ACTUALITÉ SCIENTIFIQUE
ET INNOVATION DE L'ÉTS
L’énergie solaire pour améliorer les performances des pompes à chaleur - Par : Pierre-Luc Paradis, Daniel R. Rousse, Louis Lamarche, Hakim Nesreddine,

L’énergie solaire pour améliorer les performances des pompes à chaleur


La plupart des systèmes de climatisation ont la capacité d’être inversé c’est-à-dire qu’il peuvent être utilisé comme système de chauffage. Dans un tel scénario, il est possible d’utiliser l’énergie solaire pour maximiser les performances de chauffage du système. Le couplage est d’autant plus intéressant lorsqu’on utilise des modules photovoltaïques. On se retrouve alors dans une situation où on peut améliorer simultanément les performances de chaque composant.

Pierre-Luc Paradis
Pierre-Luc Paradis Profil de l'auteur(e)
Pierre-Luc Paradis est titulaire d’un doctorat en génie mécanique de l’ÉTS. Ses recherches portent sur la modélisation et la conception de systèmes thermiques, l’énergie solaire et les pompes à chaleur.

Daniel R. Rousse
Daniel R. Rousse Profil de l'auteur(e)
Daniel R. Rousse est professeur au Département de génie mécanique de l’ÉTS. Ses recherches portent sur l’énergie durable et renouvelable, la métrologie énergétique, le transfert, la conservation, la conversion et la production de l’énergie.
Programme : Génie mécanique 

Louis Lamarche
Louis Lamarche est professeur au Département de génie mécanique de l’ÉTS. Ses recherches portent sur le transfert de chaleur, la simulation de systèmes énergétiques et mécaniques, la géothermie et l’instrumentation.
Programme : Génie mécanique 

Hakim Nesreddine
Hakim Nesreddine Profil de l'auteur(e)
Hakim Nesreddine est chercheur au LTE d’Hydro Québec. Ses recherches portent sur les systèmes de réfrigération, la récupération des rejets de chaleur, l’efficacité énergétique et la génération d’énergie décentralisée.

Façades d’immeubles remplies de climatiseurs

L’image d’en-tête a été achetée sur Istock.com et est protégée par des droits d’auteur

Les pompes à chaleur

On voit de plus en plus de bâtiments résidentiels équipés de système de climatisation afin de maintenir le confort des occupants durant les chaudes journées d’été. Dans le cas des bâtiments multirésidentiels, il n’est pas rare de voir des systèmes décentralisés où chaque unité d’habitation possède son propre système, comme représenté à la Figure 1. Typiquement, un échangeur de chaleur équipé d’un ventilateur est installé à l’intérieur de l’appartement alors que le reste du système est installé directement sur le balcon ou sur un support mural (Figure 1). La partie extérieure du système comprend le compresseur de même qu’un second échangeur de chaleur équipé d’un ventilateur qui a pour fonction de rejeter la chaleur dans l’air ambiant extérieur en été. Bien souvent ces systèmes sont réversibles c’est-à-dire qu’en plus de climatiser, ils peuvent servir comme système de chauffage. Le système agit alors comme une « pompe à chaleur », car il a pour fonction de transférer l’énergie thermique d’un milieu froid vers un milieu chaud. En été, la pompe à chaleur garde votre appartement frais alors qu’il fait chaud à l’extérieur. L’hiver elle accomplit l’inverse. Ces performances en mode chauffage ont toutefois l’inconvénient d’être affectées par la température de l’air ambiant extérieur. Ainsi, plus il fait froid à l’extérieur, moins les performances de la pompe à chaleur seront intéressantes alors que parallèlement, les besoins de chauffage du bâtiment augmentent.

Bâtiments remplis de climatiseurs individuels

Figure 1 Bâtiments multirésidentiels équipés de systèmes de climatisation (photo prise dans la région de Trois-Rivières)

Couplage avec des collecteurs solaires

Afin de maintenir les performances de chauffage de la pompe à chaleur malgré la diminution de température de l’air ambiant extérieur, il est possible d’utiliser des collecteurs solaires. En effet, l’unité extérieure de la pompe à chaleur est généralement installée sur le balcon. Si la façade du bâtiment est exposée au soleil durant une grande partie de la journée, les panneaux vitrés des garde-corps du balcon pourraient simplement être remplacés par des collecteurs solaires. L’idée est d’utiliser les collecteurs solaires pour augmenter la capacité de l’évaporateur de la pompe à chaleur, constitué de l’échangeur de chaleur et du ventilateur. On récupère ainsi l’énergie du soleil en plus de puiser dans l’air froid extérieur pour évaporer le réfrigérant (le fluide caloporteur) de la pompe à chaleur.

Le module photovoltaïque

L’avantage est double dans le cas d’un module photovoltaïque (PV), un type de collecteur solaire connu pour convertir le rayonnement solaire en électricité. En effet, le rendement d’un module PV est d’environ 15 %. Cette valeur varie en fonction de la technologie utilisée, mais ne dépasse pas 25 % à l’heure actuelle. Or, ce faible rendement conduit à un échauffement parasite du module PV en service. Sa température peut facilement atteindre 50 °C sous les conditions nominales de fonctionnement.

Les avantages du couplage

L’augmentation de température des cellules PV est nuisible, car elle réduit leur rendement de conversion électrique. Ainsi, les performances de la pompe à chaleur et du module PV sont toutes les deux affectées par la température. En combinant ces deux systèmes, on récupère la chaleur du collecteur solaire pour favoriser les performances de chauffage de la pompe à chaleur. Simultanément, on réduit la température d’opération du collecteur solaire pour maximiser ses performances électriques.

L’évaporateur solaire PV/T

Pour ce faire, il est possible de fixer un échangeur de chaleur sur la face arrière du collecteur solaire comme représenté à la Figure 2a) et à la Figure 2b). Le réfrigérant de la pompe à chaleur s’évapore derrière le collecteur et récupère son énergie thermique. On obtient ainsi un collecteur solaire hybride photovoltaïque/thermique (PV/T) capable de produire à la fois de l’électricité et de la chaleur. À la Figure 2a), un tube en forme de serpentin est utilisé comme échangeur. Cette géométrie possède l’avantage de procurer un débit uniforme et constant tout au long de l’échangeur. Le tube est fixé à l’arrière du panneau à l’aide d’une colle époxy intégrant des particules d’aluminium pour maximiser sa conductivité thermique comme représenté à la Figure 2b).

Montage échangeur de chaleur

Figure 2 a) Échangeur de chaleur en forme de serpentin fixé derrière un module photovoltaïque; b) Colle époxy utilisée pour fixer l’échangeur de chaleur derrière le collecteur solaire

Les types de collecteurs solaires

La Figure 2c) présente différents concepts de collecteurs solaires qui sont testés sur le toit de l’HélioLAB Michel-Trottier situé sur le pavillon A de l’École de technologie supérieure de Montréal. À gauche, le collecteur solaire est simplement composé d’une tôle d’acier peinte en noire et d’un tube en forme de serpentin collé à l’arrière. Au centre, un collecteur solaire hybride PV/T comprend des cellules PV, une tôle d’acier et un serpentin. À droite, un module PV standard (sans échangeur de chaleur) sert de référence pour la production d’énergie électrique. Les collecteurs solaires de gauche et du centre sont raccordés en parallèle à un prototype de pompe à chaleur transcritique au CO2, développé au cours des dernières années. On peut trouver plus de détails sur le site  Abscisse énergie.

Panneaux solaires installés sur le toit de l’École de technologie supérieure.

Figure 2 c) Différents types de collecteurs solaires installés sur le toit du pavillon A de l’École de technologie supérieure de Montréal

Information supplémentaire

Les trois types de collecteurs solaires ont été modélisés en détail dans l’article suivant :

La simulation de l’évaporateur solaire hybride photovoltaïque/thermique a été réalisé dans l’article suivant :

Finalement, l’utilisation d’une pompe à chaleur au CO2 pour la production d’eau chaude a aussi été étudié dans l’article suivant :

Pierre-Luc Paradis

Profil de l'auteur(e)

Pierre-Luc Paradis est titulaire d’un doctorat en génie mécanique de l’ÉTS. Ses recherches portent sur la modélisation et la conception de systèmes thermiques, l’énergie solaire et les pompes à chaleur.

Programme : Génie mécanique  Génie énergies renouvelables et efficacité énergétique 

Profil de l'auteur(e)

Daniel R. Rousse

Profil de l'auteur(e)

Daniel R. Rousse est professeur au Département de génie mécanique de l’ÉTS. Ses recherches portent sur l’énergie durable et renouvelable, la métrologie énergétique, le transfert, la conservation, la conversion et la production de l’énergie.

Programme : Génie mécanique 

Profil de l'auteur(e)

Louis Lamarche

Profil de l'auteur(e)

Louis Lamarche est professeur au Département de génie mécanique de l’ÉTS. Ses recherches portent sur le transfert de chaleur, la simulation de systèmes énergétiques et mécaniques, la géothermie et l’instrumentation.

Programme : Génie mécanique 

Profil de l'auteur(e)

Hakim Nesreddine

Profil de l'auteur(e)

Hakim Nesreddine est chercheur au LTE d’Hydro Québec. Ses recherches portent sur les systèmes de réfrigération, la récupération des rejets de chaleur, l’efficacité énergétique et la génération d’énergie décentralisée.

Profil de l'auteur(e)