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News aus der Wärmepumpen-Forschung 18. Tagung des BFE-Forschungsprogramms «Wärmepumpen und Kälte» 27. Juni 2012, HTI Burgdorf Seite 115 Une approche systématique a été utilisée pour évaluer, du point de vue de l'efficacité énergétique, le potentiel du système ORC-ORC et pour proposer des spécifications optimales à différents niveaux dans le processus de conception. L’étude théorique montre que le concept ORC-ORC est tout à fait compétitif vis-à-vis des pompes à chaleur à entrainement thermique existantes (sorption). Un prototype d'ORC-ORC a été conçu et fait l’objet de premiers tests. Introduction Le système étudié dans ce projet est une pompe à chaleur tritherme (ou à entrainement thermique) composé d’un cycle de pompe à chaleur (PAC) à compression de vapeur (Rankine inversé) et d’un cycle de Rankine moteur à fluide organique (ORC), dans lequel la turbine entraine directement le compresseur. Comme pour les pompes à chaleur à absorption, ces systèmes ont l’avantage de pouvoir utiliser différents types de source de chaleur, comme des pellets de bois, du gaz naturel, du solaire thermique, de la géothermie ou encore de la chaleur résiduelle (par exemple, les gaz d’échappement d’un moteur thermique). De plus, étant donné qu’en Suisse une grande partie des services de chauffage sont réalisés à partir de combustibles (Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.), le concept de pompe à chaleur à entrainement thermique représente une solution intéressante pour passer des chaudières à la technologie des pompes à chaleur sans augmenter la consommation électrique, en particulier pendant le pic hivernal de consommation. Figure 1: Répartition par système/ressource de la consommation finale d’énergie pour le chauffage et la production d’eau chaude sanitaire (ECS) dans le secteur résidentiel en 2009 en Suisse / source Office Fédéral de l’Energie [1] Le concept ORC-ORC Le système proposé est très similaire aux concepts étudiés au début des années 80 par Strong [2] et Biancardi et al. [3]. Un schéma de principe et le diagramme T-s correspondant sont donnés à la Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.. Etant donné qu’un cycle pompe à chaleur à compression de vapeur peut être vu comme un cycle de Rankine organique inversé, ce système est appelé ici un ORC-ORC. La génération de vapeur du cycle de Rankine est représentée à la Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.
News aus der Wärmepumpen-Forschung 18. Tagung des BFE-Forschungsprogramms «Wärmepumpen und Kälte» 27. Juni 2012, HTI Burgdorf Seite 116 comme un processus supercritique, mais peut bien entendu être aussi sous-critique. Cependant une étude préliminaire du système [4] a montré qu’il était particulièrement avantageux d’avoir une évaporation supercritique, si la source chaude considérée est un fluide qui se refroidit (par exemple, des gaz de combustion), puisque cela permet de minimiser les pertes exergétiques dues au transfert de chaleur. La turbine de l’ORC moteur entraine le compresseur du cycle PAC. Les deux cycles utilisent le même fluide de travail et le système est entièrement hermétique. Une fuite de réfrigérant au travers du groupe compresseur-turbine du côté ORC vers le côté PAC est en pratique inévitable ; l’utilisation d’un condenseur commun (au lieu de deux cycles séparés) permet d’éviter que tout le réfrigérant migre dans le cycle PAC. L’application étudiée dans ce projet est le chauffage résidentiel (production d’eau chaude sanitaire et chauffage au sol) pour des bâtiments de petite taille nécessitant une puissance thermique totale d’environ 40 kW. Bien que cette étude se concentre sur cette application spécifique, le concept ORC-ORC et les considérations discutées ici peuvent être appliqués à d’autres services, tel que le froid solaire. Dans le passé, un point important qui a pénalisé les systèmes ORC-ORC, vis-à-vis des systèmes de type sorption, était la problématique des réfrigérants CFC (avec un potentiel de destruction de la couche d’ozone élevé) qui étaient, à l’époque, les meilleurs (et pratiquement les seuls) candidats non inflammables et peu toxiques pour des cycles haute température. De nos jours, la disponibilité de tels réfrigérants qui ne sont pas nuisibles à la couche d’ozone et qui ont une bonne stabilité chimique à relativement haute température permet de reconsidérer les systèmes ORC-ORC. Par ailleurs les progrès réalisés en matériaux facilitent leur réalisation. Figure 2: Schéma de principe et diagramme température-entropie d’une pompe à chaleur ORC-ORC Le système présenté ici utilise une turbine radiale mono-étagée et un compresseur centrifuge également mono-étagé qui sont directement couplés par un arbre tournant sur des paliers à gaz (Figure 6). L’utilisation de paliers à gaz et de turbomachines permet au système d’être compact et sans huile, avec comme avantages, une faible complexité et de faibles coûts de maintenance. De plus, les paliers à gaz permettent de tourner sans usure sur une longue durée et à haute vitesse, ce qui est requis pour un fonctionnement efficace des turbomachines de petite puissance. Strong a rencontré un certain nombre de problèmes avec l’utilisation de paliers à gaz, essentiellement dus à des matériaux mal adaptés [2]. Des progrès dans les matériaux et les connaissances sur les paliers permettent de réexaminer cette approche. Récemment, Schiffmann et Favrat [5] ont développé et testé avec succès un concept de
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