Un système d’échange de chaleur bidirectionnel basé sur les énergies renouvelables

Les tendances énergétiques mondiales évoluent vers la numérisation, la décarbonisation et la décentralisation. Le réchauffement climatique et les anomalies climatiques attribuables à la pollution de l’environnement dont font état les informations quotidiennes indiquent que les menaces du changement climatique ne sont plus farfelues. Selon un rapport publié par le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), les émissions de carbone des zones urbaines en 2020 représentaient 67% à 72% des émissions totales. À l’échelle mondiale, des efforts sont déployés pour réduire les émissions de carbone des zones urbaines et des bâtiments grâce à la fourniture d’énergie renouvelable et à la construction de bâtiments à énergie zéro.

Une équipe de recherche du département de recherche sur l’énergie des bâtiments de l’Institut coréen de génie civil et de technologie du bâtiment (KICT, président Kim Byung-suk) a mis au point un système d’échange de chaleur bidirectionnel qui utilise l’excès de chaleur provenant d’énergies renouvelables, y compris la chaleur solaire dans un effort pour atteindre la neutralité carbone dans les bâtiments.

La chaleur solaire, la chaleur géothermique et les piles à combustible sont de plus en plus utilisées individuellement ou ensemble dans des systèmes hybrides pour réduire l’énergie de chauffage et de refroidissement utilisée dans les bâtiments. Cependant, de tels systèmes sont susceptibles de produire un excès de chaleur en raison de l’inadéquation entre la demande de chaleur du bâtiment et l’approvisionnement en chaleur renouvelable. La chaleur excédentaire, ou chaleur perdue, est la chaleur qui n’est pas utilisée après une production de chaleur intermittente.

Par exemple, au printemps en Corée, lorsque le rayonnement solaire est adéquat, une chaleur suffisante peut être générée. Cependant, la saison ne nécessite pas un niveau de chauffage élevé, ce qui entraîne un gaspillage d’une partie de la chaleur. L’équipe de recherche, dirigée par le chercheur Yongki Kim, a développé un système qui aide les bâtiments à échanger la chaleur excédentaire de manière bidirectionnelle via des tuyaux de chauffage après l’autoconsommation dans les zones où il y a de fortes concentrations de bâtiments.

L’équipe a configuré un réseau de tuyaux de chauffage pour les trois bâtiments du KICT situés à Ilsan, en Corée, et a utilisé un réseau de chaleur solaire et géothermique et des piles à combustible comme sources de chaleur. Deux 944 m² des capteurs solaires thermiques ont été installés dans le parking extérieur et sur le toit, et une pompe à chaleur pour une source de chaleur géothermique de 310 kWth, un système de pile à combustible de 10 kWc et deux installations de stockage thermique de 40 m³ et 10 mètres³ capacités ont été construites.

La simulation et la preuve de concept ont prouvé que le tuyau double est efficace dans le réseau de caloducs à basse température avec environ 10 % de perte de chaleur. Lorsqu’il y a suffisamment d’ensoleillement, l’eau chaude pour le chauffage est fournie par la chaleur solaire au tuyau secondaire du chauffage urbain via un échangeur de chaleur. Lorsque l’ensoleillement est insuffisant, l’eau chaude peut être fournie par le système de pompe à chaleur de la source géothermique et le système de pile à combustible. Le système d’échange de chaleur bidirectionnel peut être contrôlé à la fois manuellement et automatiquement au centre de contrôle intégré.

L’énergie thermique renouvelable appliquée à un bâtiment est généralement destinée à l’autoconsommation. Dans un système de chauffage urbain à petite échelle, les installations d’offre et de demande sont séparées et la chaleur est fournie de manière unidirectionnelle. Dans cette étude, le système d’échange de chaleur bidirectionnel a été mis en œuvre, améliorant le taux d’utilisation des installations de source de chaleur renouvelable et l’efficacité du système.

Yongki Kim, le chef de l’équipe de recherche, a déclaré : “Le système a le potentiel d’augmenter l’utilisation de l’énergie thermique renouvelable dans les villes et les bâtiments, ce qui réduira finalement leurs émissions de carbone.”

Fourni par le Conseil national de recherches sur la science et la technologie