Nouvelle génération de systèmes CVCA durables avec les pompes à chaleur au CO2
Le R d'ASHRAE: La réfrigération est l’un des piliers d’ASHRAE, car les réfrigérants et leur consommation énergétique ont un impact important sur l’environnement, et les derniers mois furent très prospères en la matière :
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nouvelle édition 2022 du livre sur la réfrigération (Refrigeration Handbook 2022);
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dynamisme du comité de réfrigération et nombreux ouvrages pour guider les professionnels (https://www.ashrae.org/technical-resources/refrigeration).
En septembre 2022, le chapitre de Montréal et CETAF accueillaient Alain Mongrain qui fournit une mise à jour sur les réfrigérants, ainsi que les équipes de recherche et développement technologiques présentant certaines des dernières innovations en la matière (Résumé des conférences: https://forumrefrigeration.org/forum-refrigeration-2022-une-4e-edition-attendue/).
Le présent article permet d’observer les détails de ces plus récentes mises à jour.
*Le texte provient d’une traduction libre de vos éditeurs, en collaboration avec les équipes et ingénieurs d’Emerson et Vilter
Technologie de pompe à chaleur à haut rendement : une voie vers des bâtiments durables
Le Groupe des Nations Unies pour le développement durable a identifié le changement climatique comme un risque important pour l'économie mondiale. Au cours des dernières années, nous avons observé l'importance croissante des critères de développement durable et ESG (environnementaux, sociétaux, gouvernance) alors que les organisations poursuivent leurs efforts pour s'assurer que les pratiques commerciales sont durables et minimisent l'impact environnemental. L'un des domaines prioritaires pour améliorer le développement durable se situe au sein du secteur du bâtiment qui, selon l'International Energy Association (2020), représente 30% de l'énergie totale consommée dans le monde, soit 3100 Mtep, dont 55% de la consommation mondiale d'électricité et 28% des émissions de CO2. Alors que la surface de plancher des bâtiments mondiaux devrait doubler d'ici 2070, la décarbonisation et l'électrification des systèmes de chauffage et de refroidissement joueront un rôle important dans l'atteinte de zéro émission nette d'ici 2050 au Canada et aux États-Unis.
Dans les principales régions de chauffage telles que le Canada, l'Europe, les États-Unis et la Chine, le facteur de performance saisonnier (COP) élevé des pompes à chaleur (300% - 400%) est attrayant en termes de développement durable et du coût total d’opération par rapport aux solutions traditionnelles de chauffage et climatisation. Bien que les coûts d'investissement initiaux associés aux pompes à chaleur soient généralement plus élevés, une bonne intégration dans les constructions (chauffage et refroidissement simultanés) peut générer des gains qui réduisent considérablement la consommation énergétique annuelle et l'empreinte carbone. Alors que les leaders mondiaux et les gestionnaires recherchent des solutions pour améliorer le développement durable de leurs installations, on prévoit que les pompes à chaleur et compresseurs jouent un rôle clé. En bref, les pompes à chaleur offrent les avantages suivants:
- Réduction significative des émissions de gaz à effet de serre (GES);
- Augmentation substantielle de l'efficacité énergétique;
- Coût total de possession du cycle de vie inférieur à celui des technologies comparables.
Consommation énergétique par secteur
Les applications des POMPES À CHALEUR
Les pompes à chaleur sont des substituts, durables et efficaces, aux systèmes de chauffage/climatisation à l'eau avec chaudières au gaz naturel et électriques. Excellentes candidates technologiques pour les rénovations de bâtiments et les nouvelles installations, les pompes à chaleur peuvent être utilisées dans les applications de transformation des aliments, de fabrication industrielle, de chauffage urbain (boucles énergétiques) et de CVCA pour :
- le chauffage hydronique;
- le chauffage des espaces;
- l’assainissement.
Les pompes à chaleur au CO2
Conçue pour aider les grands propriétaires et exploitants de bâtiments à réduire les émissions de gaz à effet de serre et à améliorer l'efficacité énergétique, la solution de pompe à chaleur CO2 développée est un système unique qui fournit un chauffage et un refroidissement simultanés à haut rendement pour les processus CVCA des bâtiments. La chaleur est captée d'une source de chaleur (à l'intérieur du bâtiment ou à l'extérieur), rehaussée par la pompe à chaleur et transférée vers des réservoirs de stockage d'eau pour une utilisation dans les applications d'eau chaude sanitaire, de chauffage des locaux et d'eau glacée. Une conception mécanique intégrée avec stockage thermique offre un avantage supplémentaire en réduisant la demande de pointe. Cette solution présente les fonctionnalités clés suivantes :
- Chauffage et refroidissement simultanés à haut rendement
Le coefficient de performance combiné (COP) est de 6,4*, ce qui est environ 3 fois plus efficace que le COP combiné des systèmes de chaudière/refroidisseur traditionnels
- Réfrigérant A1 respectueux de l'environnement
Réfrigérant à faible GWP à l'épreuve du temps avec la classe de sécurité la plus élevée. 99 fois moins nocif pour l'environnement que les réfrigérants R-134A ou R-513A
- Système de contrôle intégré avec fonctionnalité de réponse à la demande
Un système de commande spécialement développé optimise les performances opérationnelles et réduit la demande de pointe, ce qui se traduit par d'importantes économies d'énergie
- Technologie innovante de compression à vis unique**
Exemple de performances et usages d’un compresseur de qualité industrielle conçu pour les applications CO2 à haute pression.
*Dans des conditions de chauffage normales à 65 °F d'eau de source de chaleur et à 140 °F d'exigence de dissipateur de chaleur. L'efficacité peut varier selon le type d'échangeurs de chaleur utilisés.
**Les capacités présentées sont pour le modèle développé présenté en référence de l’article
Validation des performances chez Hydro Québec, Laboratoire des technologies de l'énergie (LTE)
La pompe à chaleur a été développée, testée et optimisée dans un environnement réel au Laboratoire des technologies énergétiques d'Hydro Québec à Shawinigan, Québec, Canada sur une période de 3 ans (2020 - 2022). En faisant fonctionner le système dans des conditions réelles (charges de chauffage et de refroidissement du bâtiment) et en le combinant avec un stockage d'énergie thermique, les développeurs et chercheurs ont pu valider les caractéristiques de performance des pompes à chaleur.
Émergence du CO2 à titre de réfrigérant
Le CVCAR est sous le feu des projecteurs environnementaux depuis plus d'une décennie, d'autant plus que des études sur les fuites ont révélé les impacts considérables des émissions d'hydrofluorocarbures (HFC). En réponse, de nombreuses nouvelles options de réfrigérants et architectures de systèmes sont apparues, à la fois sur papier, et en pratique, créant des choix délicats pour les décideurs. Les avantages environnementaux significatifs du R744 (CO2) ont garanti sa position comme une option de premier plan pour les futurs systèmes CVCAR. Des résultats favorables ont été démontrés dans différentes configurations de système pendant de nombreuses années, en particulier en Europe, en Australie et au Canada.
Les coûts d'investissement, initialement élevés, sont désormais à la baisse, tandis que les innovations dans la technologie des composants et les méthodes d'application continuent de révéler des gains potentiels.
Les durcissements des réglementations aura un impact sur les choix de réfrigérants, et les caractéristiques inhérentes du CO2 en tant que réfrigérant à faible GWP, non toxique et ininflammable en font une excellente option pour une utilisation dans les bâtiments commerciaux et les installations publiques. C'est pourquoi on observe une adoption croissante du CO2 dans les supermarchés, les installations industrielles, les centres de données et les patinoires, avec plus de 35 000 systèmes transcritiques installés dans le monde (Shecco, 2020).
Source: Alain Mongrain, Emerson Vilter