PartagerUne nouvelle technologie de pompe à chaleur antigivre
Un article de synthèse publié dans Energies présente les progrès réalisés en matière de pompes à chaleur à tour aérothermique en Chine, en particulier concernant leur principe de fonctionnement, la structure de la tour aérothermique, les caractéristiques du transfert de chaleur et de masse, les performances du système, l’utilisation d’une solution antigel et la régénération de cette dernière.
La pompe à chaleur (PAC) aérothermique est une technologie écoénergétique permettant de produire du chauffage sous différentes températures ambiantes [1]. Cependant, l’efficacité du fonctionnement d’une PAC aérothermique diminue fortement à mesure que la température baisse et que l’humidité augmente. Lorsqu’elle est utilisée pour chauffer des locaux, du givre peut se former sur la surface des ailettes et des tubes de l’échangeur de chaleur extérieur si la température de surface est inférieure à la fois à 0 °C et au point de rosée de l’air humide [1]. Selon l’IIF, des technologies antigivre et de dégivrage sont nécessaires pour garantir le bon fonctionnement des PAC aérothermiques sous différents climats, de -25 °C à +50 °C [1].
Un nouveau type de pompe à chaleur, appelé système de pompe à chaleur à tour aérothermique (heat-source tower heat pump system), a récemment été développé dans le sud de la Chine, permettant à la fois de chauffer et de refroidir les bâtiments [2].
Comme illustré dans la figure 1, ce système est composé d’une tour aérothermique et d’une unité de pompe à chaleur. La tour aérothermique est un dispositif d’absorption qui extrait la chaleur de l’air ambiant. Sa structure ressemble à celle d’une tour de refroidissement traditionnelle.
En hiver, une solution antigel ayant un point de congélation inférieur à 0 °C est utilisée comme fluide dans la tour aérothermique pour extraire de l’air la chaleur à basse température. Ce fluide s’écoule ensuite dans l’évaporateur de la pompe à chaleur et libère la chaleur à basse température via un cycle de Carnot inversé. Cette caractéristique du système de PAC à tour aérothermique permet à l’air de libérer non seulement de la chaleur sensible, mais aussi de la chaleur latente provenant de la condensation de la vapeur d’eau dans l’air, ce qui rend le système adapté aux régions humides.
En été, lorsque la solution antigel est remplacée par de l’eau, la tour est reliée au condenseur de la pompe à chaleur afin d’améliorer la dissipation de la chaleur. En termes de source de chaleur, ce système correspond à un type de PAC aérothermique. Il se distingue d’une PAC aérothermique classique uniquement par le transfert de chaleur qu’il inclut entre le fluide de la tour aérothermique et l’air ambiant. Selon le modèle de l’unité de pompe à chaleur, la PAC à tour aérothermique peut également être dérivée du système de pompe à chaleur hydraulique ou géothermique.
D’après les études existantes, synthétisées dans le tableau 1, le coefficient de performance (COP) de la PAC à tour aérothermique semble élevé, mais son taux d’efficacité énergétique du système ne révèle pas d’avantage clair.
Par exemple, une étude a comparé les performances de chauffage d’une PAC à tour aérothermique et d’une PAC aérothermique classique à Tianjin, en Chine [3]. Le COP annuel moyen du premier système était supérieur de 48 % à celui du système aérothermique, tandis que son taux d’efficacité énergétique n’était supérieur que de 5 %. Toutefois, sa consommation énergétique annuelle était inférieure de 4,9 %.
Par ailleurs, dans une PAC à tour aérothermique, la solution antigel présente une viscosité élevée, ce qui augmente la consommation d’énergie de la pompe qui fait circuler la solution, ainsi que du ventilateur. Il est donc nécessaire de définir des stratégies de fonctionnement optimales pour différentes conditions, en s’appuyant sur des expériences à long terme et à des travaux théoriques.
Enfin, tout comme les pompes à chaleur aérothermiques traditionnelles, le système de pompe à chaleur à tour aérothermique devrait être combiné avec des technologies de récupération de chaleur industrielle ou des énergies renouvelables telles que l’énergie solaire afin d’améliorer l’efficacité du système dans son ensemble.
Pour plus d’informations, l’article est disponible en accès libre dans la revue Energies ou dans FRIDOC.
Sources
[1] Li X., Wang B. Air source heat pumps for space heating and cooling, 41st Informatory Note on Refrigeration Technologies. http://dx.doi.org/10.18462/iif.NItec41.01.2021
[2] Yao X, Feng R, Li X. A Review on the Heat-Source Tower Heat Pump Systems in China. Energies. 2024; 17(10):2389. https://doi.org/10.3390/en17102389
[3] Li, J. Analysis on Heating Applicability of Energy Tower Heat Pump System in Tianjin. Ph.D. Thesis, Tianjin University, Tianjin, China, 2015. (In Chinese).