Pompe à chaleur solaire - Solar-assisted heat pump

Panneaux solaires photovoltaïques-thermiques hybrides d'un SAHP dans une installation expérimentale au Département de l'Énergie de l' École polytechnique de Milan

Une pompe à chaleur à assistance solaire ( SAHP ) est une machine qui représente l'intégration d'une pompe à chaleur et de panneaux solaires thermiques dans un seul système intégré. En règle générale, ces deux technologies sont utilisées séparément (ou en les plaçant uniquement en parallèle) pour produire de l'eau chaude . Dans ce système, le panneau solaire thermique remplit la fonction de source de chaleur basse température et la chaleur produite est utilisée pour alimenter l'évaporateur de la pompe à chaleur. Le but de ce système est d'obtenir un COP élevé , puis de produire de l'énergie de manière plus efficace et moins coûteuse.

Il est possible d'utiliser tout type de panneau solaire thermique (feuille et tubes, roll-bond, caloduc, plaques thermiques) ou hybride ( mono / polycristallin , couche mince ) en combinaison avec la pompe à chaleur. L'utilisation d'un panneau hybride est préférable car elle permet de couvrir une partie de la demande électrique de la pompe à chaleur et de réduire la consommation électrique et par conséquent les coûts variables du système.

Optimisation

L'optimisation des conditions de fonctionnement de ce système est le principal problème, car il existe deux tendances opposées de la performance des deux sous-systèmes: à titre d'exemple, une diminution de la température d'évaporation du fluide de travail génère une augmentation de la chaleur efficacité du panneau solaire mais une diminution des performances de la pompe à chaleur, avec une diminution du COP. L'objectif de l'optimisation est normalement la minimisation de la consommation électrique de la pompe à chaleur, ou de l'énergie primaire requise par une chaudière auxiliaire qui fournit la charge non couverte par une source renouvelable .

Configurations

Il existe deux configurations possibles de ce système, qui se distinguent par la présence ou non d'un fluide intermédiaire qui transporte la chaleur du panneau vers la pompe à chaleur. Les machines dites à détente indirecte utilisent principalement l' eau comme fluide caloporteur, mélangée à un liquide antigel (généralement du glycol ) pour éviter les phénomènes de formation de glace en période hivernale. Les machines dites à détente directe placent le fluide frigorigène directement à l'intérieur du circuit hydraulique du panneau thermique, où s'effectue la transition de phase . Cette seconde configuration, même si elle est plus complexe d'un point de vue technique, présente plusieurs avantages:

  • un meilleur transfert de la chaleur produite par le panneau thermique vers le fluide de travail qui implique une plus grande efficacité thermique de l'évaporateur, liée à l'absence d'un fluide intermédiaire;
  • la présence d'un fluide qui s'évapore permet une répartition uniforme de la température dans le panneau thermique avec une augmentation conséquente du rendement thermique (dans les conditions normales de fonctionnement du panneau solaire, le rendement thermique local diminue de l'entrée à la sortie du fluide car la température du fluide augmente) ;
  • en utilisant un panneau solaire hybride, en plus de l'avantage décrit au point précédent, le rendement électrique du panneau augmente (pour des considérations similaires).

Comparaison

D'une manière générale, l'utilisation de ce système intégré est un moyen efficace d'utiliser la chaleur produite par les panneaux thermiques en période hivernale, ce qui ne serait normalement pas exploité car sa température est trop basse.

Systèmes de production séparés

Par rapport à l'utilisation de la seule pompe à chaleur, il est possible de réduire la quantité d'énergie électrique consommée par la machine lors de l'évolution météorologique de la saison hivernale au printemps, puis de n'utiliser finalement que des panneaux solaires thermiques pour produire toute la demande de chaleur requise (uniquement en cas de machine à expansion indirecte), ce qui permet d'économiser sur les coûts variables.

Par rapport à un système avec uniquement des panneaux thermiques, il est possible de fournir une plus grande partie du chauffage hivernal requis en utilisant une source d'énergie non fossile.

Pompes à chaleur traditionnelles

Par rapport aux pompes à chaleur géothermiques , le principal avantage est que l'installation d'un champ de tuyauterie dans le sol n'est pas nécessaire, ce qui se traduit par un coût d'investissement moindre (le forage représente environ 50% du coût d'un système de pompe à chaleur géothermique) et dans une plus grande flexibilité d'installation de la machine, même dans les zones où l'espace disponible est limité. De plus, il n'y a pas de risques liés à un éventuel appauvrissement thermique des sols.

À l'instar des pompes à chaleur à air , les performances des pompes à chaleur à énergie solaire sont affectées par les conditions atmosphériques, bien que cet effet soit moins important. Les performances des pompes à chaleur à énergie solaire sont généralement affectées par la variation de l' intensité du rayonnement solaire plutôt que par l' oscillation de la température de l'air . Cela produit un plus grand SCOP (Seasonal COP). De plus, la température d'évaporation du fluide de travail est plus élevée que dans les pompes à chaleur à air, donc en général, le coefficient de performance est nettement plus élevé.

Conditions de basse température

En général, une pompe à chaleur peut s'évaporer à des températures inférieures à la température ambiante. Dans une pompe à chaleur à énergie solaire, cela génère une distribution de température des panneaux thermiques en dessous de cette température. Dans cette condition, les pertes thermiques des panneaux vers l'environnement deviennent de l'énergie supplémentaire disponible pour la pompe à chaleur. Dans ce cas, il est possible que le rendement thermique des panneaux solaires soit supérieur à 100%.

Une autre contribution gratuite dans ces conditions de basse température est liée à la possibilité de condensation de la vapeur d'eau à la surface des panneaux, qui fournit de la chaleur supplémentaire au fluide caloporteur (normalement c'est une petite partie de la chaleur totale collectée par l'énergie solaire). panneaux), qui est égale à la chaleur latente de condensation.

Pompe à chaleur avec double sources froides

La configuration simple de la pompe à chaleur à assistance solaire comme uniquement des panneaux solaires comme source de chaleur pour l'évaporateur. Il peut également exister une configuration avec une source de chaleur supplémentaire. L'objectif est d'avoir d'autres avantages en matière d'économie d'énergie mais, d'un autre côté, la gestion et l'optimisation du système deviennent plus complexes.

La configuration géothermique-solaire permet de réduire la taille du champ de tuyauterie (et de réduire l'investissement) et d'avoir une régénération du sol pendant l'été grâce à la chaleur collectée des panneaux thermiques.

La structure air-solaire permet un apport de chaleur acceptable même pendant les jours nuageux, maintenant la compacité du système et la facilité de son installation.

Défis

Comme dans les climatiseurs ordinaires, l'un des problèmes est de maintenir la température d'évaporation élevée, en particulier lorsque la lumière du soleil a une faible puissance et que le débit d'air ambiant est faible.

Voir également

Les références

Liens externes