Analyse énergétique d'un système de pompe à chaleur transcritique au CO2 pour le chauffage combiné

Cette étude a été réalisée pour développer un système de pompe à chaleur transcritique eau-eau au CO2 destiné au secteur résidentiel. Le choix s'est porté sur le CO2 car c'est un réfrigérant naturel non toxique, ininflammable et qui ne contribue pas à l'appauvrissement de la couche d'ozone ni au réchauffement climatique. Le modèle de pompe à chaleur proposé ici évalue la performance saisonnière de la pompe à chaleur transcritique dotée de deux refroidisseurs de gaz en série avec une circulation à contrecourant entre le CO2 et l'eau. Deux librairies ont été utilisées pour cette étude, la librairie IBPSA pour l'utilisation des modèles de base ainsi que la librairie AixLib pour l'évaluation des propriétés thermo-physiques du CO2. Des simulations sur une configuration permettant de réaliser le chauffage d'espace et de produire de l'eau chaude domestique simultanément ont été effectuées pour une saison de chauffage représentant un climat froid. La configuration utilise les données météorologiques de Montréal et un profil de consommation d'eau chaude artificiel généré avec une méthode de probabilité statistique de tirage d'eau. Pour une température d'entrée d'eau côté source de la PAC constante de 5 C et une consigne de production d'eau chaude à 61 C, le COP de la PAC a été évalué selon trois modes : mode de chauffage d'espace seul, mode de chauffage d'eau seule et le mode de chauffage d'eau et d'espace simultanément. Les résultats de la simulation ont montré que le COP en mode chauffage d'espace se rapproche du COP global car plus de 86% de l'énergie fournie par la PAC a été utilisée pour chauffer l'espace. Un COP global de 2.44 a été enregistré et de 3.2 pour une opération en mode combinée pour une journée du mois de février de la saison de chauffage.

Abstract

This study was carried out to develop a transcritical water-to-water CO2 heat pump system for the residential sector. CO2 was chosen since it is a natural refrigerant that is non-toxic, non-flammable and does not contribute to the depletion of the ozone layer and global warming. The heat pump model proposed here evaluates the seasonal performance of the transcritical heat pump with two gas coolers in series with countercurrent circulation between the CO2 and water. Two libraries were used for this study: the IBPSA library for the use of the basic models and the AixLib library for the evaluation of the thermo-physical properties of CO2. Simulations on a configuration that allowed space heating and domestic hot water heating, simultaneously, were carried out for a heating season in a cold climate. The configuration uses Montreal meteorological data and an artificial hot water consumption profile generated with a statistical probability method. For a constant water inlet temperature of the heat pump source of 5 C and a hot water production set point of 61 C, the COP of the heat pump was evaluated using three modes: space heating alone, water heating alone and water and space heating simultaneously. The simulation results showed that the COP in space heating mode is close to the global COP because more than 86% of the energy supplied by the heat pump was used to heat the space. A global COP of 2.44 was recorded, while a COP of 3.2 was achieved for a combined mode operation for one day of February during the heating season.