Types et caractéristiques des pompes à chaleur à air à faible émission de carbone

Résumé : Les pompes à chaleur aérothermiques offrent de bonnes perspectives d'application et se sont diversifiées grâce à leur accès facile aux basses températures. Chaque type de pompe à chaleur aérothermique possède ses propres caractéristiques et applications, et des produits adaptés peuvent être sélectionnés en fonction du scénario d'application. 

La chaleur basse température des pompes à chaleur aérothermiques provient de l'air ambiant. Elles sont donc largement utilisées dans les projets où les ressources de chaleur résiduelle sont limitées et offrent de vastes perspectives d'application. Les pompes à chaleur aérothermiques ont également connu un développement rapide, avec l'apparition de divers types de produits sur le marché.

Les différents types de pompes à chaleur à source d’air ont leurs propres caractéristiques, et cet article présente quelques pompes à chaleur à source d’air courantes.

Pompe à chaleur à air à compression électrique

La pompe à chaleur à air à compression électrique est le type le plus courant et la principale technologie utilisée dans de nombreuses régions pour convertir le charbon en électricité.

La pompe à chaleur à air comprimé électrique utilise un moteur électrique pour entraîner le compresseur en rotation, ce qui permet de pressuriser la vapeur de réfrigérant basse pression à haute pression et d'augmenter la température de condensation. Dans le condenseur, la vapeur de réfrigérant se condense et libère de la chaleur, créant ainsi un chauffage externe, tandis que la vapeur de réfrigérant se transforme en réfrigérant liquide. Une fois le réfrigérant liquide dépressurisé par le papillon des gaz, sa température d'évaporation diminue. L'évaporateur absorbe la chaleur de l'air extérieur et le réfrigérant liquide s'évapore en vapeur de réfrigérant basse pression, qui entre ensuite dans le compresseur pour le cycle suivant.

La pompe à chaleur électrique à air comprimé utilise un compresseur et un papillon des gaz pour diviser le fluide frigorigène en deux parties, haute et basse pression, afin de chauffer l'air à basse température. Ce processus consomme une faible quantité d'électricité, qui alimente également le système de chauffage. De faible puissance, la pompe à chaleur électrique à air comprimé convient au chauffage domestique. En revanche, pour le chauffage centralisé (chauffage de zones résidentielles, etc.), les installations sont nombreuses et l'encombrement important.

Le principal problème des pompes à chaleur à air comprimé électriques est le givrage. Lorsque la température d'évaporation du réfrigérant est inférieure au point de rosée de l'air, du givre se forme à la surface de l'aérotherme, affectant ainsi l'efficacité du transfert thermique. Le dégivrage augmente la consommation d'énergie et affecte le confort. Bien que divers fabricants aient développé des technologies telles que les îlots énergétiques et les échangeurs de chaleur multizones, il n'existe aucune solution définitive à ce problème.

L'amplitude de montée en température des pompes à chaleur aérothermiques électriques à compression est relativement élevée. Selon la forme du compresseur, on distingue plusieurs types de compresseurs : mono-étagé, multi-étagé et à alimentation en air intermédiaire. L'utilisation de CO₂, notamment comme fluide de travail, offre un plus grand choix de pompes à chaleur aérothermiques électriques haute température.

Pompe à chaleur à air à compression de gaz

La pompe à chaleur à air comprimé utilise un moteur à gaz pour fournir l'énergie cinétique nécessaire à la rotation du compresseur. Le fonctionnement des autres composants est identique à celui d'une pompe à chaleur à air comprimé électrique. La pompe à chaleur à air comprimé est relativement compacte et la puissance du moteur à gaz est faible. Elle peut être alimentée par un moteur de voiture.

Les pompes à chaleur à air comprimé présentent également le problème du givrage. Grâce à l'utilisation du gaz comme énergie motrice, elles peuvent être dégivrées par les fumées, offrant ainsi un confort thermique supérieur à celui des pompes à chaleur à air comprimé électriques. Cependant, leur coût est relativement élevé.

Pompe à chaleur à absorption d'ammoniac à source d'air

La pompe à chaleur air-air à absorption d'eau et d'ammoniac adopte le principe du cycle d'absorption et utilise une solution aqueuse d'ammoniac comme fluide de travail. La solution concentrée d'ammoniac est chauffée par une source de chaleur à haute température, ce qui permet l'évaporation de l'ammoniac gazeux et la formation d'une solution diluée. La condensation de l'ammoniac gazeux à haute pression assure le chauffage externe tout en produisant de l'ammoniac liquide. L'ammoniac liquide subit une évaporation à basse température après étranglement, absorbant la chaleur de l'air extérieur pour former de l'ammoniac gazeux. L'ammoniac est absorbé par la solution diluée d'ammoniac, libérant ainsi sa chaleur vers l'extérieur. La solution concentrée ainsi obtenue entre dans le cycle suivant.

Ce procédé utilise l'ammoniac comme réfrigérant et l'eau comme absorbant. La température d'évaporation de l'ammoniac liquide est très basse, ce qui lui permet d'absorber la chaleur de l'air à basse température. Cependant, pendant le fonctionnement de l'unité, l'ammoniac subit une conversion diphasique gaz-liquide, ce qui entraîne une pression interne élevée et des fuites fréquentes. Les fuites d'ammoniac présentent un certain danger et nécessitent une protection et une ventilation adéquates.

La capacité d'une pompe à chaleur air-air à absorption d'eau et d'ammoniac est également relativement faible. Si la charge thermique est importante, plusieurs unités doivent fonctionner en parallèle.

L'appareil présente également des problèmes de givre. Cependant, grâce à son fonctionnement à haute température (gaz, vapeur, etc.), le dégivrage est relativement simple et a peu d'impact sur le confort thermique.

Pompe à chaleur à absorption au bromure de lithium

Les pompes à chaleur aérothermiques mentionnées ci-dessus présentent toutes des problèmes de givrage et de dégivrage. Bien qu'elles aient chacune leurs propres solutions, ces problèmes affectent également le confort de chauffage et, surtout, le COP de la pompe à chaleur et augmentent la consommation d'énergie. La pompe à chaleur aérothermique à absorption au bromure de lithium résout totalement ce problème.

La pompe à chaleur air-air à absorption au bromure de lithium utilise un cycle d'absorption pour la récupération de chaleur perdue. Dans le cycle d'absorption au bromure de lithium classique, l'eau sert de réfrigérant et une solution de bromure de lithium d'absorbant. L'eau est le réfrigérant, et la température de réfrigération doit être supérieure à 0 °C, sous peine de geler et d'empêcher le fonctionnement de l'appareil. C'est également la raison pour laquelle les pompes à chaleur à absorption au bromure de lithium classiques ne peuvent pas absorber la chaleur en dessous de 0 °C.

Pour résoudre ce problème, la source d'air à absorption de bromure de lithium utilise une méthode de pulvérisation de solution pour extraire la chaleur de l'air, évitant ainsi le problème du gel de l'eau à 0 ℃ et réalisant une récupération de chaleur perdue à basse température.

La pompe à chaleur à absorption aérothermique au bromure de lithium présente une grande capacité et n'est pas adaptée au chauffage domestique. Elle est plus adaptée au chauffage centralisé, notamment pour la rénovation écoénergétique des chaufferies. Elle utilise un procédé d'échange thermique par pulvérisation, qui utilise une solution pour absorber la chaleur de l'air. Non seulement elle évite le givrage, mais elle peut également absorber la chaleur latente de la vapeur d'eau dans un air très humide, améliorant ainsi l'efficacité d'extraction de chaleur.

Les pompes à chaleur à air et à absorption au bromure de lithium sont plus adaptées aux applications dans les projets de chauffage centralisé dans le sud. Même si l’air est très humide, il ne givrera pas et favorisera la récupération de la chaleur perdue.

Résumé

Le marché des pompes à chaleur aérothermiques est vaste et diversifié, adapté à divers scénarios de chauffage économes en énergie. Choisir le type de pompe à chaleur aérothermique adapté aux caractéristiques de l'application permet d'obtenir de meilleurs résultats de chauffage.