Pompes à chaleur à grande échelle
Les pompes à chaleur à grande échelle permettent d'exploiter la chaleur environnementale et la chaleur résiduelle aux niveaux de capacité et de température requis par les processus industriels, les fournisseurs d'énergie et les infrastructures municipales. Elles fournissent de la chaleur industrielle, alimentent les réseaux de chauffage urbain et de proximité, récupèrent la chaleur qui, sans cela, serait perdue, ou combinent chauffage et refroidissement dans des installations réversibles.
Pour les constructeurs d’installations, les pompes à chaleur industrielles et à grande échelle offrent des opportunités à long termes dans le domaine de l’approvisionnement en chaleur industrielle et de la transition énergétique. Chaque installation doit être adaptée à la source de chaleur disponible, à la puissance calorifique requise, à la température d'alimentation, au fluide frigorigène et aux conditions de fonctionnement.
BITZER fournit des composants destinés aux pompes à chaleur industrielles et à grande échelle, notamment des compresseurs à piston, à vis et à scroll, des échangeurs de chaleur, des convertisseurs de fréquence et d'autres composants électroniques. Le choix du produit dépend de l'application et de ses caractéristiques de fonctionnement.
Qu'est-ce qu'une pompe à chaleur à grande échelle ?
Une pompe à chaleur à grande échelle est une installation à haute capacité conçue pour fournir de la chaleur aux niveaux de puissance et de température requis, notamment pour les réseaux de chauffage urbain et les applications industrielles. Dans la pratique, les pompes à chaleur industrielles dont la puissance calorifique est de plus d’environ 500 kW sont généralement qualifiées de « pompes à chaleur à grande échelle ». Ces installations possèdent souvent des puissances de l’ordre de plusieurs mégawatts.
En fonction de la conception d'installation et du fluide frigorigène utilisé, les pompes à chaleur à grande échelle peuvent fournir des températures allant jusqu’à +100 °C voire au-delà. Une pompe à chaleur industrielle, en revanche, n'est pas caractérisée par un domaine de puissance fixe. Ce terme décrit son domaine d'application : il peut fournir de la chaleur industrielle, récupérer la chaleur résiduelle industrielle ou servir de support à un système de chauffage et de refroidissement combinés. Les pompes à chaleur industrielles peuvent donc fonctionner aussi bien dans les petits que les grands domaines de puissance.
Comment fonctionne une pompe à chaleur ?
Une pompe à chaleur extrait l'énergie thermique d'une source à basse température et la transforme en énergie à plus haute température en utilisant de d'énergie électrique. La chaleur utile ainsi obtenue est transférée vers un dissipateur de chaleur tel qu’un procédé industriel, un réseau de chauffage urbain ou une installation de chauffage de bâtiment.
Le circuit frigorifique se compose de quatre éléments principaux :
- un évaporateur : il absorbe l'énergie thermique provenant de la source de chaleur. Le fluide frigorigène s'évapore à basse pression et à basse température.
- un compresseur : il comprime la vapeur du fluide frigorigène. La pression et la température augmentent.
- un condenseur : il transfère la chaleur vers le dissipateur thermique. Le fluide frigorigène se condense et libère de l'énergie thermique.
- un détendeur : il réduit la pression et la température avant que le fluide frigorigène retourne dans l'évaporateur.
Ce procédé permet d'exploiter efficacement la chaleur de l’environnement et la chaleur résiduelle pour des applications industrielles, le chauffage urbain et les installations réversibles de chauffage et de refroidissement.
Comment les pompes à chaleur contribuent-elles à la décarbonation ?
Les entreprises subissent une pression croissante les incitant à rendre leurs processus énergivores plus efficaces et à réduire leur dépendance vis-à-vis des combustibles fossiles. Les pompes à chaleur à grande échelle favorisent cette transition en valorisant la chaleur environnementale et la chaleur résiduelle pour obtenir des niveaux de température utiles.
Parmi leurs applications types, on peut citer le chauffage industriel, les réseaux de chauffage urbain et les installations réversibles de chauffage et de refroidissement. En remplaçant ou en complétant la production de chaleur à partir de combustibles fossiles, les pompes à chaleur à grande échelle peuvent réduire les émissions de CO₂ tout en optimisant l'utilisation des sources d'énergie disponibles.
Pour les constructeurs d'installations, cela crée des opportunités dans les secteurs de l'industrie, de l'approvisionnement énergétique et des infrastructures municipales. Pour garantir la réussite de la mise en œuvre, il est nécessaire de trouver le juste équilibre entre puissance calorifique, niveaux de température, caractéristiques de la source de chaleur, rendement, fiabilité et rentabilité.
BITZER accompagne les projets de pompes à chaleur grâce à des composants compatibles et à son expérience dans les technologies de compression et d’échange thermique.
Où les pompes à chaleur industrielles et à grande échelle sont-elles utilisées ?
Les pompes à chaleur à grande échelle et industrielles sont utilisées partout où des sources de chaleur à basse température peuvent être valorisées pour obtenir des températures assez élevées pour chauffer. Leurs applications comprennent le chauffage industriel, les réseaux de chauffage urbain et les installations réversibles de chauffage et de refroidissement :
| Application s | Puissance calorifique | Exemples |
| Bâtiments commerciaux | De 50 kW à plusieurs mégawatts | Pompes à chaleur air/eau, eau/eau et saumure/eau, ainsi que les groupes refroidisseurs de liquide réversibles |
| Chauffage industriel | De 50 kW à plusieurs mégawatts | Procédés de séchage, galvanoplastie et autres procédés thermiques ; solutions standards ou installations sur mesure |
| Chauffage urbain | Puissance calorifique allant de plusieurs centaines de kW à > 100 MW | Réseaux locaux de chauffage urbain, quartiers résidentiels et réseaux de chauffage industriels ; installations modulaires sur mesure |
| Récupération de la chaleur | En fonction de l'application | Utilisation de l'énergie thermique extraite de l'air évacué, de la chaleur résiduelle, de centres de données, d’installations frigorifiques ou de procédés industriels |
| Chauffage et refroidissement réversibles | En fonction de l'application | Groupes refroidisseurs de liquide réversibles, pompes à chaleur avec fonction de refroidissement et installations à 4 tubes pour le chauffage et le refroidissement simultanés |
Dans quelles conditions une pompe à chaleur fonctionne-t-elle efficacement ?
Plus l’écart de température entre la source de chaleur et la température utile requise est faible, plus la pompe à chaleur peut fonctionner efficacement. Et plus cet écart est petit, moins il faut d’électricité pour atteindre la puissance calorifique requise.
Cette efficacité est favorisée par :
- des températures d'alimentation appropriées
- une installation de distribution de chaleur correctement conçue
- des sources de chaleur disponibles en permanence
- des composants performants, notamment le compresseur
Le coefficient de performance (COP) décrit le rapport entre la puissance calorifique et l'énergie d’entraînement électrique dans des conditions de fonctionnement définies. Le coefficient de performance saisonnier (SCOP) évalue le rendement réel de la pompe à chaleur sur une année complète. En mode refroidissement, l'indicateur correspondant est le coefficient d'efficacité énergétique saisonnier (SEER). La puissance calorifique et le coefficient de performance (COP) pouvant être atteints dépendent de la conception d’installation et des conditions de fonctionnement.
Quels sont les fluides frigorigènes adaptés aux pompes à chaleur ?
Le choix du fluide frigorigène dépend de la conception d’installation, des conditions de fonctionnement et des niveaux de température requis. Les fluides frigorigènes adaptés aux pompes à chaleur doivent présenter des propriétés thermodynamiques favorables, notamment une capacité calorifique volumétrique élevée et un coefficient de performance (COP) élevé.
Outre les exigences techniques, il convient de prendre en compte les évolutions réglementaires. Au sein de l'Union européenne, les cadres réglementaires applicables comprennent le règlement (UE) n° 573/2024 relatif aux gaz à effet de serre fluorés et les éventuelles restrictions concernant les PFAS prévues par le règlement REACH relatif aux substances chimiques.
À mesure que la suppression progressive des fluides frigorigènes fluorés s'accélère, les fluides frigorigènes naturels tels que le propane (R290), l'isobutane (R600a) et le CO₂ (R744) prennent une importance croissante dans les nouvelles installations de pompes à chaleur. Le choix du fluide frigorigène optimal dépend des températures d'évaporation et de condensation, ainsi que des conditions du côté de la source de chaleur et du côté du dissipateur de chaleur.
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