Les pompes à chaleur utilisent l'énergie environnementale pour nous fournir de la chaleur. Cependant, ils nécessitent généralement des réfrigérants de synthèse, qui contiennent des gaz à effet de serre fluorés nocifs pour l'environnement (gaz F). Les chercheurs de Fraunhofer ont maintenant contribué au développement d'une pompe à chaleur qui utilise plutôt du propane. La pompe est à la fois plus écologique et plus efficace.

« Le chauffage et l'eau chaude représentent environ 40 % de la consommation énergétique finale de l'Allemagne. Brûler des combustibles fossiles de haute qualité tels que le gaz naturel ou le pétrole brut n'a pas seulement peu de sens énergétiquement, cela nuit aussi au climat. Chaque unité d'énergie électrique nécessaire au fonctionnement d'une pompe à chaleur, provenant souvent de ressources renouvelables, génère trois à cinq unités de CO 2 -énergie thermique neutre. Cela fait des pompes à chaleur un élément important dans la mise en œuvre de la transition de l'Allemagne vers un système énergétique durable, " dit le Dr Marek Miara, qui coordonne les travaux sur les pompes à chaleur à l'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire ISE à Fribourg.

Une pompe à chaleur fonctionne de la même manière qu'un réfrigérateur. Le réfrigérant absorbe la chaleur à l'intérieur du réfrigérateur et la transporte à l'extérieur. La différence est que la chaleur laissée s'échapper librement de l'arrière d'un réfrigérateur est ce qu'une pompe à chaleur extrait - dans ce cas du sol, eaux souterraines, ou l'air ambiant - pour chauffer nos maisons ou l'eau.

Pour y parvenir, le chauffé, le réfrigérant vaporisé est comprimé, ce qui augmente sa température et sa pression. Le gaz réfrigérant chaud libère sa chaleur dans l'eau et se condense. L'eau chaude s'écoule dans les systèmes de chauffage par le sol, radiateurs ou ballons d'eau chaude, tandis que le réfrigérant liquide, maintenant cool, retourne dans un évaporateur, où il absorbe à nouveau de l'énergie thermique. Le cycle recommence alors depuis le début.

Pour la plupart, les réfrigérants sont composés d'un mélange de substances synthétiques contenant des substances nocives pour l'environnement, gaz à effet de serre fluorés (gaz F). En juin 2014, la Commission européenne a annoncé que les gaz fluorés devaient être progressivement retirés du marché. Un respectueux de l'environnement, alternative naturelle aux réfrigérants synthétiques est le propane, qui gagne déjà en popularité dans les systèmes de climatisation et de réfrigération. Mais son utilisation dans les pompes à chaleur est encore relativement récente.

Car même si le propane possède d'excellentes propriétés thermodynamiques, il est hautement inflammable, et cela pose un défi lorsqu'il est utilisé dans un cycle thermique.

"Si vous voulez utiliser du propane, vous devez maintenir le volume de réfrigérant aussi bas que possible pour minimiser les risques encourus, " dit le Dr Lena Schnabel, qui dirige le département des technologies de chauffage et de refroidissement chez Fraunhofer ISE.

Une structure bionique assure une distribution uniforme

La solution des chercheurs de l'ISE, avec leurs partenaires de recherche européens, est d'employer très compact, brasé, échangeurs de chaleur à ailettes qui fonctionnent bien avec de petits volumes de liquide. L'énergie thermique est transférée d'une substance en écoulement à l'autre via des échangeurs de chaleur. Ceux-ci sont composés de nombreux canaux parallèles contenant le fluide frigorigène en circulation, qui soit absorbent la chaleur (appelés « vaporisateurs »), soit la diffusent (« condenseurs »). "Le liquide doit se vaporiser ou se recondenser complètement sur toute la longueur de course. Pour garantir leur fonctionnement efficace, le rapport vapeur-liquide doit être identique dans tous les canaux. Généralement, ce n'est pas facile à réaliser, et cela devient particulièrement délicat si vous essayez également de limiter le volume de réfrigérant."

Résoudre le problème, Schnabel et son équipe ont développé un distributeur avec une structure bionique :« Les distributeurs Venturi conventionnels ressemblent à un tas de spaghettis constitués de nombreux tubes minces qui se rejoignent là où ils rencontrent le vaporisateur. Notre distributeur est différent :il a une structure ramifiée en continu comme les branches et brindilles d'un arbre, qui assurent une répartition uniforme du réfrigérant dans les canaux individuels de l'évaporateur, même avec un petit volume de fluide frigorigène." Cette structure permet une utilisation optimale de toute la surface de l'échangeur thermique, ce qui améliore l'efficacité.

Pour réduire le risque d'explosion lors de la compression du propane, Schnabel et son équipe ont utilisé un compresseur spécialisé dans lequel toutes les sources d'inflammation étaient encapsulées. Ils ont pris grand soin de connecter les composants individuels de la pompe pour empêcher le propane de s'échapper. « Nous modifions actuellement la conception technique de la pompe à chaleur, tester le comportement à long terme de ses composants, et développer des stratégies de sécurité durables, " dit Schnabel.