Study of multi-function absorption heat pumps for heating network substations
Étude de pompes à chaleur à absorption multi-fonctions pour les sous-stations de réseaux de chaleur
Résumé
This work studies the opportunity to integrate absorption heat pumps (AHP) in substations of district heating networks (DHN). The challenge is to improve the energy efficiency of DHN and to allow better integration of renewable energies. Three AHP operating modes are possible to satisfy the needs of buildings throughout the year by using DHN heat, by : (i) locally increasing the available temperature of the DHN to satisfy the high-temperature heating needs of buildings, for example from a lowtemperature DHN; (ii) air conditioning of the buildings from the heat of the DHN, for example in summer; (iii) improving the heat transfer between the DHN and the building. To compare the performances reached with several absorbent-refrigerant pairs, a steady-state model was developed. The model simulates the AHP under typical operating conditions of DHN substations for the three considered operating modes. According to the model, the NH3-LiNO3 pair was identified as the most relevant one. Then, a dynamic model was developed to simulate the system under varying operating conditions. An experimental prototype with 3 kW cooling capacity was dimensioned, built and tested with the NH3-LiNO3 couple, to validate the feasibility of the concept, quantify its performance and validate the numerical model.
Following this validation, the model was used to study the relevance of the use of AHP in DHN substations to satisfy the heating and cooling needs, improve the DHN performances and promote integration of new low temperature renewable energy sources.
Ce travail de thèse étudie l’opportunité d’intégrer des pompes à chaleur à absorption (PàCs) dans les sous-stations des réseaux de chauffage (RdC). L’enjeu est de contribuer à la meilleure efficacité énergétique des RdC et d’y permettre une meilleure intégration des énergies renouvelables. Trois modes de fonctionnement de la PàCs sont proposés pour répondre aux besoins des bâtiments tout au long de l’année à partir de la chaleur du RdC, en :
— augmentant localement la température disponible du RdC pour couvrir les besoins de chaleur à haute température des bâtiments, à partir d’un RdC à basse température par exemple ;
— rafraichissant les bâtiments à partir de la chaleur du RdC, en été par exemple ;
— améliorant le transfert de chaleur entre le RdC et le bâtiment.
Pour comparer les performances atteintes avec plusieurs couples absorbant-réfrigérant, un modèle en régime permanent a été développé pour simuler la PàCs dans des conditions de fonctionnement typiques des sous-stations de RdC, pour les trois modes de fonctionnement considérés. Ce modèle a permis d’identifier le couple NH3-LiNO3 comme couple le plus pertinent. Puis, un modèle dynamique a été développé pour simuler le système lors de variations de conditions de fonctionnement.
Un prototype expérimental d’une puissance froid de 3 kW, utilisant le couple NH3-LiNO3, a été dimensionné, construit et testé pour valider la faisabilité du concept, quantifier ses performances et valider le modèle numérique. Suite à cette validation, le modèle a été utilisé pour étudier la pertinence de l’utilisation de PàCs en sous-station de RdC pour répondre aux besoins de chaleur et de froid des bâtiments et ainsi améliorer les performances du RdC et favoriser l’intégration de nouvelles sources d’énergie renouvelable à basse température.
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