Plateforme pour l’eau, le gaz et la chaleur
Article technique
01. décembre 2020

Pompes à chaleur à sorption

Optimisation des réseaux thermiques urbains grâce aux pompes à chaleur à sorption

Les pompes à chaleur à sorption offrent la possibilité aux opérateurs de réseaux thermiques d’exploiter plus efficacement leur infrastructure et de proposer de nouveaux services à leurs clients. Ce couplage innovant de technologies est actuellement étudié dans le cadre d’un projet de recherche appliquée Interreg France-Suisse 2014-2020 «PACs-CAD», mené conjointement par la HEIG-VD et le CREM pour la Suisse.
Xavier Tabin, Alexis  Duret, Xavier Jobard, Loïc Puthod, Loïc Darmayan, Jakob Rager, 

Les réseaux de chauffage à distance (CAD) sont appelés à jouer un rôle important dans la plupart des politiques énergétiques européennes. Ces réseaux permettent de distribuer la chaleur aux bâtiments en milieu urbain, de façon centralisée. Ils facilitent l’intégration des nouvelles énergies renouvelables pour le chauffage des bâtiments et la production d’eau chaude sanitaire (ECS).
Le défi principal des opérateurs de CAD est de desservir de la chaleur à un seul niveau de température, à un parc immobilier aux caractéristiques thermiques très hétérogènes (différents systèmes de distribution de chaleur, équilibrages hydrauliques, etc.) et cela de manière efficace. Avec les technologies actuelles de CAD, les bâtiments les plus énergivores du parc immobilier impactent très négativement l’efficacité du réseau de chaleur [1]. Cela se traduit par des niveaux de températures du réseau CAD trop élevés et une faible différence de température entre l’aller et le retour. Ces niveaux de température élevés engendrent des pertes importantes de chaleur, péjorent l’efficacité des générateurs de chaleur au niveau des chaufferies [2] et limitent l’utilisation de ressources énergétiques renouvelables. L’un des enjeux majeurs des opérateurs de CAD est donc de limiter les températures des réseaux, tout en garantissant le confort thermique de tous les bâtiments connectés ainsi que leur production d’eau chaude sanitaire.

nouveau concept de sous-station active

Un nouveau concept de sous-station active intégrant une pompe à chaleur (PAC) à sorption pourrait permettre de répondre à cette problématique. En effet, cette nouvelle génération de sous-station permet de conditionner la chaleur afin de satisfaire les besoins thermiques des bâtiments, tout en diminuant les températures de retour du réseau primaire. Ce concept permet donc de limiter les pertes de distribution de la chaleur, d’améliorer l’efficacité énergétique des chaufferies et de favoriser le recours aux énergies renouvelables pour la production de chaleur.
Cette nouvelle technologie de sous-station fait l’objet d’un projet de recherche appliquée en cours, baptisé PACs-CAD (Applications des Pompes à Chaleur à sorption dans les réseaux de Chauffage à Distance), dans le cadre du programme Interreg France-Suisse. Ce projet est financé par le Fonds européen de développement régional (FEDER) et les fonds fédéraux Interreg suisses, ainsi que les financements des cantons suisses et de la conférence romande des délégués à l’énergie. Il est mené conjointement par le LESBAT (Laboratoire d’Energétique Solaire et Physique du Bâtiment) de la HEIG-VD et le Centre de Recherches Energétiques et Municipales (CREM), ainsi que pour la France par l’Université Savoie Mont Blanc. Des industriels suisses sont aussi parties prenantes du projet, à savoir: les Services industriels de Genève, les Services industriels de Lausanne, SATOM, Altis Groupe, le Marais Rouge CADB, Groupe E Celsius, Elimes, IBM Research Zurich et Swisspower.

LES PAC À SORPTION: UNE TECHNOLOGIE PROMETTEUSE

Les PAC à sorption sont basées sur des cycles thermodynamiques qui utilisent une source de chaleur à haute température comme source d’entraînement du cycle. Cette technologie ne nécessite que très peu d’électricité pour son fonctionnement là où les PAC à compression mécanique requièrent une consommation électrique importante. D’un point de vue thermodynamique, les PAC à sorption sont très similaires à celles à compression. Ces deux technologies utilisent un condenseur pour évacuer de la chaleur et un évaporateur pour produire du froid. Dans les deux cas, c’est en comprimant le fluide frigorifique que les niveaux de température des sources et puits de chaleur sont adaptés. La principale différence vient du fait que la PAC à compression se base sur un compresseur mécanique alors que la PAC à sorption l’effectue, en utilisant directement de la chaleur à haute température (compresseur thermique). D’un point de vue technique et général, la PAC à sorption se base sur des flux de chaleur à trois niveaux de température différents (fig. 1).
Dans le cas de son utilisation pour le chauffage, une source de chaleur à haute température (Th) sera couplée avec une source froide de chaleur à basse température (typiquement, l’environnement à Tc < Th) et fournira une quantité d’énergie utile à une température moyenne (Tc < Tm < Th). Le coefficient de performance thermique chaud (COPh) des machines actuelles est de l’ordre de 1,5 [3], c’est-à-dire que pour une unité de chaleur à Th, 1,5 unité de chaleur à Tm sera fournie (les 0,5 complémentaires provenant de la source froide de chaleur à Tc).
Alternativement, dans le cas du rafraîchissement, l’énergie utile sera le froid Qc à Tc et elle nécessitera d’avoir une source de chaleur Qh à Th et un milieu (typiquement, l’environnement) pour dissiper l’énergie Qm à la température Tm. Dans ce mode de fonctionnement, des COP froid de l’ordre de 0,6 [4] peuvent être atteints.

APPLICATION DES PAC À SORPTION DANS LES CAD

L’intégration d’une PAC à sorption en sous-station pourrait à terme permettre de développer deux applications prometteuses pour les opérateurs de CAD. Une description succincte de ces deux applications est donnée ci-dessous.

Mode chauffage 

Les sous-stations actuellement employées dans les réseaux de CAD permettent d’échanger la chaleur d’un circuit primaire (le réseau) à un circuit secondaire (le circuit de chauffage du bâtiment) via un échangeur de chaleur. Par conséquent, la température de retour du circuit primaire (retour vers la centrale thermique) ne peut en aucun cas être inférieure à la température de retour du circuit secondaire (voir fig. 2).
En intégrant une PAC à sorption en sous-station, il devient alors possible de baisser la température de retour sur le circuit primaire, en dessous de la température de retour du circuit secondaire. Le retour du circuit primaire est alors utilisé comme source froide comme le montre la figure 3. Cette nouvelle architecture de sous-station offre donc, en principe, une solution technique efficace pour abaisser la température de retour des réseaux CAD, tout en garantissant les besoins thermiques des bâtiments connectés.

Mode rafraîchissement

Comme précisé précédemment, les PAC à sorption peuvent être aussi employées pour la production de froid. Cette technologie a été parfois utilisée dans des CAD, essentiellement pour des applications industrielles. Toutefois, elles sont encore peu considérées pour le rafraîchissement estival des locaux. Or, en été, les réseaux de chaleur sont sous-employés puisqu’ils ne servent essentiellement qu’à la production d’ECS.
Le couplage PAC à sorption/CAD pour le rafraîchissement présente donc un intérêt pour les réseaux de chaleur (voir fig. 4), puisqu’il permet de mieux valoriser les infrastructures à disposition en été, tout en proposant de répondre à une demande de froid qui devrait croître fortement dans les années à venir. Il est donc important d’étudier le potentiel de cette application.

SOUS-STATION AVEC PAC À SORPTION: Construction et TEST

Afin de tester les différentes possibilités de couplage, un banc de test de sous-station a été développé au sein de la HEIG-VD. Ce banc de test a été conçu pour pouvoir évaluer de manière souple et rapide différentes architectures de sous-station. Par ailleurs, une version éclatée de la sous-station PACs-CAD a été construite et est actuellement en cours de test. Un descriptif succinct du banc de test et de la sous-station pilote PACs-CAD est donné ci-dessous.

Banc de test pour la sous-station 

Le banc de test de la HEIG-VD est spécialement conçu pour mesurer les performances de systèmes variés de production de chauffage et de climatisation pour les bâtiments (voir fig. 5). Pour cela, plusieurs sources et puits de chaleur sont disponibles afin d’émuler les demandes de chaleurs (chauffage et ECS) et de froid propres d’un bâtiment ainsi que les producteurs de chaleur (CAD, chaudière, etc.). Précisément, quatre circuits hydrauliques sont disponibles:

  1. Sources de chaleur haute température de 20 kW permettant d’émuler un producteur de chaleur jusqu’à 120 °C (par ex.: CAD, chaudière, installation solaire thermique, etc.).
  2. Sources de chaleur basse et moyenne températures avec 13 kW (–10 °C à 90 °C) permettant d’émuler un besoin de climatisation, des sondes géothermiques, une chaudière, etc.
  3. Tour de refroidissement d’une puissance de 30 kW qui permet d’émuler des circuits de chauffage variés comme des chauffages au sol ou des radiateurs.
  4. Circuit de puisage d’ECS.

Dans le cadre du projet PACs-CAD, ce banc d’essai est utilisé pour caractériser les performances de la nouvelle sous-station active, ainsi que pour développer et optimiser son contrôle commande.

Une sous-station avec PAC à sorption sur banc de test 

Le modèle éclaté de laboratoire de la sous-station PACs-CAD assemblé à la HEIG-VD, permet de mesurer ses performances thermiques dans un environnement proche des conditions réelles d’utilisation, et est utilisé pour tester différentes architectures et modes de fonctionnement. Ce prototype se base sur une PAC à adsorption du marché, la eCoo10 de l’entreprise Fahrenheit d’une puissance frigorifique nominale d’environ 13,5 kW et de chauffage de 16 kW (tab. 1).
Cette sous-station de PAC à sorption permet de tester les deux modes de fonctionnement décrits ci-dessus: le mode rafraîchissement et le mode chauffage suivant plusieurs possibilités de couplages hydrauliques entre les composants et le CAD. Des mesures sont actuellement en cours.
Afin de concevoir et dimensionner la sous-station, un modèle numérique a été développé. Ce modèle a été utilisé pour évaluer le potentiel de réduction de température par rapport à une sous-station avec échangeur de chaleur à plaques. Dans la figure 6, il a été considéré un bâtiment équipé d’un chauffage au sol et différentes températures aller de CAD. La figure 6 montre que la température de retour peut être baissée entre 6 °C et 15 °C par rapport à une sous-station classique. Ces performances encourageantes sont en cours de confirmation via le banc d’essai. De plus, d’autres critères seront évalués lors des campagnes de mesures comme l’opérabilité et l’architecture hydraulique.
Par la suite, une matrice de réponse sera réalisée afin d’estimer l’impact de l’intégration de ce type de sous-station dans les réseaux de chaleur. Pour cela, l’outil de simulation d’un CAD développé par le CREM sera utilisé (cf. ci-après). La simulation devra permettre d’estimer les performances et les effets de l’installation de PAC à sorption sur un réseau existant.

SIMULATION D’UN CAD

L’outil de simulation PandaPipes

PandaPipes est un programme open source, développé par l’institut Fraunhofer, qui permet de simuler le comportement hydraulique et thermique d’un réseau d’eau ou de gaz [5]. Afin de permettre son utilisation dans des cas concrets, les résultats des simulations hydrauliques et thermiques ont été confrontés et validés par divers tests. Un algorithme, développé par le CREM, permet de lier les données spatiales des réseaux (diamètres, longueur et type d’isolation des conduites) aux paramètres d’entrée de l’outil de simulation. Il calcule aussi les pertes de charge des jonctions, des coudes et des séparations présentes sur le réseau. Le comportement du réseau peut ensuite être simulé afin de mieux le caractériser notamment sur les aspects suivants:

  • Un débit, une pression et une température, en entrée et sortie, pour chaque point du réseau.
  • Des échanges de chaleur, soit sous forme de consommation en sous-station, soit sous forme de déperditions thermiques.

La simulation peut donc calculer le comportement en différents points d’un réseau futur ou déjà existant. Sur la figure 7, la simulation d’un réseau existant a permis de mettre en évidence les tronçons dans lesquels les déperditions étaient trop importantes. Pour ce faire, la température et le débit d’entrée/de sortie de chaque tronçon ont été pris en compte. Les tronçons dont la perte thermique est supérieure à 10% sont représentés en rouge. Via la simulation, il est également possible d’afficher le sens de l’écoulement du fluide, ce qui est particulièrement intéressant lorsque le réseau est bouclé.
L’entreprise de valorisation des ordures ménagères SATOM SA (Valais, Suisse) a montré un vif intérêt pour réaliser la simulation du réseau ainsi que l’intégration de sous-stations PACs-CAD sur son réseau. Le CAD de la SATOM, alimenté par l’incinération des déchets, chauffe plus de 400 consommateurs. Les données disponibles à une granularité horaire (consommation, débits, températures entrée/sortie de l’échangeur) permettent de paramétrer l’outil de simulation. Il est alors possible de calculer l’écart moyen en pourcent entre la mesure et la simulation, visible dans le tableau 2. Ainsi, l’outil de simulation et le script associé peuvent être légitimement validés.
En parallèle du développement de l’outil de simulation, une étude d’opportunité pour le compte de la SATOM a été menée sur la production de froid à distance via une PAC à sorption.

ÉTUDE D’OPPORTUNITÉ: SOUS-STATION PACS-CAD SEMI-CENTRALISÉE

L’étude d’opportunité porte sur la possibilité de produire du froid de manière semi-centralisée, afin d’alimenter une zone commerciale située dans la zone de desserte de la SATOM.

Zone d'étude

La zone commerciale identifiée se trouve à proximité du CAD et du futur projet de transport de vapeur «Ecotube» [6], comme présenté sur la figure 8.La zone est composée d’une trentaine de magasins différents. Leurs besoins de froid, présentés sur la figure 9, ont été estimés sur la base de la norme SIA 2024 [7], par manque de données relevées. Celle-ci définit, pour chaque affectation, les besoins énergétiques rapportés au mètre carré, en matière de climatisation et de réfrigération. Les magasins d’alimentation ne représentent que 21% des surfaces totales, mais sont responsables de 86% des besoins de froid de la zone [8]. Ceci résulte notamment du fait qu’ils doivent garantir la chaîne du froid, à des températures négatives.
Actuellement, l’assouvissement de ces besoins est géré de manière individuelle. Généralement, chaque surface installe son propre système à compression en fonction de ses besoins, au détriment parfois d’infrastructures centralisées existantes ou d’une réflexion plus globale.

Analyse des scénarios

Un concept d’approvisionnement efficient, fiable et durable a ainsi été proposé. Celui-ci est basé sur la technologie à sorption pour satisfaire les besoins de froid de la zone. Deux scénarios d’approvisionnement sont envisagés et confrontés sur leurs aspects techniques, économiques et climatiques.

Aspect technique

Le premier scénario, nommé «Business as usual» (BAU), consiste en un approvisionnement classique par des compresseurs dans chaque surface répondant aux besoins de froid. La figure 10 schématise la situation actuelle. Les compresseurs ont l’avantage de présenter des COP performants d’environ 4,0 pour la climatisation et 3,5 pour la réfrigération [9]. Toutefois, leur installation standard résulte bien souvent par un manque de coordination, d’optimisation et d’efficacité entre les surfaces ayant les mêmes besoins.
Le deuxième scénario, «Absorption» (ABS), propose la réalisation d’un réseau de froid à distance (FAD) alimenté par une PAC à absorption et des compresseurs centralisés. Des compresseurs décentralisés satisfont quant à eux les besoins de froid négatif des magasins d’alimentation. Dans le scénario ABS imaginé, la PAC à absorption couvre 70% des besoins de climatisation, le reste est assuré par des compresseurs centralisés (fig. 11). Les compresseurs décentralisés pour la réfrigération ont alors un COP doublé, grâce à l’excellent refroidissement de leur condenseur connecté au FAD [10].

Aspect économique

Le coût de revient du kilowattheure de froid a été estimé pour chacun de ces scénarios sur la base d’une analyse sur 25 ans des flux financiers et de leur valeur nette actualisée à un taux d’inflation de 2% et un WACC (Weighted Average Cost of Capital) de 5%.
Le coût de revient du scénario BAU est ainsi estimé à 6,3 cts/kWh, contre 5,7 cts/kWh pour le scénario ABS. Ce dernier comprend les coûts d’achat et d’opération des machines et la réalisation du CAD et FAD. A noter que dans le scénario ABS, la chaleur est considérée gratuite car elle serait récupérée sur la conduite de retour de l’Ecotube. Sur la base de ces hypothèses, la production de froid par absorption serait ainsi compétitive vis-à-vis d’une production classique à compression.

Aspect énergie-climat

Les émissions de CO2 des deux scénarios ont aussi été analysées. Pour ce faire, les coefficients du mix électrique «consommateurs suisses» et le mix chaleur «moyenne des usines de valorisation des déchets», définis dans le KBOB [11] sont considérés. Grâce à la mise en place du scénario ABS, les émissions de gaz à effet de serre pourraient être réduites de plus de 20% comparé au scénario BAU.

CONCLUSION ET PERSPECTIVES

Un nouveau concept de sous-station intégrant une PAC à sorption est en cours d’étude dans le cadre d’un projet de recherche et développement. Cette nouvelle génération de sous-station permet de mieux contrôler les températures de retour et de développer de nouveaux services énergétiques pour les bâtiments connectés à un CAD. Des premières simulations de cette sous-station ont confirmé l’intérêt de ce concept pour baisser les températures de retour sur le réseau primaire. Une installation pilote ainsi qu’un banc de test ont été développés. Des mesures expérimentales de performances sont en cours de réalisation afin de valider le concept et de confirmer les résultats théoriques prometteurs.
En parallèle, un outil de simulation de CAD a été utilisé pour quantifier l’impact que l’intégration de cette nouvelle génération de sous-station pourrait avoir sur un CAD. Une première étude a été réalisée sur la production de froid semi-centralisée. Cette étude a montré que les PAC à sorption permettent de réduire les émissions de gaz à effet de serre tout en valorisant une énergie fatale. En outre, elle a confirmé l’intérêt économique de cette technologie de production de froid pour les opérateurs des CAD.
Dans une prochaine étape, cet outil de simulation sera utilisé pour quantifier l’impact de l’intégration de cette nouvelle génération de sous-station sur les températures de retour des CAD, leur efficacité énergétique et le potentiel de déploiement d’énergies renouvelables. A ce propos, le projet SOLCAD [12], porté conjointement par le CREM et la HEIG-VD et financé par l’Office fédéral de l’énergie, apportera un réflexion complémentaire sur les opportunités de développement du solaire thermique dans les CAD en Suisse.

BIBLIOGRAPHIE

[1] Rüetschi, M. (1997): The return temperature in DH networks: a key factor for the economical operation of DH. Euroheat & Power 26: 498–508
[2] Sallent-Cuadrado, R. (2009): The return temperature in DH networks – a key factor for the economical operation of DH. University of Gävle
[3] Ruch, P. et al. (2015): THRIVE «Thermally driven adsorption heat pumps for substitution of electricity and fossil fuels». https://nfp-energie.ch/fr/projects/umbrella/104/
[4] Demir, H.; Mobedi, M.; Ülkü, S. (2008): A review on adsorption heat pump: Problems and solutions. Renewable and Sustainable Energy Reviews 12: 2381–403. https://doi.org/10.1016/j.rser.2007.06.005
[5] Cronbach, P.D.; Kneiske, T.M. (2019): Development of a Simulation Environment for Analyzing Multi-Energy Networks. 14th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics. https://www.pandapipes.org/references/
[6] Projet Ecotube Sommaire 2017. Version S, Soci SGS, Technoparkstrasse SSA.
[7] SIA (2015): Merkblatt SIA 2024 – Données d’utilisation des locaux pour l’énergie et les installations du bâtiment
[8] Mylona, Z.; Kolokotroni, M.; Tassou, S.A. (2017): Frozen food retail: Measuring and modelling energy use and space environmental systems in an operational supermarket. Energy Build 144: 129–43. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2017.03.049
[9] Cimsit, C.; Ozturk, I.T. (2012): Analysis of compression-absorption cascade refrigeration cycles. Appl. Therm. Eng. 40: 311–7. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2012.02.035
[10] ANSI/AHRI (2013): ANSI/AHRI STANDARD 1200 (I-P)-2013 for Performance Rating of Commercial Refrigerated Display Merchandisers and Storage Cabinets
[11] Koordinationskonferenz der Bau- und Liegenschaftsorgane der öffentlichen Bauherren KBOB. Ökobilanzdaten im Baubereich 2009/1:2012. Stand 2012: 1–19
[12] SolCAD – Potentiel du solaire thermique dans les chauffages à distance en Suisse. OFEN, SI/501961. https://www.aramis.admin.ch/Grunddaten/?ProjectID=45280

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