Contexte
Le chauffage des espaces et de l’eau chaude sanitaire dans le domaine résidentiel représente une source importante de consommation d’énergie, surtout dans les pays nordiques. Au Canada, cette utilisation représentait 1200 PJ en 2019, soit 3.6 fois celle du transport aérien, avec la majorité provenant des énergies fossiles, contribuant ainsi à plus de 7% des émissions de Gaz à Effet de Serre (GES) du pays. Le déploiement à grande échelle de pompes à chaleur (ou thermopompes) résidentielles pour le chauffage des espaces et de l’eau chaude sanitaire contribuerait grandement à la décarbonation de l’économie et à la réduction des GES. Un défi à relever serait, en particulier, de créer une nouvelle génération de pompes à chaleur pour climat froid qui permettrait d’en augmenter la capacité de chauffage et l’efficacité énergétique à basse température. D’autre part, on pourrait également les utiliser pour le chauffage dans les véhicules électriques, pour remplacer le chauffage inefficace par résistance électrique si nuisible à leur autonomie, au point que certains de ces véhicules doivent chauffer avec des combustibles fossiles. Enfin la climatisation, pouvant aussi être effectuée par les pompes à chaleur, représente 7.8% des émissions mondiales de GES. Pour atteindre le 50% d’augmentation en efficacité des systèmes de climatisation pour 2030 visée par l’entente Global Cooling Pledge (COP28), des améliorations sont requises. Mais l’une des composantes des pompes à chaleur, leur compresseur, est fragile et lorsqu’il tombe en panne, il est difficile à réparer et coûteux à remplacer en raison entre autres de la petite taille des thermopompes de type résidentiel. Son fonctionnement n’est par ailleurs pas optimal pour leur efficacité énergétique.
Description
Les pompes à chaleur résidentielles pourraient toutefois être moins coûteuses et plus performantes: en effet, les compresseurs qu’elles utilisent typiquement pourraient être remplacés par des équivalents moins coûteux à remplacer et avec un meilleur rendement isentropique. Au lieu de compresseurs volumétriques à spirales (scroll compressors), l’équipe du professeur Vo propose d’utiliser des compresseurs centrifuges, et en a même développé un nouveau modèle dont la pièce maîtresse, l’impulseur, serait d’une géométrie suffisamment simple pour pouvoir fonctionner à vitesse plus faible et subir moins de contraintes, ce qui permettrait sa fabrication en plastique plutôt qu’en métal usiné. Le coût réduit de ce type de compresseur pourrait en outre favoriser l’adaptation des thermopompes aux climats plus froids en utilisant plusieurs compresseurs en série. Cette technologie prometteuse a déjà obtenu de bons résultats en simulation numérique sur un design préliminaire, mais il reste à concevoir et fabriquer un prototype afin de pouvoir la valider en laboratoire.
Il faudra ensuite intégrer ce nouveau compresseur avec les autres composantes d’une thermopompe résidentielle munie d’un réfrigérant à faible indice GWP (Global Warming Potential), et la tester pour mesurer l’augmentation du rendement de compression et du coefficient de performance en comparaison avec la thermopompe originale avec compresseur à spirales. À long terme, ce projet a comme objectif de commercialiser un nouveau compresseur qui réduirait le coût des petites pompes à chaleur afin de pouvoir rapidement les déployer pour le chauffage résidentiel ainsi que dans les véhicules électriques, permettant ainsi de réduire les GES et la consommation d’énergie.
Équipe de recherche
Huu Duc Vo, Département de génie mécanique, Polytechnique Montréal (chercheur principal)
Michel Bernier, Département de génie mécanique, Polytechnique Montréal