Evolution des performances des pompes à chaleur air-eau et technologies des composants

Résumé et principaux résultats

Ce rapport résume des travaux d'investigation et de simulation relatifs aux performances des pompes à chaleur (PAC) air-eau. Les moyens technologiques pour les améliorer sont passés en revue : composants efficaces (moteurs, pompes, ventilateurs, compresseurs et échangeurs) et architectures novatrices (cycles bi-étagés ou cycles en cascade). Pour les PAC mono-étagées, l'utilisation d'échangeurs améliorés augmente le COP et permet
un relatif maintien de la puissance calorifique à basse température ambiante. L'influence des consommations parasites peut être très importante, voire porter préjudice au COP de la PAC si les pertes de charge deviennent trop importantes. Il semblerait, selon les calculs de simulation, qu'un facteur d'amélioration (échangeurs) de 2
soit optimal pour le fluide frigorigène, l'air et l'eau. Ces calculs reposent sur une hypothèse d'augmentation de 35 % des pertes de charges lorsque le facteur d'augmentation augmente de 100 %. Ces consommations parasites doivent être réduites via la mise en oeuvre de moteurs, pompes et ventilateurs efficaces, utilisant les dernières technologies. Ainsi, la combinaison d'un compresseur de rendement isentropique augmenté de 10 % (par
rapport à l'existant), équipé d'un moteur électrique plus efficace (96 %), d'un ventilateur et d'une pompe de haut rendement (50 %), ainsi que d'un évaporateur et d'un condenseur améliorés d'un facteur de 100 % (soit à travers l'augmentation de la surface, soit par la nature de ces surfaces) aboutirait à augmenter le COP d'une machine « moyenne » d'environ 25 % pour une température de sortie d'eau du condenseur comprise entre 35 et 55 °C.
Lorsque la PAC est destinée à être utilisée dans des climats plus froids, ou pour le chauffage avec une température d'eau élevée (au-delà de 55 °C), la mise en oeuvre d'un cycle bi-étagé ou d'une cascade sont mieux adaptées. L'utilisation de ces cycles, tout en conservant les technologies/dimensions/rendements actuels permettent d'augmenter le COP de manière très sensible (+ 20 % à 0 °C d'évaporation et +30 % à - 15 °C d'évaporation). Selon le niveau de température exigé, une architecture avec compresseur EVI ou un cycle à
cascade (températures d'eau dépassant 70 °C possibles) sont également à préconiser. Dans ces derniers cas, l'architecture à cycle mono-étagé est complètement à écarter en raison du COP très faible atteignable.

Title:
Air-to-water heat pump performance and advanced components

Abstract:
This report summarizes investigations and simulations on air-to-water heat pumps (HPs). Advanced components (compressors, heat exchangers, pumps, fans and motors) and/or cycle architectures (two-stage cycles or cascaded loops) which can implemented are reviewed. For single-stage HPs, COP values can be increased by the use of enhanced heat exchangers, which also contributes to maintaining heating duties at low outdoor temperatures.
Parasitic consumption (fans and pumps) can drastically reduce COP, especially if pressure drops become too high.
Calculations using dedicated tools show that enhancing heat exchangers (through surface quality or surface area) by a factor of 2 would lead to optimum values of COP. These calculations are based on the assumption that pressure drop is increased by 35 % when heat exchanger quality is increased by a factor of 100%. Parasitic consumption must be reduced through the implementation of state-of-the-art and efficient motors, pumps and fans.
A combination of an efficient compressor (+10% isentropic efficiency), using a 95 % efficiency electric motor, high efficiencies fan and pump (50 %), 100 % more efficient condenser and evaporator, would lead to a COP value increased by around 25 % on the HP operating range (outlet water temperature ranging from 35 to 55 °C). For low outdoor temperatures HPs, or for high temperature water duties (above 55 °C), the use of two-pressure cycles is more appropriate. While using the same equipment (except for the two-stage compressor), these architectures boost COP values by as much as 25 % (+ 20 % at 0 °C evaporation temperatures and + 30 % at - 15 °C). Depending on the required water outlet temperature, an EVI cycle or a cascade using two staged loops can also be implemented. In the case of very high water temperatures (up to 70 °C), single stage loops are totally unable to reach reasonable COP values.

Commissions

MFCE - Matériel Frigorifique; Conditionnement d'air; Echangeurs

Thème

Réfrigération et cycles thermodynamiques

Mots-clés

Composants frigorifiques, Compresseurs frigorifiques, Condenseurs, Cycles thermodynamiques, Détendeurs, Echangeurs, Evaporateurs, Pompes à chaleur, Réfrigération

Auteurs

BENSAFI Ahmed