Le prototype de pompe à chaleur assistée par PV-avec double condenseur atteint un coefficient de performance de 7,59

Des chercheurs de l'université Miguel Hernández d'Elche, en Espagne, ont conçu un système de pompe à chaleur air-eau-- capable de déplacer la production d'eau chaude sanitaire (ECS) vers les heures d'ensoleillement centrales, maximisant ainsi l'utilisation de la production d'énergie photovoltaïque.

La nouveauté du système réside dans l'utilisation de deux condenseurs au lieu d'une seule unité.

Les chercheurs ont expliqué qu'une pompe à chaleur compacte conventionnelle pour eau chaude sanitaire (ECS) comprend un compresseur, un évaporateur, un détendeur et un condenseur enroulé autour du fond du réservoir de stockage, chauffant tout le volume d'eau par convection naturelle. La configuration proposée à double-condenseur ajoute un deuxième condenseur en haut du réservoir, combiné à un système de contrôle optimisé pour sélectionner le mode de fonctionnement, tout en conservant les composants standards.

Les condenseurs inférieur et supérieur sont constitués de tubes en spirale installés entre la paroi du réservoir et la couche isolante. Lorsque le condenseur inférieur fonctionne, la chaleur est délivrée au fond du réservoir de 215 litres, favorisant la stratification et chauffant tout le volume. Lorsque le condenseur supérieur est activé, seule la partie supérieure du réservoir est chauffée, permettant un fonctionnement plus ciblé et un stockage d'énergie réduit.

Le prototype a été développé à partir d'une pompe à chaleur commerciale split-air-à-eau équipée d'un compresseur Scroll de 600 W et d'un réfrigérant R134a. La résistance électrique d'origine de 2 400 W a été débranchée pour assurer un fonctionnement exclusivement en mode pompe à chaleur. Le système avait un coefficient de performance (COP) évalué par le fabricant de 3,17 à 14 °C. Les modifications comprenaient l'intégration du deuxième condenseur, la refonte du circuit de réfrigération et la mise à niveau du système de contrôle pour des tests dans des conditions réalistes de fonctionnement de l'eau chaude sanitaire et du photovoltaïque.

La configuration expérimentale a été conçue pour reproduire la demande réelle d'ECS des ménages à l'aide d'un système en boucle fermée-afin d'éviter le gaspillage d'eau. Il comprenait deux chambres climatiques, la pompe à chaleur à double-condenseur, une installation photovoltaïque de 600 W et un circuit hydraulique contrôlé. La pompe à chaleur a été connectée à la fois au réseau et au système photovoltaïque, sans aucune compensation financière envisagée pour le surplus d'électricité injecté dans le réseau.

Un réservoir auxiliaire, une pompe de circulation et un refroidisseur d'eau maintenaient la température de l'eau d'entrée à 10 °C pour simuler les conditions d'alimentation secteur. Un contrôleur Arduino Mega gérait les pompes, les vannes, le refroidisseur et la pompe à chaleur pour permettre des tests automatisés. Le système était également équipé de 30 capteurs de température, de débitmètres et de dispositifs de surveillance électrique, avec des données enregistrées à intervalles d'une -minute.

Les chercheurs ont évalué trois configurations à une température ambiante de 18 ° C : une pompe à chaleur conventionnelle à simple-condenseur, le même système couplé au PV et la pompe à chaleur à double-condenseur avec PV. Les tests ont suivi un profil de consommation d'ECS basé sur la norme EN 16147, garantissant des températures de soufflage supérieures à 45 C.

Les résultats ont montré que la configuration à double-condenseur améliorait le contrôle de la stratification, réduisait la consommation d'énergie globale et maintenait la qualité du service ECS tout en augmentant considérablement l'autoconsommation photovoltaïque-.

L'analyse a révélé que le COP saisonnier moyen de la pompe à chaleur atteignait 3,55 dans la configuration à un seul-condenseur et 3,65 lorsqu'elle était combinée avec le photovoltaïque.

"Comme prévu, les deux valeurs sont similaires, puisqu'il n'y a aucune différence de mode de fonctionnement entre elles", a souligné l'équipe de recherche. "Dans le troisième test, avec deux condenseurs et une stratégie de contrôle améliorée qui permet de fonctionner avec une température d'eau plus basse, cette efficacité s'élève à 3,71. Cette tendance est plus prononcée lors de l'analyse de l'efficacité du service ECS, où les résultats sont de 3,08 et 3,12 pour les deux premiers modes de fonctionnement et de 3,37 pour la configuration avec deux condenseurs et panneaux photovoltaïques. Comme le ballon est plus froid dans la configuration avec deux condenseurs, il y a moins de pertes de chaleur."

L'autoconsommation d'énergie solaire-avec le système à double-condensateur est quant à elle passée de 9,9 % à 55,5 %.

"Les résultats soulignent également la nécessité de prendre en compte l'autoconsommation instantanée-, en utilisant une base de calcul d'au plus minute-par-minute plutôt qu'heure ou jour, car cette dernière entraîne des contributions solaires irréalistes", ont conclu les universitaires. "Compte tenu de l'énergie fournie par les panneaux photovoltaïques, les performances du HP peuvent être réévaluées, conduisant à un COP de 3,46 en travaillant avec un seul condenseur et de 7,59 en travaillant avec la configuration à double condenseur."

Le système a été décrit dans « Évaluation expérimentale d'une nouvelle conception de pompe à chaleur photovoltaïque à double condenseur », publiée dans Solar Energy.