Méthodes d’intégration des pompes à chaleur solaire

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Un groupe de scientifiques du Politecnico di Milano (Italie) a analysé les méthodologies d’intégration existantes pour combiner une unité photovoltaïque-thermique (PVT) avec une pompe à chaleur (PAC) à compression de vapeur dans un système hybride pour les applications d’eau chaude et de chauffage dans les bâtiments.

D’après les chercheurs, cette combinaison présente un double avantage. Le PV peut alimenter le compresseur de la pompe à chaleur (PAC) et, en même temps, transférer la chaleur du capteur solaire à la PAC qui peut alors fonctionner à une température plus élevée, améliorant ainsi l’efficacité globale du système. En outre, cette configuration peut également fournir un refroidissement actif pour les panneaux PV, ce qui augmenterait également les performances du système PV et, dans une boucle de rétroaction vertueuse, de la PAC.

Deux configurations principales de système ont été envisagées par le groupe italien : un système à détente directe (DX) à source unique, dans lequel le système PVT est utilisé comme évaporateur de la PAC ; et un système à détente indirecte (IDX) à double source, dans lequel un échangeur de chaleur (HX) est interposé entre l’unité PVT et la PAC, également appelée pompe à chaleur à assistance solaire (SAHP).

Source unique

Dans la première configuration, le système ne fournit pas de refroidissement et produit de l’eau chaude pour le chauffage des locaux ou l’eau chaude sanitaire (ECS). Un élément crucial pour son fonctionnement optimisé est le contrôle de la fréquence du compresseur en temps réel, qui ajuste la fréquence de fonctionnement du compresseur en fonction du rayonnement en temps réel.

« La solution DX-PVT-SAHP à source unique est généralement adoptée pour la production d’eau chaude, mais peu d’exemples de capteurs PVT fonctionnant comme condenseurs pendant la nuit sont présents dans la littérature scientifique », ont expliqué les scientifiques,

notant que cette solution se caractérise par une construction plus facile ainsi qu’une complexité et un coût moindres, grâce à l’absence d’échangeur de chaleur intermédiaire entre la PAC et l’unité PVT. « Cependant, cette caractéristique rend les configurations à détente directe plus vulnérables à la variabilité du rayonnement solaire, en raison de l’influence sur les performances globales causée par le décalage avec la vitesse du compresseur. »

Malgré cette plus grande dépendance au rayonnement solaire, cette solution est censée fournir la récupération de chaleur la plus élevée.

Double source

Dans la deuxième configuration qui vise à couvrir l’ensemble des besoins thermiques du bâtiment, une deuxième source de chaleur est fournie par un deuxième évaporateur fonctionnant en parallèle avec le système PVT.

« La présence d’une source de chaleur supplémentaire, généralement de l’air, améliore les performances du système dans des conditions de fonctionnement défavorables, lorsque la récupération de l’énergie solaire n’est pas suffisante pour faire fonctionner la machine », ont souligné les chercheurs universitaires. « La configuration IDX-SAHP permet une disposition plus flexible des sous-composants du système, et donc l’emploi du stockage thermique pour l’énergie solaire ou la gestion de la charge. »

Le principal avantage de ce système est le gain de chaleur plus stable du côté solaire ainsi qu’une moindre dépendance aux conditions météorologiques.

« Les systèmes IDX-PVT-SAHP à double source représentent la solution la plus réalisable dans les contextes climatiques où les besoins de refroidissement sont pertinents, étant capables de couvrir tous les besoins thermiques du bâtiment », a précisé l’équipe de recherche. « Ces systèmes sont également plus adaptés pour être couplés à des systèmes de PAC géothermiques qui sont très populaires dans les régions à dominante thermique, où les systèmes de PAC à air sont moins répandus. »

Perspectives

Les chercheurs ont précisé qu’il est très difficile, pour l’une ou l’autre configuration, de définir des approches de dimensionnement de référence, car des variables telles que les conditions climatiques et les charges du bâtiment ont un impact important sur le rapport entre la puissance nominale de la PAC, la taille du système PVT et la taille du stockage.

Pour l’avenir, les scientifiques ont déclaré vouloir travailler à l’amélioration du niveau de préparation technologique (TRL) des deux configurations. Le TRL mesure la maturité des composants technologiques d’un système et est basé sur une échelle de 1 à 9, 9 représentant les technologies matures pour une application commerciale complète.

« D’autres travaux expérimentaux sont également nécessaires pour démontrer les performances réelles de l’ensemble du système dans des bâtiments d’étude de cas réels, en comparant également différents critères de dimensionnement en fonction des conditions climatiques et des charges du bâtiment », ont-ils conclu. « En même temps, un effort supplémentaire est souhaitable dans le développement d’outils spécifiques capables de

modéliser correctement chaque composant du système ainsi que le système dans son ensemble. » L’approche proposée est décrite dans l’article Photovoltaic-thermal solar-assisted heat pump systems for building applications: integration and design methods, publié dans Energy and Built Environment.

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