Contexte

Qu’est-ce qu’une pompe à chaleur?

Une pompe à chaleur permet de transférer de la chaleur d’un environement froid vers un milieu à plus haute température. Elle se compose essentiellement de 5 composants principaux:

  • Un réfrigérant, un fluide caloporteur qui s’évapore et se condense sous l’effet de variations de pression;
  • L’évaporateur, un échangeur de chaleur qui puise de la chaleur dans l’environnement pour évaporer le réfrigérant. Il réfère au côté froid de la pompe à chaleur;
  • Le condenseur, un échangeur de chaleur qui rejette de la chaleur dans l’environnement pour condenser le réfrigérant. Il réfère au côté chaud de la pompe à chaleur;
  • Un compresseur qui aspire les vapeurs produites par l’évaporateur. Il augmente la pression tout en créant une surchauffe;
  • Un robinet de détente qui crée une chute de pression à travers un petit orifice.

La figure suivante illustre les différents composants d’une pompe à chaleur typique et la façon dont ils sont interconnectés.

Les performances du système se traduisent généralement par un coefficient de performance (COP). À partir du bilan d’énergie et d’entropie du système, il est possible de montrer qu’une baisse de température de la source froide (TL) conduit à une augmentation du travail du compresseur (W) nécessaire au transfert de chaleur (QH) de la source froide vers la source chaude. En d’autres termes, lorsque la température ambiante extérieure diminue, le compresseur doit fournir un travail supplémentaire afin de continuer à chauffer la maison, la source chaude. La température du côté chaud (TH) est généralement constante aux environ de 20°C pour assurer le confort des occupants. La figure suivante résume la formulation mathématique associée à ce raisonnement.analysePAC

Les collecteurs solaires photovoltaïques (PV)

Les collecteurs solaires photovoltaïques sont des panneaux, tel qu’illustré ci-dessous, capable de produire de l’électricité lorsqu’ils sont exposés au rayonnement solaire. Un certain nombre de technologies existent mais les plus courantes reposent sur l’utilisation de cellules de silicium interconnectées entre-elles en série ou en parallèle.  Les performances des collecteurs solaires PV sont intimement reliées à la technologie des cellules PV utilisée ainsi qu’à la façon dont les collecteurs sont installés.collecteur PV

En fonctionnement normal, le collecteur solaire est en mesure de convertir seulement une partie du rayonnement solaire incident en électricité. Le reste de l’énergie est convertie en chaleur. Cette chaleur augmente la température du collecteur solaire et elle est éventuellement perdue dans l’environnement. Les performances des collecteurs solaires PV sont toutefois affectées par l’augmentation de température associée à leur fonctionnement. L’équation suivante est typiquement utilisée et elle exprime le rendement de conversion PV à une température donnée en fonction de l’élévation de température du collecteur solaire par rapport à la température de référence, T0.

analyse PV

Un exemple de calcul est aussi fourni pour un collecteur solaire composé de cellules de silicium monocristallines. Le rendement de ces cellules est environ de 15% à la température de référence de 25°C. En fonctionnement, il n’est pas rare de voir le collecteur solaire atteindre une température de 50°C. Son rendement chute alors de 1,66% pour atteindre 13,3%.

Pourquoi utiliser le CO2 comme réfrigérant?

Le fluide caloporteur utilisé dans un système de pompe à chaleur est appelé réfrigérant. Plusieurs types de fluides peuvent être utilisés. Historiquement, des fluides naturels tels que les hydrocarbures (HC), le dioxyde de carbone (CO2) et l’ammoniac étaient utilisés. Des réfrigérants synthétiques ont ensuite été mis en marché, les fameux chlorofluorocarbures mieux connus sous le nom de CFC. À la suite de la découverte des impacts négatifs de ces molécules sur la couche d’ozone et l’environnement, le Protocole de Montréal adopté à grande échelle par les pays prévoit un bannissement total et progressif de ces molécules. Les prochaines actions de cette entente visent le R-22, un réfrigérant qui sera banni à partir de 2020. Mis à part les impacts des réfrigérants sur la couche d’ozone, certains de ces fluides sont aussi de puissants gaz à effet de serre et ils sont visés par le Protocole de Kyoto qui lui, tarde à recevoir une attention concrète bien que le Canada ait ratifié l’entente. La figure suivante résume les impacts sur l’environnement des différents réfrigérants à l’aide de 2 indices. Le PAO représente le Potentiel d’Appauvrissement de la couche d’Ozone. Cet indice est établi par rapport au R-11 un CFC. Le PRG quant à lui, représente le Potentiel de Réchauffement Global; il quantifie l’effet de serre. Il est établi par rapport au CO2 un gaz à effet de serre bien connu auquel on attribut généralement un indice de 1.  Le CO2 utilisé dans les pompes à chaleur n’est pas émis à proprement parlé car il est plutôt capturé dans l’environnement, et possède donc un impact nul sur l’environnement. La figure suivante résume les impacts des divers réfrigérants sur la couche d’ozone et sur le réchauffement climatique. On constate que les hydrocarbures, l’ammoniac et le dioxyde de carbone (CO2) qui font partie de la catégorie des réfrigérants naturels (c’est-à-dire qu’ils existent à l’état naturel dans l’environnement) répondent à la fois aux restrictions du Protocole de Kyoto et de Montréal. De nos jours, de nombreux systèmes toujours en fonction utilisent encore le R-22. À partir de 2020, il sera impossible de réparer ces systèmes et des alternatives devront être envisagées. L’utilisation du CO2 comme réfrigérant offre une solution à long terme puisqu’il n’a pas d’impacts négatifs sur l’environnement.

Explication réfrigérant