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Etude d'intégration et de dimensionnement d'un échangeur de chaleur entre une source de chaleur de l'environnement et un réseau CO2

L'intégration des Pompes à Chaleur (PAC) dans les réseaux de chauffage à distance demande l'accès à des sources de « chaleur ambiante » telles que des rivières. En fonction de la configuration du terrain et de la taille de la centrale abritant la PAC, la réalisation du réseau de transfert de chaleur peut s'avérer onéreuse et peu aisée.

Dans ce cas, un réseau CO2 à changement de phase pour le transport de chaleur entre la source et la centrale peut permettre de réduire l'investissement économique par rapport à un réseau d'eau classique, grâce à la réduction importante des diamètres. De surcroît, l'éventuelle différence de hauteur entre la rivière et la centrale peut être exploitée avantageusement afin de permettre l'exploitation du réseau par circulation naturelle (thermosiphon) sans pompe.

L'efficacité énergétique du système dépend lourdement du dimensionnement thermique et hydraulique de l'échangeur qui vaporise le CO2 grâce à la chaleur puisée de la rivière. Également, le choix du diamètre de la ligne qui remonte la vapeur de CO2 vers la centrale et celui de la ligne qui fait redescendre le CO2 condensé en centrale est crucial.

L'objectif du travail a été de développer plusieurs scripts Python permettant de dimensionner et de simuler le comportement du système. Ces scripts utilisent des méthodes de calcul itératives développées lors de l'étude, ainsi que des corrélations empiriques provenant de la littérature. Ils permettent, entre autres, de dimensionner l'échangeur, d'évaluer ses performances en mode évaporateur et condenseur et de simuler le comportement d'un ensemble de systèmes thermiques.

Une fois l'outil terminé, il a été utilisé sur un cas concret proposé par l'entreprise ExerGo où l'objectif était de rendre compte de l'évolution du coefficient de performance de la PAC en fonction de divers paramètres tels que le débit d'eau puisé de la rivière, la température de la source ou encore l'encrassement de l'échangeur.