Thermopompe au propane écologique et efficace

4 septembre 2018

par Fraunhofer Society

Les pompes à chaleur utilisent l'énergie environnementale pour nous fournir de la chaleur. Cependant, ils nécessitent généralement des réfrigérants synthétiques, qui contiennent des gaz à effet de serre fluorés nocifs pour l'environnement (gaz F). Les chercheurs de Fraunhofer ont maintenant contribué au développement d'une pompe à chaleur qui utilise du propane à la place. La pompe est à la fois plus respectueuse du climat et plus efficace.

"Le chauffage et l'eau chaude représentent environ 40 % de la consommation énergétique finale de l'Allemagne. Brûler des combustibles fossiles de haute qualité tels que le gaz naturel ou le pétrole brut n'a pas seulement peu de sens sur le plan énergétique, il nuit également au climat. Chaque unité d'énergie électrique nécessaire au fonctionnement une pompe à chaleur, souvent dérivée de ressources renouvelables, génère trois à cinq unités d'énergie thermique neutre en CO2. Cela fait des pompes à chaleur un élément important dans la mise en œuvre de la transition de l'Allemagne vers un système énergétique durable », explique le Dr Marek Miara, qui coordonne les travaux sur pompes à chaleur à l'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire ISE à Fribourg.

Une pompe à chaleur fonctionne de la même manière qu'un réfrigérateur. Le réfrigérant absorbe la chaleur à l'intérieur du réfrigérateur et la transporte à l'extérieur. La différence est que la chaleur qui s'échappe librement de l'arrière d'un réfrigérateur est ce qu'une pompe à chaleur extrait - dans ce cas du sol, des eaux souterraines ou de l'air ambiant - pour chauffer nos maisons ou l'eau.

Pour ce faire, le réfrigérant chauffé et vaporisé est comprimé, ce qui augmente sa température et sa pression. Le gaz réfrigérant chaud libère sa chaleur dans l'eau et se condense. L'eau chaude s'écoule dans les systèmes de chauffage par le sol, les radiateurs ou les réservoirs de stockage d'eau chaude, tandis que le réfrigérant liquide, maintenant refroidi, retourne dans un évaporateur, où il absorbe à nouveau l'énergie thermique. Le cycle recommence alors depuis le début.

Pour la plupart, les réfrigérants sont composés d'un mélange de substances synthétiques contenant des gaz à effet de serre fluorés nocifs pour l'environnement (gaz F). En juin 2014, la Commission européenne a annoncé que les gaz fluorés devaient être progressivement retirés du marché. Une alternative naturelle et écologique aux réfrigérants synthétiques est le propane, qui gagne déjà en popularité dans les systèmes de climatisation et de réfrigération. Mais son utilisation dans les pompes à chaleur est encore relativement nouvelle.

Parce que même si le propane a d'excellentes propriétés thermodynamiques, il est hautement inflammable, ce qui pose un défi lorsqu'il est utilisé dans un cycle de chaleur.

"Si vous souhaitez utiliser du propane, vous devez maintenir le volume de réfrigérant aussi bas que possible pour minimiser les risques encourus", explique le Dr Lena Schnabel, qui dirige le département des technologies de chauffage et de refroidissement chez Fraunhofer ISE.

La solution des chercheurs de l'ISE, avec leurs partenaires de recherche européens, consiste à utiliser des échangeurs de chaleur à ailettes très compacts, brasés, qui fonctionnent bien avec de petits volumes de liquide. L'énergie thermique est transférée d'une substance en circulation à l'autre via des échangeurs de chaleur. Ceux-ci sont composés de nombreux canaux parallèles contenant le fluide frigorigène en circulation, qui soit absorbent la chaleur (appelés « vaporisateurs »), soit la rayonnent (« condenseurs »). "Le liquide doit se vaporiser ou se recondenser complètement sur la longueur de course. Pour garantir leur bon fonctionnement, le rapport vapeur-liquide doit être identique dans tous les canaux. Généralement, ce n'est pas facile à réaliser, et cela devient particulièrement délicat si vous êtes également essayant de limiter le volume de réfrigérant."

Pour résoudre le problème, Schnabel et son équipe ont développé un distributeur à structure bionique : "Les distributeurs Venturi conventionnels ressemblent à un tas de spaghettis constitués de nombreux tubes fins qui se rejoignent à l'endroit où ils rencontrent le vaporisateur. Notre distributeur est différent : il a une ramification continue structure comme les branches et les brindilles d'un arbre, qui assurent une distribution uniforme du réfrigérant dans les différents canaux de l'évaporateur, même avec un petit volume de réfrigérant." Cette structure permet une utilisation optimale de toute la surface de l'échangeur de chaleur, ce qui améliore l'efficacité.

Pour réduire le risque d'explosion lors de la compression du propane, Schnabel et son équipe ont utilisé un compresseur spécialisé dans lequel toutes les sources d'inflammation étaient encapsulées. Ils ont pris grand soin de connecter les composants individuels de la pompe pour empêcher le propane de s'échapper. "Nous modifions actuellement la conception technique de la pompe à chaleur, testons le comportement à long terme de ses composants et développons des stratégies de sécurité durables", explique Schnabel.

Fourni par Fraunhofer-Gesellschaft