Une Pac haute température associant compression et absorption

La GreenPac utilise les mêmes composants qu’une pompe à chaleur traditionnelle. Le fluide étant constitué d’un mélange égal d’eau et d’ammoniac (NH₃), l’eau ne s’évapore pas dans l’évaporateur/désorbeur. Une bouteille de séparation est ajoutée afin de dissocier le liquide de la vapeur. Le compresseur aspire exclusivement de l’ammoniac. La solution pauvre (environ 40 % d’ammoniac + eau) est aspirée par la pompe de solution. Cette pompe permet de transférer la solution pauvre de la basse vers la haute pression. À l’intérieur de l’absorbeur, la chaleur est transférée du mélange eau/ammoniac à la source chaude par condensation et absorption d’où le nom « hybrid ». « Tout l’intérêt de ce système réside dans le fait que la pression de service est deux fois plus faible par rapport à de l’NH₃ pur. Sur une installation, avec une température de 90 °C, en ammoniac pur, la pression serait de 50 bar, ce qui fait que la limite mécanique des compresseurs est très vite atteinte, explique Jean-Yves Druillennec, directeur développement durable du pôle Axima Réfrigération d’Engie Axima. Aujourd’hui, certains constructeurs développent de nouvelles machines au CO₂, qui demeurent limitées d’un point de vue fonctionnement car les pressions de service engendrent une usure mécanique sévère. Il est donc préférable de rester sur une machine standard avec des pressions de service deux fois plus faibles. »

La GreenPac peut atteindre des températures élevées supérieures à 100 °C. Elle permet une utilisation de compresseurs standards quelle que soit la marque avec un taux d’usure faible. Dans certains cas de figure, la Pac atteint des COP supérieurs à des Pac classiques, notamment lorsque le glissement est très important sur la partie chaude. « Dans le cas d’une Pac hybrid, il y a obligation d’avoir au moins 10 °C sur l’écart de température chaud. Sans ces 10 °C, l’absorption n’est pas possible. Ceci est très différent d’une Pac classique avec un fluide pur ou le glissement peut descendre à 5 °C », poursuit Jean-Yves Druillennec.

« En ce qui concerne les applications, nous comptons de nombreuses études à notre actif ainsi que quelques réalisations. Parmi ces réalisations, je pense en particulier à une fromagerie à Vire en Normandie. Il s’agit d’une grande fromagerie, la Greenpac est en fonctionnement depuis un an et donne entière satisfaction. Nous avons remplacé plusieurs applications vapeur. Le passage d’une boucle d’eau chaude à une boucle vapeur a permis de générer un gain de 25 % d’économie de gaz. D’autres réalisations sont en cours et sont orientées vers des besoins chaud supérieurs à 1 MW. »

Dans les évolutions récentes, Engie Axima indique porter un soin particulier à l’étude préliminaire à l’installation. Il s’agit à chaque fois d’une unité faite sur mesure dans laquelle chaque composant est dimensionné. « Avec une Pac classique, l’installation s’adapte au standard. Mais l’installation de notre Pac hybrid, GreenPAC, nécessite moins de maintenance et moins de contrainte et sa durabilité est plus élevée. Le taux de service se doit d’être élevé pour rentabiliser la Pac. »

Pac à l’ammoniac et aux HFO

Johnson Controls commercialise principalement deux marques de Pac haute température : Sabroe et York.

- Sabroe DualPac commercialisée depuis 2017 est une gamme de pompes à chaleur à l’ammoniac avec des puissances unitaires allant jusqu’à 1 750 kW. Ces pompes à chaleur combinent des groupes ChillPac, HeatPac et HeatPac HPX en une seule et même unité, grâce à un système modulaire qui permet d’atteindre des écarts de température élevés (85 °C entre source d’énergie disponible et niveau de température auquel l’énergie est restituée au client), en conservant les avantages liés à un design compact et à une meilleure économie d’exploitation. L’eau est restituée à 90 °C.

DualPac est une configuration de pompe à chaleur haute température à deux étages. Deux compresseurs pistons standards ont été disposés en série sur une même unité pour un gain d’efficacité (65 % du COP de Carnot). « La Pac a été conçue dans le but de garantir des performances optimales et de fonctionner dans des conditions de marche les plus diverses tout en conservant les avantages pratiques (faible charge de fluide frigorigène et faible encombrement) offerts par les Pac Sabroe », précise Jean-Jacques Lebatard, directeur Pac industrielles chez Johnson Controls.

La configuration DualPac repose sur un refroidisseur intermédiaire ouvert, spécialement conçu à cet effet, qui utilise une charge minimale de fluide frigorigène.

En termes d’applications, les fleuves ou les stations d’épuration sont des sources d’énergie possibles : la Pac y puise une eau à 10-15 °C et la met à disposition du client comme un réseau de chaleur. Des applications sont en réalisation notamment au Danemark, en Suède et en Norvège.

- Sabroe HeatPac HPX est une pompe à chaleur haute pression à l’ammoniac, mono étage, utilisant un compresseur à pistons, avec une gamme de puissance allant de 300 à 1 300 kW (évolution de la puissance par rapport à 2017). Ces Pac sont compactes et présentent une configuration à un étage, dont les dimensions et le poids sont réduits de moitié par rapport aux autres modèles de pompes généralement requis pour obtenir une production d'eau chaude à 90 °C.

Ces groupes à haut rendement énergétique possèdent un design de compresseur hybride HPX révolutionnaire qui permet des pressions différentielles allant jusqu'à 40 bar et des pressions de refoulement allant jusqu'à 60 bar, combiné à la technologie d’évaporateur compacte du refroidisseur à ammoniac intégré ChillPac. Les pompes à chaleur HeatPac HPX permettent la production d'eau chaude à des températures pouvant atteindre 90 °C à partir d'une source adéquate de chaleur à basse température avec un faible apport d'énergie supplémentaire. Elles fournissent de l’eau chaude à des températures idéales pour la stérilisation et la pasteurisation, ainsi que de nombreuses autres fonctions et processus industriels. Enfin dans la famille Sabroe fabriquée au Danemark, NS HeatPac est une solution sur-mesure. Ces solutions équipées de compresseurs à vis haute pression délivrent une puissance allant jusqu’à 13 MW. Elles sont étudiées au cas par cas pour s’adapter aux besoins spécifiques d’une application industrielle. L’ensemble de ses solutions sont testées en plateforme avant livraison afin de garantir les performances demandées.

- La seconde marque chez Johnson Controls est York : d’une puissance s’échelonnant de 2 à 15 MW, elle fonctionne avec un fluide HFO à bas GWP. L’eau est restituée entre 85 et 95 °C. Elle est adaptée à des installations importantes telles que des réseaux de chaleur. Des réalisations sont en cours en France pour ce type d’application. Ces solutions sont équipées de compresseurs à vis ou centrifuges. Elles permettent d’atteindre des écarts de température de l’ordre de 80 °C avec un niveau de performance élevé. Elles sont fabriquées en France dans l’usine de Carquefou (44) et conçues à la demande. Leur performance est garantie par des tests en plateforme d’essais avant livraison sur site.

La seconde famille de Pac haute température York est composée de machines à absorption permettant de délivrer de l’eau à 95 °C. Elles fonctionnent avec plusieurs sources d’énergie possible : eau chaude, vapeur, gaz. Leur puissance s’échelonne de 1 à 40 MW. Elle utilise l’eau comme fluide frigorigène.

Bientôt une Pac délivrant une chaleur de 150 °C

L’entreprise japonaise annonce le développement d’un prototype de pompe à chaleur haute température avec l’objectif de fournir de la chaleur à 150 °C avec un COP supérieur à 3,5. La Pac employant du R 600 comme fluide frigorigène, est destinée aux industries de transformation alimentaires et aux industries chimiques, au sein desquelles de grandes quantités de chaleur sont perdues.

Mayekawa fait valoir que, plutôt que d'utiliser des chaudières pour fournir de l'eau chaude, les entreprises peuvent augmenter leur efficacité énergétique plus de 1,75 fois en augmentant la température de la chaleur perdue à l'aide d'une thermopompe et en réutilisant cette même chaleur.

Le fabricant a déclaré avoir procédé à une simulation dont les résultats ont montré que l'objectif initial consistant à chauffer de 80 à 150 °C avec un COP supérieur à 3,5 pouvait être atteint.

À l'avenir, Mayekawa indique que les performances réelles du prototype seront évaluées, tandis que des composants tels que les compresseurs et les échangeurs de chaleur continueront d'être optimisés.

En outre, le fabricant précise que l’utilisation d’autres fluides non inflammables est considérée ; le R 600 utilisé comme fluide de travail dans cette étude étant inflammable. La date de sortie du système n'a pas été spécifiée.

En parallèle Mayekawa, en collaboration avec l'université Waseda étudie la faisabilité de pompes à chaleur à 200 °C avec l’utilisation d’un HFO. 

Des Pac multitempératures

Les pompes à chaleur Combitherm offrent la possibilité de traiter l’énergie d’une manière complémentaire. Dans de nombreux procédés industriels, de la chaleur perdue est générée et peut être utilisée efficacement, et n’a donc pas besoin d’être libérée dans l’environnement. Fonctionnant avec du R 134a, elles peuvent être utilisées pour des températures allant jusqu'à 75 °C. Divers compresseurs sont disponibles et différents types d’échangeurs de chaleur peuvent être adaptés à différents besoins. De plus, avec le R 1234ze, il est possible de monter à des températures allant jusqu'à 95 °C. Pour des températures atteignant 120 °C, le fluide R 245fa est adapté car il combine des caractéristiques de basse pression, des propriétés respectueuses de l’environnement et des capacités thermodynamiques valables. À noter que le R 1234ze est désormais disponible dans les systèmes Combitherm. Avec des températures d'alimentation entre 20 et 95 °C, il est possible de répondre à de nombreuses exigences dans le domaine du chauffage.

Pac jusqu’à 85 °C au R 1234ze

Les Pac Aquaforce 61XWHZE peuvent valoriser les sources de chaleur naturelle et résiduelle pour offrir des solutions d’énergie viables pour plusieurs applications de chauffage. En utilisant des sources d'énergie renouvelables pour l'air, l'eau et le sol, elles proposent aux « villes intelligentes » une solution d'alimentation en énergie plus durable. Produisant de l'eau chaude jusqu'à 85 °C, elles peuvent compléter ou remplacer les chaudières traditionnelles dans les applications telles que : le chauffage des bâtiments commerciaux ; le chauffage urbain et le chauffage pour les process industriels. Affichant une puissance de 200 à 2 500 kW, les Pac sont de tailles compactes (de 900 à 1 400 mm de large). Ceci facilite la manutention et l’installation ainsi que la maintenance par un accès rapide aux principaux composants. Aquaforce 61XWHZE est équipée d’un évaporateur noyé pour un transfert de chaleur amélioré et un nettoyage facile des tubes du côté eau. La pression de service peut s’élever jusqu'à 1 000 kPa du côté eau. Côté régulation, elle dispose d’un écran tactile intuitif sur lequel sont affichés tous les principaux paramètres. Cette régulation Touch Pilot permet un accès direct aux schémas techniques et aux principaux documents d'entretien de l'unité. En outre, elle offre un suivi très facile à distance via Internet et un accès facile et sécurisé aux paramètres de l'unité.

Ces pompes à chaleur présentent d’autres avantages pour répondre aux besoins de chaque client et satisfaire aux contraintes de chaque projet : une conception compacte (de 900 à 1 400 mm de large) pour un gain de la place dans les locaux techniques ; plusieurs dispositions pour le raccordement de l'eau, pour une installation flexible dans les locaux techniques existants ainsi qu’une haute température d'entrée d'eau du côté condenseur (jusqu'à 60 °C) pour raccorder plusieurs unités en série à contre-courant.

Pac CO₂ pour ECS à 90 °C

La pompe à chaleur eau/eau EW-HT de marque Climaveneta très haute température et très hautes performances a été conçue dans le but de capter les calories sur un circuit de refroidissement afin de produire de l’eau chaude à 78 °C en récupération d’énergie. Elle est notamment adaptée à la plasturgie.

Dans les autres solutions, Yuzen de marque Mitsubishi Electric est une pompe à chaleur CO₂ pour la production d’ECS jusqu’à 90 °C. Elle intègre des ballons de stockage ECS ainsi qu’un module de transfert thermique (kit hydraulique). Elle a été conçue en partenariat avec Lacaze Energies (groupe Cahors), qui produit les ballons de stockage et le module de transfert thermique pour la solution Yuzen. Elle s’adapte très bien aux réglementations en cours et à venir d’abandon progressif des énergies fossiles.

*À noter que Viessmann n’a pas souhaité donner suite car leur offre Pac industrielle ne sera plus commercialisée en France.

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