Comment les pompes à chaleur à air peuvent-elles faire face aux environnements à très basse température ?

Ces dernières années, les pompes à chaleur aérothermiques ont suscité un vif intérêt et une forte popularité sur le marché. Cependant, plusieurs facteurs influencent considérablement leurs performances : premièrement, leur performance est fortement réduite à basse température ambiante ; deuxièmement, le problème de givrage pendant le chauffage affecte gravement l'efficacité énergétique et la fiabilité. Ces dernières années, de nombreux chercheurs et ingénieurs ont investi des efforts considérables pour améliorer la technologie des pompes à chaleur aérothermiques afin de résoudre ces problèmes.

PARTIE 01 Technologie de compression multi-niveaux

La technologie de compression à fréquence variable est une méthode efficace pour améliorer la capacité de chauffage des pompes à chaleur aérothermiques. À basse température, l'augmentation de la vitesse du compresseur peut accroître considérablement sa cylindrée, améliorant ainsi la capacité de chauffage de la pompe. Cependant, la technologie de conversion de fréquence ne permet pas d'améliorer l'efficacité énergétique du système. Afin d'améliorer simultanément la capacité de chauffage et l'efficacité énergétique à basse température, une technologie de compression multi-étagée a été développée.

Selon les différents étages de compression et la structure des cycles, les pompes à chaleur à air comprimé multi-étagées peuvent être classées en cycles en cascade et en cycles à compression bi-étagée/multi-étagée. Afin d'améliorer la capacité de chauffage d'un système à compression mono-étagée à basse température ambiante, le fluide frigorigène peut être injecté directement dans la chambre de compression pendant le processus de compression, ce qui est appelé compression quasi bi-étagée. Compte tenu des caractéristiques d'un cycle à compression bi-étagée, cet article l'inclura dans le cadre d'un cycle à compression bi-étagée.

1.1 Pompe à chaleur à air empilé

En raison de la basse température ambiante, le rapport de pression du système est élevé, la puissance de compression importante et les pertes par étranglement importantes, ce qui entraîne une faible efficacité énergétique de la pompe à chaleur. Afin de réduire les pertes et d'améliorer le rendement, le système de pompe à chaleur à air empilé utilise deux cycles de compression de vapeur en série au lieu d'un seul cycle afin de réduire le taux de compression d'un cycle mono-étagé.

Le système en cascade se compose de deux cycles de compression de vapeur indépendants : le cycle basse température et le cycle haute température. Ces deux cycles sont reliés par un échangeur de chaleur intermédiaire commun, qui fait office à la fois de condenseur pour le cycle basse température et d'évaporateur pour le cycle haute température. En hiver, le cycle basse température absorbe la chaleur de l'air ambiant via un évaporateur et la réchauffe, la fournissant ainsi comme source de chaleur pour le cycle haute température. Dans le cycle haute température, la chaleur est à nouveau portée à la température requise pour le chauffage intérieur.

L'utilisation d'une pompe à chaleur air-air empilée permet de réduire considérablement le rapport de pression du cycle, ce qui diminue les pertes totales par compression et par étranglement, améliorant ainsi son efficacité énergétique. De plus, selon les conditions de fonctionnement, différents fluides frigorigènes peuvent être utilisés pour les phases haute et basse température du cycle en cascade. Grâce à la possibilité de mettre en œuvre deux systèmes mono-étagés simples, le système empilé est utilisé depuis de nombreuses années pour les applications de chauffage et de production d'eau chaude sanitaire. Cependant, la différence de température de transfert thermique de l'échangeur intermédiaire du cycle en cascade entraîne inévitablement une perte d'efficacité. De plus, le cycle en cascade nécessite l'utilisation de deux compresseurs et d'un échangeur de chaleur supplémentaire, ce qui est plus coûteux que les cycles mono-étagés.

1.2 Pompe à chaleur à air comprimé à deux étages

Une pompe à chaleur à air comprimé bi-étagée relie deux cycles de réfrigération, ce qui peut être considéré comme une forme simplifiée d'un système en cascade. Comme le montre la figure ci-dessous, les pompes à chaleur à air comprimé bi-étagées peuvent être classées en deux catégories selon les différents économiseurs utilisés : les systèmes à ballon de détente (FT) et les systèmes à échangeur de chaleur intermédiaire (IHX).

Dans le système de ballon de détente, le fluide frigorigène liquide sortant du condenseur intérieur est étranglé en deux phases avant d'entrer dans le ballon de détente. Ce fluide est séparé en gaz saturé et en liquide saturé dans le ballon de détente. Après avoir été mélangé au gaz saturé évacué par le compresseur basse pression, le fluide est à nouveau comprimé par le compresseur haute pression. Le liquide saturé est étranglé par le second détendeur et entre dans l'évaporateur extérieur pour s'évaporer en gaz. Il entre ensuite dans le compresseur basse pression et se mélange au gaz moyenne pression dans le ballon de détente.

Dans le système d'échangeur de chaleur intermédiaire, le fluide frigorigène liquide à la sortie du condenseur est divisé en deux flux : le flux principal et le flux secondaire. Le fluide secondaire est étranglé à moyenne pression et pénètre dans l'échangeur de chaleur intermédiaire. Le fluide basse température refroidit le fluide principal jusqu'à un état de surfusion. Le fluide secondaire absorbe la chaleur et devient gazeux saturé ou surchauffé, puis se mélange aux gaz d'échappement du compresseur basse pression avant d'entrer dans le compresseur haute pression pour une compression supplémentaire. Le fluide sous-refroidi à la sortie principale de l'échangeur de chaleur intermédiaire est étranglé, traverse l'évaporateur et retourne finalement au compresseur basse pression, où il est comprimé à moyenne pression et mélangé au fluide secondaire.

1.3 Pompe à chaleur à air comprimé quasi à deux étages

Une pompe à chaleur à air comprimé quasi bi-étagée (également appelée système d'air supplémentaire) est très similaire à un système de compression bi-étagée. La différence réside dans le fait que, dans ce système, un compresseur avec un orifice d'alimentation en air intermédiaire est utilisé au lieu de deux compresseurs montés en série. Dans ce système, le fluide frigorigène provenant du réservoir de détente ou de l'échangeur de chaleur intermédiaire est injecté dans la chambre de compression du compresseur, plutôt qu'entre les deux compresseurs.

Par conséquent, une pompe à chaleur quasi biétagée peut être considérée comme une forme simplifiée de pompe à chaleur biétagée, utilisant un compresseur d'alimentation en air spécialement conçu pour remplacer les deux compresseurs, évitant ainsi le problème d'égalisation d'huile entre les deux compresseurs et réduisant les coûts du système. Plus important encore, la fermeture de la vanne sur la branche d'alimentation en air permet au système quasi biétagée de passer en mode de circulation monoétagée, optimisant ainsi ses performances en hiver comme en été. C'est pourquoi, ces dernières années, la technologie de compression quasi biétagée a été largement utilisée dans les pompes à chaleur basse température.

PARTIE 02 Remplacement du réfrigérant

Actuellement, le R22 et le R410A sont les réfrigérants les plus couramment utilisés dans les systèmes de pompes à chaleur air-air. Leurs principaux substituts sont le R290, le R32, le R744, le R161 et certains réfrigérants mixtes HFC. Cependant, à l'exception du R744, tous les réfrigérants à PRG moyen et faible présentent un certain degré d'inflammabilité, et leur utilisation doit respecter les normes ou réglementations de sécurité en vigueur, notamment en ce qui concerne la quantité de charge et d'autres exigences spécifiques.

En ce qui concerne les substituts de réfrigérant purs, le R290 a une pression de fonctionnement et une capacité similaires à celles du R22, et a un rapport d'efficacité énergétique plus élevé que le R22. Cependant, en raison de son inflammabilité, il convient principalement aux petits systèmes de charge. Les fabricants ont exposé des climatiseurs split et des pompes à chaleur à air utilisant le R290. La pression de fonctionnement et la capacité du R32 sont proches du R410A, et l'efficacité énergétique est également comparable au R410A, voire légèrement supérieure au R410A.

Actuellement, le R32 convient à divers types d'équipements de climatisation sur le marché et est utilisé pour les unités split dans de nombreux pays et régions, comme le Japon, la Chine, la Corée du Sud et l'Europe. Certains fabricants l'utilisent également pour d'autres types de systèmes, comme les unités multi-split. L'application du R744 aux applications de chauffage et de climatisation est limitée en raison de son rendement énergétique en mode refroidissement, notamment par température extérieure élevée. Cependant, le cycle transcritique du R744 présente des avantages significatifs pour la production d'eau chaude sanitaire à haute température.

Outre les réfrigérants purs, il existe de nombreux réfrigérants mixtes spécialement conçus pour les pompes à chaleur aérothermiques. Ils sont principalement composés de deux ou plusieurs réfrigérants purs, tels que le R32, le R125, le R134a, le R152a, le R161, le R1234yf, le R1234ze, le R600a, le R1270 et le R290. Certains réfrigérants mixtes ont reçu des noms commerciaux, comme le R444B, le R446A et le R447A, tandis qu'un grand nombre d'autres sont encore en développement continu. Ces réfrigérants mixtes ont souvent des pressions de service et des capacités similaires à celles du R22 ou du R410A, avec des PRG allant de 150 à 1 000 et des niveaux d'inflammabilité de 1 (réfrigérants à PRG élevé) ou 2 L (réfrigérants à PRG moyen). À l’heure actuelle, la plupart des fluides de travail mixtes n’ont pas été produits en série et les données techniques pertinentes n’ont pas encore été rendues publiques.