Les pompes à chaleur, thème central du récent Congrès de l’IIF

Pas moins de 115 papiers présentés lors du Congrès International du Froid de l’IIF en août 2023 à Paris ont été consacrés aux pompes à chaleur. Cela signifie que pour la première fois dans un congrès de l’IIF, ce thème, rattaché à la Commission D2 « Pompes à chaleur » de l’IIF, a été le thème dominant par rapport à tous les autres domaines traités au sein des dix commissions de l’IIF. 

 

Ce chiffre traduit aussi la vigueur des travaux de recherche et développement actuellement menés dans un contexte où, selon l’AIE (1), le nombre de pompes à chaleur installées dans le monde devrait passer de 180 millions en 2020 à environ 600 millions en 2030, pour atteindre l’objectif Zéro émission nette d’ici 2050. 

 

Lors du congrès 2023 de l’IIF, dans plusieurs papiers, le stockage d’énergie thermique a été associé aux pompes à chaleur et cette combinaison de technologies se révèle très prometteuse dans de nombreuses applications. 

 

Les pompes à chaleur sont considérées comme une solution clé pour décarboner le secteur du chauffage en raison de leurs capacités d'économie d'énergie et de leurs faibles émissions de carbone (2). Toutefois, l'électricité requise par les pompes à chaleur peut alourdir la charge sur le réseau électrique pendant les pics de demande de chaleur (3). Cela pourrait constituer un obstacle important à une utilisation plus large des pompes à chaleur pour remplacer les chaudières à combustible fossile largement utilisées dans les bâtiments actuellement. Pour répondre à ces fluctuations de la demande d'électricité, l'intégration du stockage d'énergie thermique pour la gestion de la demande est considérée comme une solution efficace d'un point de vue environnemental et économique. (4) 

 

Les systèmes de stockage d’énergie thermique sont classés en trois types : stockage de chaleur sensible, stockage de chaleur latente et stockage thermochimique (5). Plusieurs exemples d’application utilisant ces types de stockage ont été présentés lors du Congrès de l’IIF.  

 

Concernant le stockage de chaleur latente, M. J. Huang et al. (3) ont ainsi décrit les performances techniques et économiques d'un système de chauffage et de production d'eau chaude par pompe à chaleur aérothermique utilisant un matériau composite à changement de phase (PCM) avec du graphite expansé mélangé à de la poudre de cuivre utilisé comme masse thermique pour la structure de chauffage par le sol. 

 

De leur côté, S. Yagnamurthy et al. (4) ont mis en avant le potentiel du stockage thermochimique qui est considéré comme ayant des densités d'énergie 8 à 20 fois supérieures au stockage thermique de chaleur sensible et latente. Ils ont exploré les avantages potentiels de l’intégration d’un stockage thermochimique aqueux à base de NaOH dans un système de pompe à chaleur pour les applications de chauffage domestique. Trois configurations d'intégration ont été étudiées pour un bâtiment typique au Royaume-Uni. Il en est ressorti que la configuration en cascade avec le stockage thermochimique déchargeant la chaleur dans la pièce et la pompe à chaleur connectée à l'air ambiant offrait le potentiel d'économies le plus élevé en termes de coût - jusqu'à 16 % - et une réduction annuelle de la consommation électrique de plus de 40 % par rapport à celle sans stockage thermique. 

 

M. Essadik et al. (2) ont introduit le concept de « pompe à chaleur flexible ». Il s'agit d'un système de pompe à chaleur qui intègre le stockage thermique dans le cycle du frigorigène pour améliorer théoriquement les performances jusqu'à 20 %. Parmi les différents types de pompes à chaleur, les pompes à chaleur à air sont les plus couramment utilisées en raison de leur rentabilité et de leur facilité d'installation. Cependant, l'un des principaux défis auxquels elles sont confrontées est la formation de givre sur l'évaporateur à basse température ambiante et dans des conditions d'humidité élevée, ce qui affecte les performances en réduisant le transfert de chaleur et la puissance de chauffage de la pompe à chaleur. La pompe à chaleur flexible fournit un chauffage continu tout en dégivrant l'évaporateur en sous-refroidissant le frigorigène, en utilisant le stockage thermique comme source de chaleur alternative. Pour une pompe à chaleur d'une puissance calorifique de 3,6 kW et pour une température de condensation de 35 °C, lorsque le dégivrage est activé, il est théoriquement possible d’économiser encore 5,6 % sur la consommation électrique du compresseur par rapport à une pompe à chaleur utilisant un dégivrage à cycle inversé. 

 

E. Zanetti et al ont souligné que le principal inconvénient des pompes à chaleur aérothermiques réside dans leur faible performance lorsque la température de l'air est basse et cela se produit dans les périodes où la demande de chauffage est plus élevée. Pour surmonter ce problème, ils ont présenté un prototype de pompe à chaleur air/solaire à double source fonctionnant avec le CO₂ comme frigorigène. La pompe à chaleur produit de l'eau chaude en utilisant l'air ou le rayonnement solaire comme source de chaleur à basse température. Lors du fonctionnement avec l'air, un échangeur de chaleur à serpentin à ailettes est utilisé comme évaporateur tandis que des capteurs solaires photovoltaïques-thermiques (PV-T) sont utilisés comme évaporateurs pour exploiter le rayonnement solaire. Dans les capteurs PV-T, une partie du rayonnement solaire incident est convertie en énergie électrique par les modules PV et une partie est convertie en chaleur pour évaporer le CO₂. En fonctionnement en mode avec source solaire, si la vitesse du compresseur est égale à 40 % de la vitesse maximale et sous une irradiation solaire de 900 Wm-2, le coefficient de performance en utilisant les capteurs PV-T comme évaporateur est environ 20 % supérieur à celui avec l’air comme source de chaleur.  

 

Sources:

 

(1) https://www.iea.org/reports/installation-of-about-600-million-heat-pumps-covering-20-of-buildings-heating-needs-required-by-2030  

(2) Essadik M. et al. Study of the defrosting operation of the flexible heat pump cycle. Télécharger dans FRIDOC (free for IIR standard and corporate members).

(3) Huang M. J. et al. Technical and economic performance of air-source heat pump for building heat supply with advanced pcm thermal storage. Télécharger dans FRIDOC (free for standard and corporate members)

(4) Yagnamurthy S. et al. Potential assessment of heat pumps fully integrated with thermal storage for domestic heating applications. Télécharger dans FRIDOC (free for standard and corporate members) 

(5) Govindasamy P. K. et al. Energy storage using reversible heat pump and Organic Rankine Cycle. Télécharger dans FRIDOC (free for standard and corporate members)  

(6) Zanetti et al. CO₂ dual source solar assisted heat pump with PV-T evaporators: performance and control of low pressure. Télécharger dans FRIDOC (free for standard and corporate members)