D’après pv magazine International
Une équipe de recherche internationale a développé un nouveau système de pompe à chaleur alimenté par des panneaux photovoltaïques qui utilise la production d’électricité excédentaire pour charger une installation de stockage d’énergie thermique souterraine (UTES), qui à son tour améliore l’activité de la pompe à chaleur.
Le système a été décrit dans « Development and simulated evaluation of inter-seasonal power-to-heat and power-to-cool with underground thermal storage for self-consumption of surplus solar energy in buildings » (Développement et évaluation simulée de la production de chaleur et de froid intersaisonnière avec stockage thermique souterrain pour l’autoconsommation de l’énergie solaire excédentaire dans les bâtiments), publié dans Energy Conversion and Management. L’équipe de recherche comprend des scientifiques de l’Université de Nairobi au Kenya et de l’Institut coréen de recherche sur l’énergie en Corée du Sud.
D’après la simulation de trois études de cas, le système a permis d’économiser jusqu’à 14 % d’énergie dans les opérations de production de chaleur (P2H) et jusqu’à 39 % dans les opérations de production de froid (P2C). « Les installations solaires photovoltaïques ont augmenté de manière considérable, donnant lieu à un énorme surplus de production d’électricité, qui est devenu un problème nécessitant des solutions alternatives », ont déclaré les universitaires. « Un équilibre entre la production et la consommation peut être assuré en tirant parti des approches P2H et P2C pour utiliser efficacement l’électricité photovoltaïque excédentaire. Cependant, l’un des principaux problèmes dans son application est l’absence d’une configuration de système sophistiquée avec une stratégie opérationnelle couplée à des méthodes de contrôle simples ou complexes pour réaliser cet équilibre. »
Le nouveau système a été simulé avec le logiciel TRNSYS 18. Sa principale méthode opérationnelle consiste à utiliser l’énergie photovoltaïque excédentaire au printemps et à l’automne, car le chauffage et la climatisation sont moins demandés pendant ces mois. Au printemps, la pompe à chaleur refroidit l’UTES, ce qui permet ensuite d’assurer le refroidissement l’été suivant. En automne, en revanche, la pompe à chaleur charge l’UTES en chauffage, ce qui permet ensuite d’obtenir des températures confortables en hiver
La simulation du système proposé a été appliquée à un bâtiment scolaire public à Séoul, en Corée du Sud. Son toit de 2 500 m2 a été recouvert de panneaux photovoltaïques d’une efficacité de 21 % pour alimenter une pompe à chaleur air-eau (ASWL). Elle est supposée avoir une capacité de chauffage et de refroidissement de 160 kW, avec une consommation électrique de 40 kW et 50 kW pour le refroidissement et le chauffage, respectivement. Pour convertir l’énergie thermique de l’eau en air utilisable dans la pompe à chaleur, ils ont également supposé un échangeur de chaleur de 4 kW avec des débits d’air et d’eau de 10 000 l/s et 300 000 kg/h, respectivement.
Le scénario de base qui a été testé n’utilisait que la pompe à chaleur alimentée par le photovoltaïque, tandis que le cas 1 utilisait une UTES peu profonde et que le cas 2 déployait une UTES profonde. En outre, l’installation peu profonde consistait en 964 forages d’un volume modifié de 800 m3 et d’une profondeur de 1,5 m, et l’UTES profonde consistait en 10 forages d’une profondeur de 150 m et d’un volume identique de 800 m3.
« Le modèle de bâtiment scolaire a été choisi pour sa simplicité, et il se compose de quatre étages, chacun avec une surface extérieure totale de 1 312 m2 à travers laquelle les pertes thermiques ont lieu », ajoutent les chercheurs. « Le signal de climatisation de la zone maintient la température de la pièce entre 18 et 22 °C pendant la période de chauffage et entre 24 et 28 °C pendant la période de refroidissement. Les charges de refroidissement et de chauffage étaient respectivement de 26,27 kWh/m2 et de 52,69 kWh/m2. » Les résultats de la simulation ont montré que le coefficient de performance saisonnier (SCOP) a été augmenté de 9 % et 27 % en hiver et en été, respectivement, pour le cas 1 et de 9 % et 25 % pour le cas 2. Par rapport au cas de base, cela s’est traduit par des économies d’énergie de 14 % pour le chauffage et de 39 % pour le refroidissement dans le cas 1, et de 13 % et 36 % dans le cas 2.
« Les cas 1 et 2 ont produit approximativement le même ratio d’autoconsommation (SCR) et le même ratio d’utilisation de l’énergie excédentaire (SEUR), avec des valeurs approximatives de 81 % pour le SCR et de 26 % pour le SEUR », ont déclaré les universitaires. « En outre, l’efficacité thermique de l’UTES d’environ 60 % et 52 % a été obtenue pour les cas 1 et 2, respectivement.
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