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Install Magazine 996 – mars 2024

Un meilleur COP pour des PAC haute température au R600

Étude de l’université de Graz sur les facteurs d’influence

Pour rendre l’industrie carboneutre, on mise de plus en plus sur les pompes à chaleur haute température. Celles-ci peuvent en effet utiliser la chaleur résiduelle pour fournir de la chaleur de process industrielle de manière écologique. Manuel Verdnik et René Bieberer, chercheurs à l’université de Graz en Autriche, ont développé une pompe à chaleur haute température au R600 (n-butane) qui utilise de la chaleur résiduelle à 40-60°C pour atteindre des températures d’émission de 110°C en mode subcritique, et de 160°C en mode transcritique.

D’après des études européennes, avec des températures d’émission allant jusqu’à 200°C, le potentiel des pompes à chaleur est énorme dans l’industrie, surtout dans le secteur du papier. Les chercheurs ont étudié les paramètres qui pouvaient influencer le rendement d’une pompe à chaleur dans cette plage de fonctionnement. Ils se pour ce faire basés sur une PAC eau-eau utilisant le réfrigérant naturel R600 (n-butane). Grâce au fonctionnement transcritique, il est possible d’atteindre des températures d’émission allant jusqu’à 160°C. Un modèle numérique du dispositif d’essai a dans le même temps été réalisé.

Les chercheurs ont distingué d’une part des paramètres externes, comme la température de la source de chaleur et la température d’émission demandée, et d’autre part des paramètres internes, comme la pression élevée et la surchauffe du gaz aspiré. La puissance a été régulée via un inverter.

Pression de fonctionnement optimale

Le prototype a atteint un COP compris entre 3,3 et 4,4 en fonctionnement subcritique jusqu’à 110°C. Avec une température source de 60°C, il est possible d’atteindre une température d’émission de 160°C en fonctionnement transcritique, avec un COP de 3,1. Le COP est fortement dépendant des paramètres de fonctionnement, aussi bien internes qu’externes. En ce qui concerne les paramètres internes, la pression de fonctionnement optimale est importante. Si on dévie de celle-ci, et que les valeurs sont soit inférieures soit supérieures, cela a des conséquences directes sur le COP. Cette pression est fonction de la température du dissipateur thermique et de la surchauffe du gaz aspiré au niveau du condenseur/gaz cooler. Si on accroît cette surchauffe, le COP augmente en conséquence, et la pression optimale devient plus basse. En cas de températures plus élevées du dissipateur thermique, le COP diminue, ce qui exige des pression plus élevées.


Si on observe la vitesse du compresseur, on se rend compte que le COP le plus élevé est atteint à 1.450 t/min. Une réduction jusqu’à 1.015 t/min a entraîné une baisse du rendement de 1%. Si on augmente la vitesse jusqu’à 2.175 t/min, le COP diminue alors d’environ 4%. L’influence sur la pression élevée optimale fut dans ce cas négligeable.

Sur base de ces résultats, on peut alors formuler la stratégie de régulation suivante : il importe de maintenir la pression maximale optimale, et surtout de ne pas laisser celle-ci diminuer. On maintiendra par ailleurs de préférence une température aussi élevée que possible au niveau du côté aspiration du condenseur/gaz cooler, pour autant que les différentes composants -avant tout le compresseur- puissent résister à ces températures.

Cette étude a été réalisée dans le cadre du projet de collaboration Transcrit entre TU Graz et Frigopol Kälteanlagen.

Par Alex Baumans

www.tugraz.at