Optimiser les pompes à chaleur au CO2 pour une performance maximale
Les pompes à chaleur absorbent l’énergie thermique des sources ambiantes — principalement l’air, mais aussi le sol ou l’eau — pour la transférer à des fins de chauffage ou de refroidissement. Étant donné qu’elles nécessitent peu d’électricité et ne dépendent pas des combustibles fossiles, elles sont très efficaces et propres. Compte tenu de leurs performances élevées dans de nombreux climats modérés d’Europe, elles sont très prometteuses dans le cadre des objectifs zéro émission(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). Les pompes à chaleur au CO2 fonctionnent de la même manière, mais au lieu d’utiliser un fluide frigorigène chimique (comme les hydrofluorocarbones (HFC)), elles utilisent du CO2 pour le processus de transfert d’énergie. «Elles sont encore plus respectueuses de l’environnement, car le CO2 n’est pas libéré dans l’atmosphère. Le CO2 n’est pas non plus toxique et son potentiel de réchauffement global(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) est bien plus faible que les alternatives chimiques», explique Natasa Nord, coordinatrice du projet ROCOCO2HP. Pourtant, lorsqu’elles sont raccordées à un système de chauffage, les pompes à chaleur au CO2 sont très sensibles aux températures élevées du liquide à l’entrée du refroidisseur de gaz ou aux températures élevées du liquide de retour du système de chauffage. Le projet ROCOCO2HP, soutenu par le programme Actions Marie Skłodowska-Curie(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), a révélé que l’ajustement de la taille et des performances du refroidisseur de gaz, ainsi que les modifications apportées à la soupape d’expansion, permettaient de surmonter cette limitation de performance. Cela a permis au projet de développer un modèle(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) destiné à guider le dimensionnement et le choix des propriétés des composants.
Ajustement de la configuration
Pour échanger de l’énergie dans une pompe à chaleur au CO2, un refroidisseur de gaz utilise le CO2 à haute température et à haute pression pour chauffer l’eau, qui chauffe ensuite les bâtiments. Dans une pompe à chaleur classique, le refroidisseur de gaz est un condenseur, alors que dans une pompe à chaleur au CO2 sans condensation, le CO2 refroidi à haute pression et à basse température entre dans un détendeur, qui agit comme un étrangleur. Lorsque la pression baisse dans le détendeur, le CO2 entre dans un évaporateur et s’évapore à une pression et une température plus basses. Il est ensuite comprimé pour redevenir de la chaleur utile, ce qui complète le cycle. Dans les pompes à chaleur au CO2, la température de l’eau de retour du système de chauffage doit être inférieure à 31 ºC. Or, elle est souvent plus élevée, ce qui entraîne un étranglement par la vanne trop précoce pour une évaporation efficace, réduisant l’apport de chaleur à l’évaporateur et donc la production de chaleur utile au niveau du refroidisseur de gaz, avec pour résultat final un mauvais coefficient de performance (COP). Après avoir acheté une installation de pompe à chaleur au CO2, l’équipe l’a connectée à la plateforme virtuelle, LabVIEW(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), pour la surveiller et la contrôler. Pour se concentrer spécifiquement sur le problème des températures de retour élevées indésirables du système de chauffage, ils ont utilisé une «salle de chauffage», chauffée par différents appareils, tels que des radiateurs, qui récupèrent tous la chaleur de leur pompe à chaleur au CO2. «Ces expériences ont mis en évidence le fait que les configurations actuelles des pompes à chaleur au CO2 ne disposaient pas des contrôles nécessaires pour atteindre les niveaux de performance souhaités», explique Natasa Nord, de l’Université norvégienne des sciences et de la technologie(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), hôte du projet. Pour augmenter le COP, l’équipe a utilisé sa configuration LabVIEW pour tester divers paramètres, notamment des modifications des charges de chauffage partielles, des commandes du compresseur, des réglages des vannes et de la pression de refoulement. «Nous avons découvert que la surface du refroidisseur de gaz devait être plus grande pour mieux refroidir le fluide CO2. De plus, comme le détendeur des installations résidentielles typiques est de petite taille, il doit être de meilleure qualité, ce afin de mieux contrôler le flux de CO2», ajoute Natasa Nord.
Vers un système de contrôle optimal en temps réel
À mesure que l’UE se détourne des combustibles fossiles pour se tourner vers un avenir plus vert, avec des maisons à énergie quasi nulle, les pompes à chaleur au CO2 joueront un rôle clé. «Nos conclusions peuvent éclairer les directives et les normes, donnant lieu à de meilleurs produits et services et, en fin de compte, par une énergie plus verte et moins chère», conclut Natasa Nord. L’objectif ultime de ROCOCO2HP est de développer un système de contrôle en temps réel optimisé par l’IA de la pompe à chaleur au CO2, en tant que partie intégrante du système d’approvisionnement en énergie d’un bâtiment.
