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Apr 06, 2024

Pompes à chaleur et accumulateurs durables pour un chauffage et un refroidissement efficaces

Utiliser l’énergie du Soleil pour répondre à une grande partie de la demande de chauffage dans les applications résidentielles est une option intéressante pour de nombreux climats, mais pas facile à réaliser tout en étant compétitive en termes de coûts. Le

Utiliser l’énergie du Soleil pour répondre à une grande partie de la demande de chauffage dans les applications résidentielles est une option intéressante pour de nombreux climats, mais pas facile à réaliser tout en étant compétitive en termes de coûts. Le projet TRI-HP montre comment les besoins en chauffage des bâtiments peuvent être satisfaits efficacement avec l'énergie solaire, en utilisant ce que l'on appelle la glace solaire, de manière rentable. Ce concept de système combine des capteurs solaires thermiques, des pompes à chaleur et un stockage de glace pour répondre aux besoins énergétiques des régions dominées par le chauffage et bénéficiant d'un rayonnement solaire suffisant, par exemple l'Europe centrale. Le coulis de glace produit pendant les saisons d'hiver et de printemps peut être utilisé pour le refroidissement gratuit en tant que fonctionnalité complémentaire dans les climats à faible demande de refroidissement.

Les systèmes de glace solaire utilisent des capteurs solaires thermiques comme seule source de chaleur pour la pompe à chaleur, qui peut en outre être alimentée par du photovoltaïque (PV). Les capteurs solaires thermiques sont également utilisés pour répondre directement aux demandes de chauffage et d’eau chaude sanitaire. Tant que le soleil brille ou que la température ambiante n'est pas trop basse, les capteurs solaires agissent comme une source de chaleur directe pour la pompe à chaleur. Pendant les nuits froides ou les jours à faible rayonnement solaire, le stockage de glace est utilisé comme source de chaleur. Le stockage de glace agit comme un stockage solaire saisonnier à basse température (chargé en été et déchargé en hiver) avec une très grande densité énergétique de stockage de l'ordre de 80 kWh/m3. Un schéma conceptuel du système de glace solaire est visible sur la figure 1.

Le système de coulis de glace solaire peut être comparé aux pompes à chaleur géothermiques (GSHP) avec l'avantage de ne pas avoir à forer de forages et donc de ne pas être limité par les lois sur la protection de l'eau. De plus, il n'est pas nécessaire de régénérer le sol comme dans le cas des forages, même si le stockage est enfoui dans le sol, puisqu'il se régénère chaque année grâce à l'énergie solaire.

La principale innovation proposée par TRI-HP est le développement du concept de coulis de glace avec la méthode de surfusion, qui élimine les échangeurs de chaleur à l'intérieur du stockage de glace, réduisant ainsi le coût d'installation du système de 10 %. De plus, la surface de transfert de chaleur (supercooler) est toujours exempte de glace et présente un rendement supérieur à celui des systèmes conventionnels à glace sur serpentin. Grâce à cette innovation, les systèmes de coulis de glace solaire devraient avoir un coût similaire à celui du GSHP pour la même efficacité du système sans avoir besoin de forer des forages ou de se régénérer dans les scénarios futurs.

L'un des principaux obstacles technologiques pour les systèmes de coulis de glace utilisant la méthode de surfusion est le développement d'échangeurs de chaleur qui permettent de fonctionner avec des températures d'eau inférieures à 0°C sans geler. Dans le cadre du projet TRI-HP, nous avons développé des revêtements glaciphobes durables qui fonctionnent dans des écoulements d'eau turbulents, leur permettant de supprimer la formation de glace pour les conditions de travail nécessaires. Une fois que l'eau est surfondue sous une forme stable, elle est pompée vers un cristalliseur de glace, où le coulis de glace est formé pour être ensuite stocké dans le récipient à coulis de glace. Le degré de surfusion est défini comme la différence entre la température réelle de congélation et la température de fusion, qui est de 0°C dans le cas de l'eau.

Les surfusionneurs TRI-HP testés basés sur des échangeurs de chaleur brasés sont extrêmement compacts et atteignent des degrés de surfusion jusqu'à 4°C, ce qui est bien au-delà des 2°C atteints par les technologies japonaises de pointe utilisant des échangeurs de chaleur moins compacts. La température moyenne de surfusion a été évaluée pour sept cycles de congélation pour différents revêtements glaciphobes, marqués par des points sur la figure 2.

L'utilisation de réfrigérants synthétiques a commencé vers 1930. Depuis lors, ils ont été réglementés en raison de la destruction de la couche protectrice d'ozone de la Terre, de leur potentiel de réchauffement climatique (PRG) élevé et de leur impact sur la santé humaine. Cela a conduit au développement de trois générations de réfrigérants synthétiques. La dernière génération, à base de HFO, se décompose dans l'atmosphère, générant de l'acide trifluoroacétique et formant du trifluoroacétate, qui peut contaminer l'eau potable. Ainsi, la seule solution durable et durable pour les pompes à chaleur consiste à utiliser des réfrigérants naturels et respectueux de l'environnement à faible PRG, tels que les hydrocarbures, l'eau, l'ammoniac et le dioxyde de carbone (CO2). Dans ce contexte, de nouvelles pompes à chaleur à réfrigérants naturels (propane et CO2) ont été développées et testées dans le cadre du projet TRI-HP.