Utilisation de mélanges non-azéotropiques d'hydrocarbures dans une pompe à chaleur pour réseaux de chauffage à distance à basse température

Cette étude traite de l'utilisation des mélanges non-azéotropiques d'hydrocarbures dans des Pompes A Chaleur (PAC) pour remonter localement la température de réseaux de Chauffage A Distance (CAD) « basse température » (~40°C) afin de produire de l'eau chaude sanitaire et/ou pour des radiateurs classiques. Un démonstrateur fonctionnant au n-butane a déjà été réalisé au sein l'HEIG-VD et était à disposition pour des mesures expérimentales.

Au niveau de l'intégration hydraulique, il est important de minimiser le débit côté CAD pour limiter le diamètre des conduites. A parité de puissance thermique, cela comporte une augmentation de la différence de température (ΔT) entre l'entrée et la sortie de la PAC.

Le COP expérimental du démonstrateur au n-butane pour un ΔT de 3 K (40/37°C CAD et 45/50°C eau chaude) est 6.8. En augmentant le ΔT à 10 K (40/30°C et 45/50°C), le COP descend à 5.2. Le fonctionnement de la machine devient ensuite instable pour des ΔT supérieurs.

Un mélange 50-50% propane/n-butane a été considéré pour l'étude. Grâce à une analyse théorique, le « glissement de température » de ce mélange non-azéotropique a été estimé à environ 15 K.

Un programme de simulation de cycles thermodynamiques a été créé pour comparer le mélange d'hydrocarbure et le butane. L'outil permet de calculer les puissances ainsi que les COP pour des ΔT allant jusqu'à 20 K côté CAD et eau chaude. Pour le mélange, en gardant le côté eau chaude fixe, il a été trouvé que le COP reste constant pour des ΔT entre 1 et 18 K au CAD, tandis que le COP avec le butane chute avec un ΔT supérieur à 5 K.

Dans des conditions de fonctionnement avec un ΔT de 20 K côté chaud et froid (40/20°C au CAD et 40/60°C pour l'eau chaude), une PAC avec les mêmes caractéristiques du démonstrateur existant est estimée avoir une puissance de chauffage de 13 kW et un COP de 5.2 en utilisant le mélange, et une puissance de 4.5 kW avec un COP de 3.5 en utilisant le butane.

Etudiant: Joël Pugin

Année: 2021

Département: TIN

Filière: Energie et techniques environnementales avec orientation en Thermique industrielle

Type de formation: Plein temps

Enseignant responsable: Enrico Da Riva

Institut: IGT

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