Contexte

En 2018, en France, les bâtiments consommaient 30 % de l’énergie finale du pays et 60 % de celle-ci était dédiée au chauffage. Dans le monde, en moyenne, 20 % de l’énergie fournie aux bâtiments est utilisée pour le rafraîchissement. Par conséquent, les systèmes de chauffage et de rafraîchissement des bâtiments sont un levier d’action fort pour réduire les émissions de CO2 et relever le défi du réchauffement climatique.

Les réseaux de chaleur et de froid permettent de répondre à ces besoins en mobilisant de nouvelles sources de chaleur renouvelables en plus des sources conventionnelles, avec de meilleures efficacités et des émissions de CO2 réduites.

Un réseau de chaleur est une infrastructure capable de distribuer de la chaleur (ou du froid) d’une ou plusieurs sources à différents consommateurs reliés au réseau à l’échelle d’un quartier ou d’une ville. La chaleur peut donc être produite par différents systèmes comme des chaudières bois, des incinérateurs de déchets ménagers, des centrales solaires thermiques ou de cogénérations ou provenir de la chaleur fatale d’industries. La chaleur est transmise au consommateur via un fluide caloporteur, habituellement de l’eau, à travers un réseau de canalisations souterraines.

Les liens entre le réseau et les consommateurs sont les sous-stations. Une sous-station est composée d’un ou plusieurs échangeurs de chaleur pour transférer la chaleur du réseau primaire (réseau lié aux sources de chaleur) au réseau secondaire (réseau du ou des bâtiments) pour produire de l’Eau Chaude Sanitaire (ECS), du chauffage ou du froid.

L’objectif du projet PACs-CAD était d’évaluer l’intérêt d’intégrer des pompes à chaleur (PAC) à sorption dans les sous-stations des réseaux de chaleur pour améliorer l’efficacité globale et répondre aux nouveaux besoins thermiques des bâtiments.

Principe des PAC à sorption

Le phénomène de sorption est la liaison d’un gaz à un autre composé (liquide dans le cas de l’aBsorption ou solide dans le cas de l’aDsorption), les deux éléments présentant une forte affinité.

Le système de PAC à absorption présente quatre enceintes  :

• un désorbeur dans lequel la solution (mélange des 2 composés) est chauffée afin de permettre la désorption du fluide de travail,
• un absorbeur recevant la solution venant du désorbeur. Cet absorbeur est refroidi afin de permettre l’absorption exothermique du fluide de travail par la solution,
• un condenseur dans lequel le fluide de travail sous forme vapeur issu du désorbeur se condense,
• et un évaporateur dans lequel le fluide de travail venant du condenseur s’évapore sous l’effet d’un apport de chaleur.

Dans les procédés à adsorption, le sorbant étant solide il ne peut pas circuler. La PAC présente donc généralement trois enceintes :

• un réacteur (adsorbeur ou désorbeur) contenant le sorbant solide qui est successivement chauffé et refroidi afin de libérer ou absorber le gaz de travail.
• un condenseur dans lequel le fluide de travail se condense,
• et un évaporateur dans lequel le fluide de travail s’évapore.

Les deux phases ont ici lieu successivement et ce procédé fonctionne donc de façon discontinue, ou peut être adapté pour rajouter un réacteur supplémentaire qui fonctionne en opposition de phase du premier pour un fonctionnement pseudo-continu.

Le projet PACs-CAD

Le projet PACs-CAD a reçu le soutien du programme Interreg France-Suisse 2014-2020. Il a regroupé des laboratoires universitaires français et suisses, ainsi que des professionnels de la filière :

• Le laboratoire LESBAT de la HEIG-VD (Suisse)
• La fédération de recherche FRESBE de l’USMB, avec les laboratoires LOCIE et IREGE (France)
• Le laboratoire CREM (Suisse)
• La Ville d’Annecy (France)
• IDEX Energies (France)
• Celcius-ENGIE (France)
• Manaslu-CMDL (France)

Les résultats du projet

PACs-CAD a permis d’étudier la pertinence et mesurer les performances de sous-station intégrant une PAC à sorption selon les trois modes de fonctionnement suivants :

• le mode « upgrade » qui permet d’augmenter localement la température du réseau de chaleur pour satisfaire les besoins d’un bâtiment à une température plus haute que celle du réseau (pour l’ECS ou pour du chauffage en période de forts besoins)
• le mode « climatisation » qui permet la production de froid en sous-station à partir de la chaleur du réseau de chaleur
• le mode « chauffage » qui permet d’utiliser la PAC en plus de l’échangeur de chaleur classique présent en sous-station pour améliorer les transferts thermiques et donc diminuer la température de retour du réseau de chaleur.

Chacun des modes indépendamment est intéressant dans un réseau de chaleur pour améliorer ses performances ou satisfaire de nouveaux besoins des bâtiments. De plus, la possibilité de changer de mode, c’est-à-dire le fonctionnement de la PAC dans plusieurs modes au cours d’une année ou d’une journée permettrait de fortement augmenter le temps d’utilisation de celle-ci et d’augmenter sa rentabilité.

Par exemple, la PAC pourrait fonctionner en été en mode climatisation pour le rafraichissement du bâtiment et passer en mode chauffage lors de besoins de production d’ECS pour améliorer les transferts thermiques entre le réseau de chaleur et le bâtiment. Puis, en hiver, la même PAC pourrait fonctionner en mode chauffage de l’ECS ou chauffer le bâtiment à différents niveaux de température.

Remerciements

Le projet PACs-CAD est soutenu par le programme européen de coopération transfrontalière Interreg France-Suisse 2014-2020, et bénéficie à ce titre d’une subvention européenne de 463 185 € par le biais du Fonds européen de développement régional (FEDER) et de fonds fédéraux Interreg suisses de 150 000 CHF, ainsi que de financements des cantons suisses et de la conférence romande des délégués à l’énergie.