Des chercheurs de l’Université de Naples Federico II et de l’Agence nationale italienne pour les nouvelles technologies, l’énergie et le développement économique durable (ENEA) ont évalué une pompe à chaleur expérimentale utilisant le dioxyde de carbone (CO₂) comme fluide frigorigène. Le système peut puiser sa chaleur dans l’air ou dans des capteurs photovoltaïques thermiques, selon les conditions d’irradiance.
L’étude, publiée dans Applied Thermal Engineering, porte sur un prototype de 10 kW installé dans un centre de recherche à Rome. Il ne s’agit donc pas d’un produit commercial ni d’un déploiement industriel, mais d’une campagne d’essais en conditions réelles destinée à caractériser le fonctionnement de l’installation et à améliorer la sélection automatique de la source de chaleur.
Deux modes de fonctionnement pour l’eau chaude
La pompe à chaleur fonctionne selon deux configurations. En mode air, un évaporateur équipé d’un ventilateur fournit la source thermique. En mode solaire, du CO₂ circule dans des tubes en cuivre fixés à l’arrière de dix capteurs photovoltaïques thermiques, ou PVT. Ces capteurs produisent simultanément de l’électricité et récupèrent de la chaleur.
Le système alimentait un circuit simulant la production d’eau chaude sanitaire. L’eau entrait à 20 °C et sa température de sortie était réglée autour de 60 °C. Un ballon de 300 litres était utilisé pendant les essais, tandis que les simulations annuelles reposaient sur un stockage de 900 litres et plusieurs profils de demande.
Les chercheurs ont fait varier la fréquence du compresseur entre 50 et 70 Hz. Ils ont mesuré les températures, les pressions et le débit massique du réfrigérant, ainsi que l’irradiance solaire et la consommation électrique totale. Les données ont été enregistrées toutes les 0,5 seconde, puis moyennées sur des intervalles de cinq secondes.
La campagne a produit 307 essais, dont 164 en mode air et 143 en mode solaire. L’équipe a ensuite calculé la puissance thermique fournie et le coefficient de performance, ou COP. Cet indicateur compare la chaleur délivrée à l’électricité consommée par la pompe à chaleur ; une progression du COP dans certaines conditions ne constitue pas une garantie de performance annuelle globale.
Un avantage solaire dépendant de l’irradiance
Dans les conditions observées, le mode solaire devenait plus intéressant lorsque l’irradiance augmentait. Entre 322 et 904 W/m², la température d’évaporation du réfrigérant est passée de 4 à 12,9 °C. Cette hausse réduit le travail nécessaire au compresseur, car celui-ci doit fournir moins d’effort pour atteindre les conditions de fonctionnement requises.
Sur la plage de mesures considérée, la puissance de chauffage a progressé de 8,75 à 10,6 kW, soit une hausse de 21,1 %. Le COP a quant à lui augmenté de 18,7 %. Ces résultats décrivent le comportement du prototype dans les points de fonctionnement étudiés ; ils ne permettent pas de conclure à une amélioration identique pour toutes les installations, toutes les températures ou tous les climats.
À faible irradiance, le mode air restait plus performant. Les chercheurs expliquent cette différence par la résistance thermique plus faible de l’évaporateur à air dans ces conditions. Le système doit donc choisir sa source de chaleur en fonction d’un seuil d’irradiance, plutôt que fonctionner en permanence avec les capteurs solaires.
Un contrôle assisté par des réseaux neuronaux
Pour étendre l’analyse au-delà des mesures directement réalisées, l’équipe a entraîné des réseaux de neurones artificiels. Ces modèles estimaient la consommation électrique, le COP et la fréquence du compresseur dans les deux modes de fonctionnement. Les chercheurs les ont utilisés pour comparer différentes puissances de chauffage et des températures d’eau comprises entre 20 et 60 °C.
L’objectif était de déterminer dans quelles conditions le basculement entre l’air et le solaire pouvait être pertinent. Cette approche relève de la modélisation et du contrôle expérimental : elle ne signifie pas qu’un système autonome de gestion est déjà disponible dans un équipement commercial.
Des économies annuelles limitées par le climat
Les chercheurs ont également simulé le fonctionnement annuel de l’installation dans sept villes : Rome, Tenerife, San Diego, Toronto, Mexico, Perth et Pékin. Cinq profils de demande d’eau chaude ont été pris en compte. Selon les scénarios les plus favorables, la stratégie de changement de source permettait d’économiser environ 100 à 120 kWh d’électricité par an.
La production électrique des capteurs PVT influençait davantage le bilan économique que les seules économies liées au choix de la source thermique. Les temps de retour simple estimés variaient d’environ six à dix ans dans les zones très ensoleillées à plus de vingt ans dans les climats moins favorables.
Ces résultats mettent en évidence le principal enjeu de cette architecture : l’intérêt du mode solaire dépend à la fois de l’ensoleillement, de la demande d’eau chaude, du dimensionnement du stockage et de la capacité du système à basculer efficacement vers l’air. Le prototype fournit des données utiles pour la conception et le contrôle de futures pompes à chaleur hybrides, mais des essais supplémentaires seraient nécessaires avant d’évaluer une adoption à grande échelle.
Source : Solar-assisted CO₂ heat pump achieves 18.7% COP increase as irradiance rises
