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Les pompes à chaleur à air ont gagné du terrain sur le marché en raison de leur efficacité et de leurs avantages environnementaux. Cependant, les performances peuvent varier considérablement en fonction de plusieurs facteurs. Dans les climats plus froids, l'efficacité de ces pompes diminue et la formation de givre pendant le chauffage peut avoir de graves conséquences sur l'efficacité et la fiabilité. Pour relever ces défis, des progrès technologiques et de conception ont été réalisés, améliorant la fonctionnalité et l'application des pompes à chaleur à air dans divers environnements.
Avancées dans la technologie de compression à plusieurs étages
La technologie de compression à fréquence variable est l’une des méthodes efficaces pour améliorer la capacité de chauffage des pompes à chaleur à air. Dans des conditions de basse température, l'augmentation de la vitesse du compresseur peut augmenter considérablement son volume d'échappement, améliorant ainsi la capacité de chauffage de la pompe à chaleur à air. Cependant, la technologie à fréquence variable n’améliore pas l’efficacité énergétique du système. Pour améliorer simultanément la capacité de chauffage et l'efficacité énergétique à basse température, une technologie de compression à plusieurs étages a été développée.
En fonction du nombre d'étages de compression et de la structure du cycle, les pompes à chaleur à air à compression multi-étages peuvent être divisées en cycles en cascade et compression double/multi-étages, etc. Pour améliorer la capacité calorifique des systèmes de compression à un étage à basses températures ambiantes, Le réfrigérant peut être directement injecté dans la chambre de compression pendant le processus de compression, connu sous le nom de compression quasi-en deux étapes. Étant donné que les cycles de compression quasi-à deux étages présentent les caractéristiques d’une compression à deux étages, cet article les inclura dans le cadre des cycles de compression à deux étages pour discussion.
Pompes à chaleur à air Cascade
En raison de la basse température ambiante, le rapport de pression du système est élevé, le travail de compression est important et la perte d'étranglement est importante, ce qui conduit finalement à une faible efficacité énergétique de la pompe à chaleur. Pour réduire les pertes et améliorer l'efficacité, les systèmes de pompes à chaleur à air en cascade utilisent deux cycles de compression de vapeur en série pour remplacer un seul cycle, afin de réduire le taux de compression du cycle à un étage.
Comme le montre la figure, le système en cascade se compose de deux cycles de compression de vapeur indépendants, l'un est un cycle à étages à basse température et l'autre est un cycle à étages à haute température. Ces deux cycles sont reliés par un échangeur de chaleur intermédiaire commun, qui sert également de condenseur pour le cycle basse température et d'évaporateur pour le cycle haute température. En hiver, le cycle à basse température absorbe la chaleur de l'air ambiant à travers l'évaporateur et élève la chaleur à une température plus élevée pour servir de source de chaleur pour le cycle à haute température ; dans le cycle à haute température, la chaleur est encore élevée jusqu'à la température requise pour le chauffage intérieur.
En utilisant une pompe à chaleur à air en cascade, le taux de compression du cycle est considérablement réduit, réduisant ainsi la perte globale de compression et la perte d'étranglement, améliorant ainsi l'efficacité énergétique de la pompe à chaleur à air. De plus, en fonction des différentes conditions de travail, les étapes haute et basse température du cycle en cascade peuvent utiliser différents réfrigérants. Comme le système en cascade peut être mis en œuvre à l'aide de deux systèmes simples à un étage, il est utilisé depuis de nombreuses années dans les applications de chauffage et d'approvisionnement en eau chaude. Cependant, la différence de température dans l'échange thermique de l'échangeur de chaleur intermédiaire dans le cycle en cascade entraîne inévitablement certaines pertes d'efficacité ; de plus, le cycle en cascade nécessite deux compresseurs et un échangeur de chaleur supplémentaire, ce qui le rend plus coûteux que les cycles à un étage.
Avantages des pompes à chaleur à air à compression à deux étages
Une pompe à chaleur à air comprimé à deux étages connecte deux cycles de réfrigération ensemble et peut être considérée comme une forme simplifiée du système en cascade. Comme le montre la figure, en fonction des différents économiseurs utilisés, les pompes à chaleur à air comprimé à deux étages peuvent être divisées en deux types : les systèmes Flash Tank (FT) et les systèmes à échangeur de chaleur intermédiaire (IHX).
Pour le système de réservoir flash, le réfrigérant liquide quittant le condenseur intérieur est étranglé en deux phases, puis entre dans le réservoir flash, où le réfrigérant biphasé est séparé en vapeur saturée et liquide saturé ; le réfrigérant à vapeur saturée est mélangé avec l'échappement de réfrigérant du compresseur à étage basse pression, puis comprimé à nouveau par le compresseur à étage haute pression, le liquide saturé est étranglé par le deuxième détendeur et entre dans l'évaporateur extérieur pour s'évaporer en gaz, puis entrer dans le compresseur à basse pression, puis mélanger avec le gaz moyenne pression du réservoir de flash.
Pour le système d'échangeur de chaleur intermédiaire, le réfrigérant liquide provenant de la sortie du condenseur est directement divisé en deux chemins : le flux principal et le flux de dérivation. Le réfrigérant à flux secondaire est étranglé à une pression intermédiaire et entre dans l'échangeur de chaleur intermédiaire, où le réfrigérant à basse température refroidit le réfrigérant à flux principal jusqu'à un état sous-refroidi, le réfrigérant à flux secondaire absorbe la chaleur et devient vapeur saturée ou état surchauffé et se mélange aux gaz d'échappement. du compresseur à l'étage basse pression, puis entre dans le compresseur à l'étage haute pression pour une compression ultérieure. Le réfrigérant sous-refroidi provenant de la sortie du flux principal de l'échangeur de chaleur intermédiaire est étranglé à travers l'évaporateur et retourne finalement au compresseur de l'étage basse pression, comprimé à une pression intermédiaire, et se mélange au réfrigérant à débit secondaire.
Compression quasi-double étage pour plus de polyvalence
Comme le montre la figure, les pompes à chaleur à air à compression quasi-double étage (également connues sous le nom de systèmes d'appoint) sont très similaires aux systèmes de compression à deux étages. La différence est que dans la compression quasi-double étage, le réfrigérant provenant du réservoir flash ou de l'échangeur de chaleur intermédiaire est injecté dans la chambre de compression du compresseur, plutôt qu'entre deux compresseurs en série.
Par conséquent, les pompes à chaleur quasi-double étage peuvent être considérées comme une forme simplifiée de pompes à chaleur à deux étages, utilisant des compresseurs d'appoint spécialement conçus pour remplacer deux compresseurs, évitant ainsi le problème d'égalisation de l'huile entre deux compresseurs et réduisant les coûts du système. Plus important encore, en fermant la vanne sur la branche d'appoint, les systèmes quasi-double étage peuvent passer de manière flexible en mode cycle à un étage, optimisant ainsi les performances des pompes à chaleur quasi-double étage en hiver et en été. Pour cette raison, la technologie de compression quasi-double étage a été largement appliquée dans les pompes à chaleur basse température ces dernières années.
Remplacement du réfrigérant
L’évolution vers des réfrigérants respectueux de l’environnement et efficaces est essentielle au progrès des pompes à chaleur à air. Les réfrigérants traditionnels comme le R22 et le R410A sont remplacés par des alternatives comme le R290, le R32, le R744 et le R161, entre autres. Chacun de ces réfrigérants a ses avantages et ses considérations, notamment en ce qui concerne son impact environnemental, son efficacité et ses normes de sécurité. À mesure que la technologie progresse, l’adoption de ces alternatives, associée à des conceptions de systèmes avancées, continuera d’améliorer les performances et l’applicabilité des pompes à chaleur à air.
Grâce à l'innovation et à la recherche continues, les pompes à chaleur à air deviennent plus robustes, plus efficaces et adaptées à une plus large gamme de climats et d'applications. L'intégration de technologies de compression avancées et le passage à des réfrigérants respectueux de l'environnement sont au cœur de cette évolution, ouvrant la voie à des solutions de chauffage durables et efficaces.
Conclusion
Les pompes à chaleur à air sont à la pointe de la technologie de chauffage et de refroidissement, offrant une alternative durable et efficace aux systèmes traditionnels. Grâce à l'adoption de technologies de compression à plusieurs étages et de réfrigérants respectueux de l'environnement, ces systèmes évoluent continuellement pour offrir de meilleures performances, une plus grande adaptabilité et un impact environnemental réduit. Grâce à la recherche et à l'innovation continues, les pompes à chaleur à air sont en passe de devenir une option encore plus attrayante pour un large éventail d'applications résidentielles et commerciales, ouvrant ainsi la voie à l'avenir du chauffage et du refroidissement durables.
