Conception d’un Echangeur Stockeur – Déstockeur

Le condenseur est l’élément clé de la pompe à chaleur intégrant un stockage thermique. Cet échangeur est le siège de l’échange entre les trois « matériaux actifs » du système : le fluide frigorigène, l’air ambiant et le matériau de stockage. Dès lors, la faisabilité et la rentabilité de ce système sont liées directement à la performance de cet échangeur stockeur. Il sera conçu principalement pour être capable de stocker la quantité d’énergie thermique nécessaire pour l’effacement, la délivrer avec la puissance requise à un niveau de température assurant le confort thermique et un écart de températures acceptable entre stockage et déstockage. Il devra respecter également d’autres critères comme un faible débit de soufflage d’air, la plus grande compacité possible et un fonctionnement sans hystérésis. Selon les calculs des besoins de la maison « Mozart Passive », un stock de 800 Wh d’énergie thermique est suffisant pour assurer le confort entre 18 h et 20 h durant toute l’année. La stratégie choisie est celle du dimensionnement maximal, sans inconfort et une durée d’effacement d’au moins deux heures. Le système doit être capable de décharger une puissance thermique maximale de 400 W. Le système de chauffage qui va être utilisé est une PAC monosplit à une unité intérieure (Figure III-1).

Bien que les études sur les pompes à chaleur avec stockage par chaleur latente soient limitées, de nombreux travaux ont été menés sur l’amélioration du transfert de chaleur et des cycles thermiques dans les systèmes de stockage par chaleur latente. Huang et al. [HUA04] ont étudié la performance de la régulation thermique de modules photovoltaïques intégrés aux bâtiments intégrant des MCP. Les résultats expérimentaux et de simulations ont montré Plusieurs brevets présentent des dispositifs d’échangeurs tubes plats ailetés, souvent utilisés pour la climatisation des véhicules, permettant un stockage par chaleur latente. La Figure III-2 montre le schéma du brevet [EP1221389A2] qui propose d’insérer des réservoirs de MCP entre le tube où circule le fluide caloporteur et les ailettes externes qui sont brasées sur les réservoirs. Le brevet [FR2878613A1] décrit une méthode d’intégration plus simple au niveau de l’assemblage de l’échangeur. Les réservoirs sont adjacents aux tubes des caloporteurs, comme le montre la Figure III-3, les ailettes externes sont brasées en partie sur les tubes et en partie sur les réservoirs. Dans le brevet [EP1424531B1], les tubes sont composés de faisceaux de circulation du caloporteur adjacents à d’autres faisceaux comportant du MCP. Le dispositif du brevet [DE1020004035818] présente des petits réservoirs rectangulaires de MCP brasés d’un côté et de l’autre de chaque tube d’un échangeur à tubes plats ailetés.

L’inconvénient de ces dispositifs est le ratio volumique associé à chacun des trois fluides : caloporteur, fluide externe et fluide de stockage qui est inadapté. Les caloporteur et l’air sont en écoulement, le volume associé est le volume de passage. Par contre, le volume associé au MCP permet un stockage thermique très limité. En d’autres termes la densité énergétique entre les trois composants de l’échangeur est mal équilibrée. Le brevet [WO2006059005] propose des réservoirs parallélépipédiques de MCP ayant une petite épaisseur. Ces derniers peuvent être insérés dans des tubes de circulation d’un caloporteur dans un échangeur ou bien entre les plaques d’un échangeur à plaques. De même les brevets [DE102006007543], [DE3910356] et [DE10240246] présentent des réservoirs de stockage par chaleur latente où le MCP occupe le circuit du premier fluide d’un échangeur à plaques et le caloporteur circule dans le deuxième. Le réservoir du brevet [DE19953113] est identique sauf que le caloporteur circule dans des tubes perpendiculaires aux plaques.  Le brevet [DE10256665] porte sur un système de climatisation doté d’un réservoir de stockage par chaleur latente. Le froid est généré par un circuit frigorifique et stocké dans un réservoir de MCP où un échangeur intermédiaire peut absorber ce froid pour le transmettre à un autre échangeur et refroidir de l’air injecté dans l’habitacle d’un véhicule. Les brevets  [DE10233415] et [DE10108152] présentent également des systèmes de climatisation comportant un réservoir de stockage thermique.