Les différentes configurations de pompes à chaleur solaires-thermiques pour bâtiments

Des chercheurs italiens ont passé en revue différentes configurations pour des systèmes de pompes à chaleur à assistance solaire photovoltaïque-thermique. Selon eux, l’utilisation du capteur PV thermique comme évaporateur de la pompe à chaleur permet la récupération de chaleur la plus importante. Néanmoins, un système à double source équipé d’un échangeur de chaleur séparé constitue la solution la plus prometteuse pour couvrir tous les besoins thermiques.

février 22, 2023 Beatriz Santos

Maison équipée d'une pompe à chaleur.

Image : Viessmann

D’après pv magazine International

Des chercheurs de l’Université polytechnique de Milan ont donné un aperçu des différentes configurations de pompes à chaleur à assistance solaire photovoltaïque-thermique (PVT-SAHP) pour les bâtiments. Si la recherche a jusqu’à présent porté principalement sur les pompes à chaleur à assistance solaire thermique, les universitaires notent que « le recours aux capteurs solaires photovoltaïques-thermiques (PVT) se répand, un usage qui pourrait être couplé aux pompes à chaleur et présenterait des avantages pour les deux systèmes ».

L’équipe s’est uniquement intéressée aux pompes à chaleur à compression de vapeur et aux systèmes PVT-SAHP pour le chauffage ou le refroidissement de l’eau, l’application la plus courante dans les bâtiments. Elle s’est penchée exclusivement sur les capteurs PVT plans fonctionnant avec de l’eau, car il s’agit « de la technologie PVT la plus efficace et la plus réalisable pour les systèmes CVC (chauffage, ventilation, climatisation) ».

Les chercheurs ont classé les systèmes PVT-SAHP en différentes catégories, en fonction de la manière dont les pompes à chaleur (PAC) utilisent l’énergie solaire. Il existe des systèmes à détente directe (DX), dans lesquels le capteur PVT est utilisé comme évaporateur de la PAC ; et des systèmes à détente indirecte (IDX), dans lesquels un échangeur de chaleur est interposé entre l’unité PVT et la PAC. Ces deux catégories peuvent encore être divisées en configurations à source unique, dans laquelle l’énergie solaire est la seule source de chaleur pour la PAC ; et en configurations à double source, où une autre source de chaleur intervient en plus du solaire.

D’après l’étude, les systèmes PVT-SAHP à détente directe et source unique constituent une solution simple et efficace pour chauffer l’eau. Ses applications pour le refroidissement sont toutefois limitées en raison du manque de source froide additionnelle, par exemple l’air ou la géothermie. Les travaux expérimentaux ont enregistré un coefficient de performance (COP) moyen situé entre 2,7 et 7 pour ces systèmes, au cours d’expériences réalisées dans des conditions environnementales favorables.

L’absence d’échangeur de chaleur intermédiaire facilite leur construction et fait baisser les coûts. Cependant, le recours au capteur PVT comme évaporateur de la PAC rend le système vulnérable à la variabilité du rayonnement solaire.

« Des stratégies complexes de contrôle sont donc nécessaires en cas de conditions météorologiques instables, tout comme l’utilisation d’un compresseur à vitesse variable », indiquent les scientifiques.

Ils précisent qu’il est crucial de choisir un réfrigérant répondant à la fois aux besoins du capteur PVT et de la PAC, afin de garantir que le liquide de refroidissement ne s’infiltre pas dans le compresseur. Si les systèmes PVT-SAHP à détente indirecte et double source seraient en mesure de résoudre bon nombre de défauts des systèmes susmentionnés, ils pourraient se révéler moins rentables. Ces systèmes affichent des COP moyens de 2,3 et 4,5, mais ces mesures ont été réalisées au cours d’essais à plus long terme.

« Le principal avantage des systèmes IDX-PVT-SAHP réside dans le gain de chaleur plus constant apporté par le solaire, le réfrigérant s’évaporant dans un échangeur de chaleur eau/gaz dans des conditions plus stables », expliquent les chercheurs.

Ils ajoutent que l’échangeur de chaleur séparé permet également de raccourcir les lignes de réfrigération, ce qui réduit la masse à réfrigérer et s’accompagne de bénéfices sur le plan économique et environnemental. En outre, ces systèmes offrent une configuration plus flexible, tandis que la source de chaleur supplémentaire augmente la production de la PAC. Cela ouvre la possibilité d’ajouter un stockage de l’eau chaude soit du côté de la pompe à chaleur, soit du côté de l’utilisateur.

Grâce à la deuxième source de chaleur, les systèmes PVT-SAHP à détente indirecte et source double constituent la meilleure solution pour le refroidissement. Il s’agit d’une solution complète qui couvre tous les besoins thermiques des bâtiments : chauffage, refroidissement et eau chaude sanitaire.

« Ces systèmes sont en outre mieux adaptés pour être couplés à des pompes à chaleur géothermique, qui sont très populaires dans les régions à dominante thermique », affirment les chercheurs.

D’après eux, les capteurs PVT plans avec lamination directe des cellules PV sur des absorbeurs roll-bond garantissent le meilleur compromis entre rendement, fiabilité, complexité de fabrication et coût.

« Il a été confirmé que l’intégration dans les systèmes de PAC améliore à la fois les performances électriques et thermiques en raison du refroidissement actif, ce qui est intéressant dans les configurations à détente directe et indirecte », concluent les universitaires.

Ils exposent leurs conclusions dans « Photovoltaic-thermal solar-assisted heat pump systems for building applications: Integration and design methods », récemment publié dans Energy and Built Environment.

Traduction assurée par Christelle Taureau.

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