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Convention ADEME : 1105C0043

Responsables du projet :

ADEME : David Canal

INPAC : Michèle Mondot

BESOINS EN R&D POUR LE DÉVELOPPEMENT

DES POMPES À CHALEUR

Rapport final

Février 2014

Étude xenée conjointexent par :

Projet ADEME nm 1105C0043 Besoins en R&D pour le développexent des poxpes g chaleur

Rapport final - décexbre 2013

2°5à

Ce rapport établit un état de l-art de la recherche xondiale dans le doxaine des poxpes g chaleur/ Les inforxations recueillies ont perxis d-identifier ' théxati,ues dans les,uelles les

sujets de recherche ont été répertoriés/ L-anal"se de la pertinence de ces sujets au travers

des critères de coytç d-effort R&Dç de xaturité technoloêi,ueç d-ixpact énerêéti,ue et

environnexental ou d-appropriation par la filière professionnelle conjointexent avec une évaluation du conte.te de développexent des poxpes g chaleur en France a perxis de

construire un proêraxxe de R&D sur le,uel l-ADEME pourra s-appu"er pour définir les

êrands a.es de ces travau. futurs/

Le rapport inclut des anne.es par théxati,ue avec pour chacune d-elles une description détaillée des inforxations recueillies lors de la recherche biblioêraphi,ue/

Poxpe g chaleurç absorptionç adsorptionç c"cle friêorifi,ueç fluide friêoriêèneç perforxance

énerêéti,ueç êéotherxieç stocqaêe therxi,ueç êivraêeç source de chaleurç rechercheç

développexent This report is establishinê a state of the art of the R&D projects on heat puxps 7orld7ide/ The êathered inforxation 7as used to identif" ' xajor topics in 7hich the R&D projects

7ere listed/ Anal"sis of relevant criteria such as costç R&D deplo"xentç xaturit" of the

technoloê"ç enerê" and environxental ixpact or appropriation b" the professional sector

7as used to select the xost interestinê research itexs 7hen considerinê the situation of

heat puxp technoloê" developxent in France/ This aixed at defininê a research proêraxxe on 7hich ADEME could rel" on for defininê its areas of research/ The report includes anne.es for each xajor topic 7ith a detailed description of the êathered inforxation durinê the biblioêraph"/

Heat puxpç absorptionç adsorptionç refriêeratinê c"cleç refriêerantç enerê" perforxanceç

êeotherxal enerê"ç therxal storaêeç frostç heat sourceç researchç developxent/

Projet ADEME nm 1105C0043 Besoins en R&D pour le développexent des poxpes g chaleur

Rapport final - décexbre 2013

3°5à

1 CONTEGTE ET OBwECTIFS DU PROwET ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 5

2 ÉTAT DE L6ART DE LA RECHERCHE SUR LES POMPES À CHALEUR ////////////////////////////////////// Q

2/1 Recherche d6inforxations /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Q

2/2 Anal"se et s"nthèse des inforxations recueillies /////////////////////////////////////////////////////// à

3 MÉTHODOLOkIE d-ÉVALUATION DES THKMES DE RECHERCHE ///////////////////////////////////////// (

3/1 Description de l-approche xéthodoloêi,ue d-évaluation /////////////////////////////////////////// (

3/2 Représentation des critères de pertinence ///////////////////////////////////////////////////////////////// '

4 ÉVALUATION DES THKMES CIBLES ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// '

4/1 Les coxposants des PAC ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// '

4/2 Les c"cles friêorifi,ues /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 13

4/3 Les fluides friêoriêènes ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 15

4/4 Les PAC ka> //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 1Q

4/5 Les PAC êéotherxi,ues et les capteurs associés ////////////////////////////////////////////////////// 1'

4/Q Les PAC sur l6air e.térieur et le êivraêe ///////////////////////////////////////////////////////////////////// 25

4/à Les PAC pour l6industrie et les PAC haute texpérature pour le b)tixent /////////////// 2à

4/( Les PAC 8 autres s"stèxes et°ou autres énerêies ///////////////////////////////////////////////////// 2(

4/' Le stocqaêe d6énerêie therxi,ue ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 30

5 RÉUNION DE CONCERTATION AVEC LA PROFESSION /////////////////////////////////////////////////////// 31

Q LA SITUATION DES POMPES À CHALEUR EN FRANCE /////////////////////////////////////////////////////// 3Q

Q/1 Le xarché des poxpes g chaleur ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 3Q

Q/2 Les acteurs en France //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 40

à PROkRAMME DE RECHERCHE ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 52

à/1 La recherche fondaxentale/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 52

à/2 La recherche industrielle /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 54

à/3 La recherche appli,uée ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 55

à/4 L-appropriation par la filière ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 5Q

à/5 Les fluides friêoriêènes ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 5Q

( CONCLUSIONS /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 5à

Projet ADEME nm 1105C0043 Besoins en R&D pour le développexent des poxpes g chaleur

Rapport final - décexbre 2013

4°5à

Anne.e 1 z Les coxposants de la PAC WCETIATJ

Anne.e 2 z Les c"cles friêorifi,ues WMines ParisTechJ Anne.e 3 z Les fluides friêoriêènes WMines ParisTechJ

Anne.e 4 z Les PAC êa> WkDF SUEZJ

Anne.e 5a z Les échanêeurs êéotherxi,ues des PAC WBRkMJ

Anne.e 5b z Les PAC êéotherxi,ues WCSTBJ

Anne.e Q z Les PAC sur l-air e.térieur et le êivraêe WEDFJ Anne.e à z Les PAC haute texpérature pour l-industrie et le b)tixent WMines ParisTechJ Anne.e ( z Les PAC 8autres s"stèxes et°ou autres énerêies WCSTB et CETIATJ Anne.e ' z Le stocqaêe d-énerêie therxi,ue WCETIATJ Anne.e 10 - IEA Heat Puxp Proêraxxe - Liste des Anne.es Projet ADEME nm 1105C0043 Besoins en R&D pour le développexent des poxpes g chaleur

Rapport final - décexbre 2013

5°5à

La poxpe g chaleur WPACJ est une des solutions g priviléêier pour atteindre les objectifs environnexentau. ,ue se sont donnés les pouvoirs publics tant au niveau nationalç

européen ,u6international en terxes de réduction des consoxxations énerêéti,ues et des

éxissions de CO

2/ L6ADEME a souhaité identifier les théxati,ues de recherche sur les poxpes g chaleur ,ui

doivent orienter sa stratéêie et les êrands a.es de ses travau.ç en particulier dans le cadre du

kroupe de Travail " Chaleur renouvelable "/

Par ailleursç INPACç Institut National des Poxpes A Chaleurç est un réseau constitué

d-orêanisxes de recherche dans le doxaine des poxpes g chaleur ,ui a été créé en 2010 1 et dont les objectifs visent g : z contribuer g une perforxance accrue des poxpes g chaleur z échanêer sur les travau. de recherche et la veille technoloêi,ue z échanêer avec des partenaires au niveau fran9ais ou international z xieu. coxxuni,uer vers les professionnels Les principales actions xenées par INPAC g ce jour concernent des échanêes d-inforxations

techni,ues et scientifi,uesç l-orêanisation d-un Conêrès fran9ais annuel sur les poxpes g

chaleur W3 éditions g ce jourJ et des réfle.ions sur des projets de recherche coxxuns/ C-est dans ce conte.te ,ue l-ADEME a donc confié au. xexbres d-INPAC un projet consistant g : z établir un état de l6art de la recherche technoloêi,ue actuelle sur les PAC z proposer un proêraxxe de recherche adapté au conte.te fran9ais de développexent des PAC

Ce rapport fait donc état du travail réalisé conduisant g un proêraxxe de recherche adapté

au développexent des poxpes g chaleur dans le conte.te fran9ais/

1 Les ( partenaires d-INPAC sont : BRkMç CEAç CETIATç COSTICç CSTBç EDFç kDF SUEZ et

Mines ParisTech/

Projet ADEME nm 1105C0043 Besoins en R&D pour le développexent des poxpes g chaleur

Rapport final - décexbre 2013

Q°5à

La prexière étape de l6étude a consisté g recenser les projets récexxent terxinés ou en

cours de réalisation portant sur le développexent technoloêi,ue des poxpes g chaleur/

Pour ce faireç il a été nécessaire de bien identifier les acteurs dans le doxaine au travers des

principales sources d6inforxations/ Celleszci sont listées cizdessous par pa"s : z AHRI °ARTI : Axerican Heatinê and Refriêeration Institute z ASHRAE : Axerican Societ" of Heatinêç Refriêeration and AirzConditioninê

Enêineers

z wRAIA : The wapan Refriêeration and Air conditioninê Industr" Association z NEDO : Ne7 Enerê" and Industrial Technoloê" Developxent Orêani>ation z HPTCw : Heat Puxp & Therxal Storaêe Technoloê" Centre of wapan

Note : la difficulté dans la recherche des travau. xenés au wapon a résidé dans la lanêue Y en

effet la êrande xajorité des travau. est publiée en lanêue japonaise sans traduction

disponible/

Les résultats de la recherche ont donc été lixités par cette barrière linêuisti,ue/

!''/ 0-) z AIRAH : Australian Institute of Refriêerationç Air Conditioninê and Heatinê !''1 0. z les projets européens financés par la Coxxission Européenne WCordisJ z les orêanisxes de recherche et universitaires dans les pa"s o´ le xarché des PAC

est fortexent déplo"é ou en forte proêression WAllexaêneç Suisseç Suèdeç

Autricheç 'J

European Heat Puxp Association WEHPAJ

z Rene7able Heatinê and Coolinê Platforx WRHCJ z des orêanisxes nationau. : ;aerxepuxpe WDEJç ;aerxepuxpezAustria WATJç SEA WSEJç FORMAS WSEJç OFEN WCHJç kSP WCHJ !''2 0*)3-0)**-)*- z l6IEA Heat Puxp Proêraxxe : plan stratéêi,ue 2013z201à et ses anne.es Projet ADEME nm 1105C0043 Besoins en R&D pour le développexent des poxpes g chaleur

Rapport final - décexbre 2013

à°5à

!''4 *-* z les travau. des xexbres INPAC z les travau. universitaires et bien syr toutes les conférences nationalesç européennes ou internationales consacrées au. poxpes g chaleurç telles ,ue : z

European Heat Puxp Suxxit

z

Conférences de Purdue Universit"

z Conférences kustav Lorent>en sur les fluides naturels z ISHPCç International Sorption Heat Puxp Conference z

ASHRAE xeetinês

z ;orld keotherxal Conêress 2010 Les partenaires se sont aussi appu"és pour leurs travau. sur des outils de recherche parxi les,uels on peut citer : z les bases de publications scientifi,ues : FRIDOC de l6IIF°IIFç Iconda du Fraunhofer Instituteç Science Directç IEEEç Scopusç Coxpende.ç ;eb of Scienceç Pascal z

Espacenet pour les brevets

z

DART Europe et These/fr pour les thèses

z kooêle scholarç kooêle booqsç kooêle author z les revues professionnelles WHVAC&R Research wournalç wARNç 'J !'! *-*(5)*+,-)*0))

Une liste des théxati,ues a été définie afin de faciliter l6anal"se des docuxentsç coxxe

suit : 1/ les coxposants des circuits friêorifi,ues Wprincipalexent coxpresseurs et

échanêeurs de chaleurJ

2/ les c"cles friêorifi,ues 3/ les fluides friêoriêènes 4/ les PAC êa> 5/ les PAC êéotherxi,ues et les capteurs associés Q/ les PAC sur l6air e.térieur et le êivraêe les PAC haute texpérature les PAC pour les applications industrielles les associations PAC 8 autres s"stèxes et°ou autres énerêies 10/ le stocqaêe d6énerêie therxi,ue

Les points à et ( ont été reêroupés car les probléxati,ues sont très proches voire

identi,ues/ Projet ADEME nm 1105C0043 Besoins en R&D pour le développexent des poxpes g chaleur

Rapport final - décexbre 2013

(°5à Les anne.es g ce rapport de s"nthèse décrivent pour chacune des théxati,ues : z la xéthodoloêie de recherche d6inforxations avec la liste des principales sources z les sujets de recherche actuelsç accoxpaênés d6une biblioêraphie z les thèxes " porteurs " identifiés avec leurs objectifs / "%#67"8#%9%% /' ).)*7-..(, (:);07

3-0-)*

La recherche d6inforxations a perxis d6identifier un certain noxbre de thèxes de recherche récurrents sur les poxpes g chaleur xenés de par le xonde/ Le développexent des poxpes g chaleur doit se faire dans un conte.te techni,ueç éconoxi,ue et environnexental dont les contraintes sont g prendre en coxpte dans le choi. des orientations de R&D/

C6est pour,uoiç afin de déêaêer parxi ces thèxes récurrents des a.es de recherche pouvant

constituer une proposition de proêraxxe pour l6ADEMEç les partenaires ont défini un

certain noxbre de critères de pertinence sur les,uels ces thèxes doivent Xtre évalués/ Si. critères ont ainsi été sélectionnés coxxe suit :

0)*0<-

La xise en Yuvre de l6axélioration technoloêi,ue perxettraztzelle de réduire le coyt de la PAC Z

L6axélioration technoloêi,ue vaztzelle avoir un ixpact positif°néêatif sur l6efficacité

énerêéti,ue de la PAC Z

,.-*3)**,*- L6axélioration technoloêi,ue apportée g la PAC conduitzelle g un ixpact environnexental plus faible ° plus fort du produit Z 1' -0)

Ce critère définit l6état d6avancexent de la R&D : principes de baseç études anal"ti,uesç

validation sur protot"pesç déxonstration in situç ' 2' Les efforts de R&D pour atteindre l6objectif fi.é sontzils faibles°ixportants Z

Les axéliorations visées nécessitentzelles des travau. de R&D de courte ° lonêue durée

et°ou des xo"ens ixportants Z Projet ADEME nm 1105C0043 Besoins en R&D pour le développexent des poxpes g chaleur

Rapport final - décexbre 2013

'°5à 4' $-...)-)*.--+))5

Les nouvelles PAC nécessitentzelles une inforxation°forxation°,ualification de la filière

pour assurer de bonnes installations et la xaintenance Z *-)*)5.)**

Pour cha,ue thèxe de rechercheç chacun des critères est noté sur une échelle allant de z2 g

82 :
z z2 : aspect néêatif xajeur z z1 : aspect néêatif xinoritaire z

0 : neutre

z

81 : aspect positif xinoritaire

z

82 : aspect positif xajeur

et reporté sur un diaêraxxe " radar " selon l6e.exple cizdessous :

La xéthodoloêie a été ensuite appli,uée au. principau. sujets de recherche identifiés dans

cha,ue théxati,ueç ce ,ui a perxis d-évaluer la pertinence du sujet par rapport au.

difficultés de développexent ou xise en Yuvre et au. bénéfices énerêéti,ues et

environnexentau. atteiênables/

1 "8#%9#

1' #,.-*

L-axélioration des poxpes chaleur coxxence par une évaluation des axéliorations possibles g apporter au. différents coxposants ,ui la constituent/ L-anal"se n-a pas été faite coxposant par coxposant xais par a.e d-axélioration des PACç et a xis en avant ,uatre objectifs principau. dans les travau. xenés ou g xener/ Projet ADEME nm 1105C0043 Besoins en R&D pour le développexent des poxpes g chaleur

Rapport final - décexbre 2013

10°5à

1'' #$-,

L-axélioration des perforxances des PAC se traduit par : z l-utilisation de coxposants g haute efficacité coxxe les circulateurs g vitesse variable et les xoteurs g haut rendexent tant au niveau du captaêe de la source de chaleur ,ue du s"stèxe de distribution dans le b)tixent/ Cet a.e est principalexent porté par la Directive Ecoconception/ z des réêulations plus sophisti,uéesç en particulier pour les c"cles transcriti,ues au CO 2/

1''! -.-)*.0)>7

30)*?)*?@),*

L6évolution de la conception des b)tixents va conduire g une réduction des besoins de chauffaêe et donc des puissances g xettre en jeu/ En parallèleç les besoins d6ECS resteront constants voire seront en auêxentation/ Pour les PAC assurant la double fonction de chauffaêe et de production ECSç l-enjeu se situe

au niveau du dixensionnexent et de la réêulation de ces deu. fonctions e.iêeant des

puissances et des niveau. de texpérature bien différents/ L6e.tension de la plaêe d6utilisation des coxpresseurs doit perxettre des applications plus larêes de la technoloêie de la poxpe g chaleur pour répondre d6une part au. clixats froids et d6autre part au. besoins g texpérature élevée Wproduction d6ECSJ/ Les travau. portent alors vers une adaptation des coxposantsç ce ,ui peut entrainer des difficultés de conception et de fabrication et plus particulièrexent pour les coxpresseurs et les détendeurs/ L-autre a.e est le développexent d-appareils xultifonctions pour répondre g des besoins de chauffaêe Wvoire refroidissexentJ par le vecteur air associé g la ventilation et au. besoins

d-ECS par une PAC/ La criticité techni,ue de ces produits réside dans la stratéêie de

réêulation des différentes fonctionsç voire des différentes énerêies si l-utilisation du solaire

therxi,ue est envisaêée/

1''/ 03-0A,-

)-0A*03(*:)

L-intéêration de nouveau. xatériau. et de nouvelles technoloêies favorisant une réduction

des coyts devrait perxettre une pénétration sur le xarché plus coxpétitive des PAC par rapport g d-autres technoloêies de chauffaêe/

Elle est a.ée en particulier sur :

z le coxpresseur : coxposant " clé " d6un circuit friêorifi,ue/ Une conception de coxpresseurs plus sixples et xoins coyteu.ç coxxe la technoloêie [spool[ actuellexent en développexentç aura un ixpact ixportant sur le coyt des PAC z l6utilisation de pol"xères tant pour les coxpresseurs ,ue les échanêeurs de chaleur doit perxettre de réduire les ,uantités de xatières de fa9on siênificative/ Projet ADEME nm 1105C0043 Besoins en R&D pour le développexent des poxpes g chaleur

Rapport final - décexbre 2013

11°5à

1''1

0)*-(-:*+0)+):):5*

En parallèle des travau. de recherche sur des fluides g WtrèsJ faible effet de serre et sur le confinexent du fluide dans les xachinesç dans le but de xinixiser l-ixpact environnexental des PACç il est aussi ixportant de tendre g xinixiser cette charêe en fluide autant d-un point de vue environnexental ,ue d-un point de vue coyt/ Les échanêeurs xinizcanau.ç avec une possible utilisation coxxe condenseur et

évaporateur Wproblèxes de distribution ° êivraêe g résoudreJ et les batteries g ailettes avec

des tubes de faible diaxètre sont des solutions g l-étude/

Ces travau. sont d-autant plus ixportants ,u-ils sont aussi liés g l6évolution de la

réêlexentation des êa> g effet de serre WFzkasJ ou g d-éventuelles ta.ations des ,uantités

de fluides friêoriêènes utilisées/

La paêe suivante présente les êraphes radar de pertinence de ces ,uatre a.es d-axélioration

des coxposants des poxpes g chaleur/ Projet ADEME nm 1105C0043 Besoins en R&D pour le développexent des poxpes g chaleur

Rapport final - décexbre 2013

12°5à

Réduction coût -1Surcoût à court-terme, se gommant petit à petit à moyen terme (e.g. production en masse de

circulateurs à vitesse variable tirant les coûts vers le bas)

Efficacité 2 L'intégration d'auxiliaires performants doit contribuer à une augmentation de l'efficacité

Impact

environnemental1 Aspect positif sur l'impact environnemental, puisque réduction des consommations d'énergie

Maturité

technologique2 Produits d'ores et déjà disponibles

Appropriation

filière1Bien que ces produits soient d'ores et déjà disponibles, une parfaite maitrise de la filière est encore

nécessaire (régulation différente d'un circulateur ToR) Efforts R&D 2 Produits d'ores et déjà disponibles

Réduction coût -1 Légers surcoûts à prévoir afin que la PAC puisse être profitable sur une plus grande plage d'utilisation

Efficacité 0

Impact neutre en terme d'efficacité, la PAC devant garder son efficacité actuelle pour un plus grand

domaine de fonctionnement

Impact

environnemental1Aspect positif puisque recours à des EnR pour le chauffage (climats froids) et pour le chauffage et

l'ECS dans le cas de climats tempérés

Maturité

technologique1Marché en expansion

Appropriation

filière-1 Adaptation nécessaire à ces "nouveaux" produits

Efforts R&D -1

Des efforts (légers) de R&D doivent être fournis afin que la PAC puisse s'adapter parfaitement aux

climats froids et aux besoins d'ECS

Réduction coût 1 Réduction à terme attendue même si développements initiaux coûteux

Efficacité 0 Idéalement, l'efficacité devra rester identique

Impact

environnemental1 Peut être envisagé comme bénéfique puisque nécessitant moins de matériaux

Maturité

technologique-2 Saut technologique à mettre en place

Appropriation

filière0 Une appropriation de la filière sera à prévoir

Efforts R&D -2

Nombreux pour fabrication des composants, caractérisation, évaluation performances, mise en œuvre

avec nouveaux matériaux

Réduction coût -1

Le recours à des échangeurs à mini/micro-canaux devrait s'accompagner, dans un premier temps,

d'une augmentation des coûts Efficacité 0 Idéalement, l'efficacité devra rester identique

Impact

environnemental1 Globalement bénéfique puisque mettant en jeu des quantités réduites de fluide frigorigène

Maturité

technologique-1La mise en place d'échangeurs nécessitant moins de fluide frigorigène est pour le moment peu

répandue dans les PACquotesdbs_dbs24.pdfusesText_30

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