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Échangeurs de chaleur pour grandes pompes à chaleur et réseaux de chaleur : fluides frigorigènes, sources de chaleur et sous-stations

Auteur: Équipe éditoriale HeatEx Direct
Lecture: 9 minutes
Échangeurs de chaleur pour grandes pompes à chaleur et réseaux de chaleur : fluides frigorigènes, sources de chaleur et sous-stations

En Europe, les réseaux de chaleur remplacent les chaudières au charbon et au gaz par de grandes pompes à chaleur électriques qui prélèvent la chaleur dans l'eau de mer, les rivières, les eaux usées traitées ou la chaleur fatale industrielle. À Esbjerg, au Danemark, une pompe à chaleur de 70 MW qui utilise le CO2 comme fluide frigorigène et l'eau de mer comme source a commencé à alimenter les réseaux de chaleur d'Esbjerg et de Varde fin 2024. À Odense, des pompes à chaleur d'une puissance totale de 20 MW utilisent l'ammoniac pour prélever la chaleur d'eaux usées traitées.

Une centrale de pompes à chaleur de ce type est dans une large mesure un ensemble d'échangeurs de chaleur : côté source, dans le cycle frigorifique et côté réseau, jusqu'aux sous-stations des bâtiments. Ce guide explique où ils se trouvent, comment le fluide frigorigène et la source de chaleur modifient leur conception, et ce qu'il faut spécifier à l'achat. Le catalogue de produits de ce site comprend des échangeurs à plaques semi-soudés pour la réfrigération à l'ammoniac, des échangeurs à plaques soudées à larges canaux pour les eaux encrassantes, et des modules d'échange thermique pour les réseaux de chaleur. Pour un projet précis, envoyez vos données via le formulaire de demande de devis.

1. Où se trouvent les échangeurs

EmplacementÉchangeurRôle
Source de chaleurÉchangeur à plaques entre l'eau de la source et une boucle intermédiaireEmpêche l'eau de mer ou les eaux usées d'atteindre l'évaporateur du fluide frigorigène
ÉvaporateurÉchangeur fluide frigorigène/eauLe fluide frigorigène s'évapore et prélève la chaleur de la source
Condenseur ou refroidisseur de gazÉchangeur fluide frigorigène/eauLe fluide frigorigène cède sa chaleur à l'eau du réseau de chaleur
Sous-refroidisseur, économiseur, refroidisseur d'huileÉchangeurs plus petits dans le cycle frigorifiqueRécupèrent de la chaleur et améliorent le rendement du cycle
Sous-stationÉchangeur à plaques entre le réseau et le bâtimentSépare le réseau du chauffage du bâtiment et de l'eau chaude sanitaire

La centrale d'Odense illustre ce schéma. Alfa Laval, qui a fourni ses échangeurs, décrit des échangeurs à plaques semi-soudés utilisés comme évaporateurs, condenseurs, sous-refroidisseurs et refroidisseurs d'huile, avec un circuit intermédiaire ajouté entre les eaux usées et l'évaporateur à ammoniac. La centrale refroidit les eaux usées traitées d'environ 5 °C et produit environ quatre unités de chaleur pour chaque unité d'électricité consommée.

2. Le fluide frigorigène décide d'une grande partie de la conception

Le règlement européen sur les gaz fluorés, (UE) 2024/573, applicable depuis le 11 mars 2024, fait sortir les hydrofluorocarbures (HFC) du marché de l'UE d'ici 2050. Les grandes pompes à chaleur utilisent donc de plus en plus des fluides frigorigènes naturels, et chacun d'eux impose ses propres exigences aux échangeurs.

  • Ammoniac. L'ammoniac attaque le cuivre ; on n'utilise donc pas d'échangeurs à plaques brasés au cuivre avec lui. Le manuel des fluides frigorigènes de SWEP indique que les échangeurs à plaques brasés pour l'ammoniac doivent utiliser un métal d'apport de brasage à base de nickel. Alfa Laval cite l'ammoniac parmi les fluides agressifs pour lesquels conviennent ses échangeurs entièrement en inox à plaques fusionnées. Pour les grandes puissances, les échangeurs à plaques semi-soudés sont courants : l'ammoniac circule dans des paires de plaques soudées et l'eau dans des canaux à joints qui peuvent être ouverts pour le nettoyage. On utilise aussi des échangeurs à plaques et calandre et des échangeurs tubulaires.
  • CO2. Les installations au CO2 fonctionnent à des pressions bien plus élevées que les installations aux HFC. L'échangeur à plaques brasé H48T de Danfoss pour le CO2 transcritique, par exemple, est prévu pour 140 bar côté primaire. Demandez la pression de calcul côté fluide frigorigène, et vérifiez que l'échangeur et sa certification la couvrent.
  • Hydrocarbures comme le propane. Ces fluides frigorigènes sont inflammables, et les règles de sécurité limitent la quantité qu'une installation peut contenir ; on préfère donc des échangeurs à faible volume interne.

Quel que soit le fluide frigorigène, c'est généralement le fabricant de la pompe à chaleur qui spécifie les échangeurs côté fluide frigorigène. Si vous les achetez séparément, obtenez du concepteur de la pompe à chaleur le fluide frigorigène, ses pressions et températures, et le code des équipements sous pression exigé.

3. La source de chaleur décide du côté eau

  • L'eau de mer contient des chlorures et favorise les salissures marines. Les plaques en titane sont courantes, avec une filtration en amont. Pour les matériaux, voir la liste de contrôle des échangeurs marins et à eau de mer.
  • Les eaux usées traitées encrassent les surfaces d'échange. À Odense, l'eau rejetée est généralement à 8 à 22 °C, et un circuit intermédiaire la sépare de l'évaporateur à ammoniac. Côté eaux usées, on choisit souvent un échangeur facile à nettoyer ou, pour les eaux plus chargées, une conception à larges canaux.
  • La chaleur fatale industrielle et les centres de données peuvent fournir une eau plus chaude, ce qui améliore le rendement de la pompe à chaleur. Voir la section sur la valorisation de la chaleur du guide des échangeurs pour le refroidissement liquide des centres de données.
  • L'eau de rivière et de lac présente des variations saisonnières de température et charrie des débris ; la filtration et la température minimale en hiver sont donc importantes.

Quelle que soit la source, donnez au fournisseur les températures minimale et maximale de la source sur l'année, une analyse de l'eau, la teneur en matières solides et la méthode de nettoyage prévue.

4. Les températures des réseaux baissent

Les anciens réseaux de chaleur fonctionnent à haute température. La synthèse de l'université d'Aalborg sur les générations de réseaux de chaleur situe les températures de départ de la troisième génération sous 100 °C, et celles de la quatrième génération à environ 50 à 60 °C au départ, jusqu'à 70 °C par temps froid, avec des retours autour de 25 °C. Des températures de départ plus basses rendent les pompes à chaleur plus efficaces, car elles ont moins à relever la température.

Pour les échangeurs, des températures plus basses signifient des écarts de température plus faibles ; les sous-stations ont donc besoin d'échangeurs conçus pour un faible pincement, ce qui implique généralement davantage de surface d'échange. Une température de retour basse est un objectif en soi : plus l'eau est refroidie dans les sous-stations, plus chaque mètre cube d'eau du réseau transporte de chaleur. Lorsque vous spécifiez un échangeur de sous-station, indiquez la température de retour exigée en plus des températures de départ.

5. Sous-stations et modules d'échange thermique

Beaucoup de projets achètent les sous-stations sous forme de modules d'échange thermique préfabriqués qui réunissent échangeurs à plaques, pompes, vannes, instruments et régulation. Exemples sur ce site :

  • Le module d'échange thermique de ViEX associe un échangeur, une pompe de circulation, une pompe d'appoint et un système de régulation, et indique des points de fonctionnement typiques comme 130/80 °C côté réseau et 95/70 °C côté bâtiment.
  • Le module d'échange thermique standardisé de THT Juyuan annonce des objectifs de perte de charge inférieurs aux valeurs de référence nationales chinoises, par exemple 40 kPa pour l'échangeur à plaques contre une référence de 50 kPa.
  • Les modules de la série MP d'Accessen ont obtenu la certification CE de TÜV Rheinland et équipent l'usine de véhicules commerciaux de BYD en Hongrie.

La perte de charge compte, car les pompes du réseau tournent toute l'année. La Chine a aussi publié la norme GB/T 47007-2026 sur les essais et l'évaluation de l'efficacité énergétique des échangeurs à plaques, et certains fabricants ont déjà fait tester des séries de plaques selon les règles d'efficacité énergétique antérieures TSG R0010-2019 pour les échangeurs. THT Juyuan, par exemple, indique que huit de ses séries de plaques ont atteint le niveau 1 lors d'essais du centre national d'inspection de la qualité des échangeurs ; voir ses échangeurs à plaques à efficacité énergétique de niveau 1.

6. Prévoir des démarrages fréquents et des variations de charge

Les pompes à chaleur électriques servent de plus en plus à équilibrer le réseau électrique. La centrale d'Esbjerg, par exemple, peut être mise en marche et arrêtée de nombreuses fois par jour. Chaque démarrage et chaque arrêt est un cycle thermique pour les échangeurs, qui sollicite les joints et, dans les appareils brasés, les assemblages brasés. Dites au fournisseur comment la centrale fonctionnera, et demandez si la conception proposée a des limites sur le nombre de cycles ou sur la vitesse de variation de température. Le même point est traité pour la vapeur dans le guide sur les échangeurs à plaques à la vapeur.

7. Ce qu'il faut spécifier

ÉlémentCe qu'il faut donner
Position dans l'installationCôté source, évaporateur, condenseur ou refroidisseur de gaz, sous-refroidisseur, sous-station
Côté fluide frigorigèneFluide frigorigène, pression et température de calcul, code exigé
Source de chaleurType de source, plage de température sur l'année, analyse de l'eau, matières solides, méthode de nettoyage
Côté réseauTempératures de départ et de retour, pression de calcul, perte de charge admissible
PuissancePuissance thermique au point de calcul et à charge minimale
FonctionnementNombre de démarrages et d'arrêts par jour, vitesse de variation de charge
MatériauxMatériau des plaques, mélange des joints s'il y a des joints, métal d'apport pour les appareils brasés
PérimètreÉchangeur seul, ou module complet avec pompes, vannes et régulation

Ce que cela signifie pour les acheteurs

Dans les projets de pompes à chaleur et de réseaux de chaleur, le fluide frigorigène, la source de chaleur et les températures du réseau décident de la conception des échangeurs. Choisissez des conceptions adaptées au fluide frigorigène, par exemple pas de cuivre avec l'ammoniac et une tenue en pression complète pour le CO2. Protégez l'évaporateur d'une eau de source chargée avec une boucle intermédiaire et des échangeurs nettoyables. Concevez les sous-stations pour une température de retour basse et une faible perte de charge, et dites aux fournisseurs à quelle fréquence l'installation démarrera et s'arrêtera. Pour les sous-stations et les installations des bâtiments, la liste de contrôle des fournisseurs d'échangeurs CVC donne d'autres questions à poser.

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