden Funktionsanalysen. Ein numerisches Simulationsmodell des Systems wurde erstellt und anhand von Messungen vor Ort in einem Pilotprojekt validiert. Anschließend wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, um die Auswirkungen des Heizbedarfs und der Dimensionierung der Wärmepumpe auf die Effizienz des Systems zu vergleichen. Die ausgewählten hydraulischen Schemen können daher als Grundlage für zukünftige Projekte dieser Art verwendet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass beide bivalenten Schemen recht ähnliche Wirkungsgrade erreichen. Es ist daher möglich, eine Wärmepumpe sofort zu integrieren und dabei den vorhandenen Heizkessel beizubehalten, welcher nach der Renovierung der Gebäudehülle entfernt werden kann. Schließlich haben die Simulationen auf eindrucksvolle Weise gezeigt, dass die Gesamtarbeitszahl des Gesamtsystems (Wärmepumpe + Heizkessel) der zu bevorzugende Leistungsindikator ist, da sie mit einer breiteren Nutzung der Wärmepumpe während des Jahres verbunden ist und zu einer Verringerung der CO2eq-Emissionen pro kWh erzeugter Wärme führt. Wird das System jedoch einseitig auf eine hohe Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe getrimmt, werden Betriebszeiten bei tieferen Aussentemperaturen vermieden und mehr mit dem Heizkessel geheizt, was zu höheren CO2eq-Emissionen führt.

Zugehörige Dokumente

• Schlussbericht_Französisch [PDF] 8'732 kB

Schlussbericht (Englisch)

The AirBiVal project concerns the development of hybrid concepts with air-source heat pumps adapted to the difficult and specific context of existing multi-family residential buildings, without total building renovation. The objective is to develop robust hydraulic diagrams that guarantee a proper operation of the equipment. They are designed to maximize the share of the heating needs covered by the heat pump while aiming at the best efficiency of the whole system. The aim is to improve the replacement rate of fossil fuel boilers by heat pumps in a pragmatic way in this sector. In order to achieve Switzerland's CO2 reduction targets, 30,000 fossil fuel boilers need to be replaced every year. It is urgent to implement this transition (fuel switch) quickly, without necessarily waiting for an improvement of the building envelope, which can be done in a second phase. The work carried out includes an analysis of the operation, in real conditions of use, of two pilot projects of the SIG Renewable Heat program in Geneva. It also includes the elaboration of four hydraulic diagrams, for monovalent and bivalent heat pump systems, and the elaboration of the corresponding functional analyses. A numerical simulation model of the system was created and validated based on on-site measurements of a pilot project. A sensitivity analysis was then carried out to compare the effects of the heating needs and the sizing of the heat pump on the efficiency of the system. The selected hydraulic diagrams can therefore be used as a basis for future projects of this type. The results show that the bivalent diagrams reach rather similar efficiencies. It is therefore possible to integrate a heat pump immediately while keeping the existing boilers, which can then be removed after the renovation of the building envelope. Finally, the simulations have shown in a striking way how the overall COP of the whole system (heat pump + boiler) is the performance indicator to be favored since it is linked to a wider use of the heat pump during the year and leads to a reduction in CO2eq emissions per kWh of heat produced. However, if the system is configured to achieve a high annual performance factor for the heat pump, operating times at lower outdoor temperatures are avoided and more heating is provided by the boiler, which leads to higher CO2eq emissions.

Zugehörige Dokumente

• Final Report_French [PDF] 8'732 kB

Schlussbericht (Französisch)

Le projet AirBiVal concerne le développement de concepts hybrides avec des pompes à chaleur sur l’air adaptés au contexte difficile et spécifique des immeubles résidentiels collectifs existants et sans rénovation totale du bâtiment. L’objectif est d’élaborer des schémas robustes garantissant un bon fonctionnement des équipements. Ils sont conçus pour maximiser la part couverte par la PAC tout en visant la meilleure efficacité du système complet. L’ambition est ainsi d’améliorer le taux de remplacement des producteurs de chaleur fossiles par des pompes à chaleur de façon pragmatique dans ce secteur. Pour atteindre les objectifs de réduction de CO2 de la Suisse, il faut remplacer 30'000 chaudières fossiles par an. Il est urgent de concrétiser cette transition (« fuel switch ») rapidement, sans attendre forcément une amélioration de l’enveloppe du bâtiment qui pourra être réalisée dans un deuxième temps. Le travail accompli comprend une analyse du fonctionnement, en situation d’usage réel, de deux projets pilotes du programme « Chaleur renouvelable » des SIG à Genève, ainsi que l’élaboration de quatre schémas hydrauliques, pour systèmes PAC mono- et bivalents, et l’élaboration des analyses fonctionnelles correspondantes. Le modèle de simulation numérique a été validé sur les mesures in-situ d’un projet pilote. Puis l’analyse de sensibilité a pu être effectuée afin de comparer les effets de variation des besoins et du dimensionnement de la PAC sur l’efficacité du système. Les schémas retenus peuvent donc servir de base aux futurs projets de ce type. Les résultats montrent que les schémas bivalents atteignent des efficacités assez proches. Ainsi, il est possible d’intégrer de suite une PAC en conservant les chaudières existantes qui pourront être éliminées après assainissement du bâtiment. Enfin, les simulations ont démontré de façon frappante combien le COP global du système (PAC + chaudière) est l’indicateur de performance à privilégier puisqu’il est lié à une plus large utilisation de la PAC durant l’année et entraîne une réduction des émissions de CO2eq par kWh de chaleur produit. Si le système est toutefois réglé pour obtenir un coefficient de performance annuel élevé de la pompe à chaleur uniquement, les périodes de fonctionnement à des températures extérieures plus basses sont évitées et la chaudière est utilisée davantage, ce qui entraîne des émissions de CO2eq plus élevées.

Zugehörige Dokumente

• Rapport Final [PDF] 8'732 kB