Une start-up utilise les services d'ingénierie Simcenter et Simcenter STAR-CCM+ pour développer une pompe à chaleur qui réduit les coûts énergétiques

La honte appartient au passé

La plupart des maisons américaines sont chauffées à l'aide d'une chaudière, et une petite fraction des maisons utilisent des pompes à chaleur qui se servent d'énergie (généralement de l'électricité) pour déplacer la chaleur ambiante de l'extérieur vers l'intérieur. Les systèmes de chaudière à haut rendement restent coûteux et nécessitent de basses températures de chauffage pour maintenir une efficacité maximale. Dans des conditions de charge thermique élevée, l'efficacité diminuera souvent. Les pompes à chaleur électriques sont disponibles depuis de nombreuses années, mais elles n'ont pas été largement acceptées en raison de leurs mauvaises performances dans les climats froids. Leur efficacité diminue à basse température, lorsque la chaleur est d'autant plus essentielle. Il est alors nécessaire d'utiliser un combustible supplémentaire ou un chauffage par résistance qui peut augmenter les coûts.

Les climatiseurs sont des pompes à chaleur qui transfèrent la chaleur des environnements plus froids vers les environnements plus chauds. La grande majorité des systèmes de climatisation reposent sur un cycle de compression de vapeur avec une petite installation de systèmes d'absorption, et représentent la plus grande partie de l'électricité consommée dans une maison (22 %). Les systèmes de climatisation sont principalement alimentés à l'électricité et fonctionnent pendant les mois d'été, ce qui nécessite de l'électricité au moment où elle est la moins disponible et la plus chère. Les systèmes de compression de vapeur utilisent également des réfrigérants qui engendrent diverses préoccupations environnementales, notamment l'appauvrissement de la couche d'ozone et les effets de serre.

ThermoLift est né d'une conversation entre amis et collègues d'autres entreprises, le Dr Peter Hofbauer et Paul Schwartz, au début de l'année 2012. Les deux hommes discutaient d'une technologie de chauffage, de ventilation et de climatisation (HVAC) qui pourrait changer la façon dont les bâtiments utilisent l'énergie. Hofbauer a déploré : "C'est une honte que la technologie ne soit pas développée." C'est ce qui a poussé M. Schwartz à commencer à travailler dans son sous-sol de Long Island, dans l'état de New York, afin d'entamer la phase de développement commercial en vue de l'identification du capital d'amorçage nécessaire à la création de ThermoLift.

Aujourd'hui, ThermoLift est basée à l'Advanced Energy Center de l'Université d'État de New York (SUNY) à Stony Brook, compte 20 employés à temps plein et a levé près de 20 millions de dollars de financement, y compris des subventions du ministère américain de l'énergie (DOE) et de l'Autorité de recherche et de développement de l'énergie de l'État de New York (NYSERDA). Le système ThermoLift est un climatiseur et une thermopompe alimentés au gaz naturel qui peuvent remplacer les systèmes de chauffage, de climatisation et d'eau chaude des bâtiments par un seul appareil. Cet appareil est lié à une pompe à chaleur Vuilleumier (VHP), mais utilise un cycle modifié, le TC-Cycle™, qui améliore encore les avantages par rapport à une VHP. Cela permet de réduire les coûts de consommation d'énergie de chauffage et de climatisation du bâtiment et les émissions de gaz à effet de serre.

Schéma 2 : la pompe à chaleur innovante de génération 1.0 de ThermoLift

Pompes à chaleur Vuilleumier

La technologie ThermoLift est issue de la VHP, qui est un moteur thermique directement couplé à une pompe à chaleur. Une VHP déplace un gaz de travail, tel que l'hélium, entre trois chambres au sein d'un système fermé. Dans la VHP, deux déplaceurs synchronisés par la manivelle se réservent à l'intérieur d'un cylindre pour déplacer le gaz de travail entre des chambres chaudes, tièdes et froides séparées. Le cycle thermodynamique utilise le refroidissement par l'expansion des gaz pour créer une température froide dans la chambre froide. L'énergie provenant de la compression thermique et de la combustion d'un combustible (ou d'une collecte solaire) dans la partie chaude fournit des températures chaudes dans la chambre chaude, qui peut être utilisée pour le chauffage des locaux et/ou l'alimentation en eau chaude. Le dispositif ThermoLift est différent de la VHP car les déplaceurs sont contrôlés indépendamment par mécatronique pour mieux maîtriser le mouvement du plongeur et, par conséquent, le cycle thermodynamique.

Cette différence de température entre la chambre froide et la température ambiante, même à basse température ambiante, peut être exploitée pour extraire la chaleur de l'environnement pour le chauffage des locaux et le chauffage de l'eau chaude. La pompe à chaleur ThermoLift est un moyen extrêmement efficace de capter l'énergie thermique, contrairement aux pompes à chaleur traditionnelles, qui utilisent de l'électricité, une énergie de haute qualité qui a été générée à partir de l'énergie thermique pour développer de la chaleur, une énergie de mauvaise qualité. La pompe à chaleur ThermoLift n'utilise que de la chaleur et évite les pertes d'énergie associées à la conversion, à la distribution et aux changements de phase des systèmes de pompes à chaleur conventionnels à compresseur.

La pompe à chaleur ThermoLift utilise le TC-Cycle pour intégrer plusieurs innovations afin d'améliorer les performances et de réduire les coûts. Le prototype de première génération de ce système a déjà été conçu, construit et testé. Il comprend des innovations telles qu'un brûleur à combustion à très faibles émissions, des actionneurs à commande électronique pour l'amélioration de l'efficacité du cycle et des échangeurs de chaleur innovants. Grâce à ces améliorations, le dispositif VHP de nouvelle génération devrait surpasser les équipements HVAC et d'eau chaude sanitaire (ECS) de pointe actuellement disponibles, et augmentera considérablement l'efficacité opérationnelle du processus thermodynamique tout en réduisant les coûts et les émissions de dioxyde de carbone

Schéma 4 : graphique de l'historique temporel des moniteurs de transfert de chaleur critiques

Tests et données de construction de première génération

ThermoLift a construit et testé trois générations de son prototype TC-Cycle dans le cadre de précédents programmes de subventions du DOE et de la NYSERDA. Le développement de la génération (Gen) 1.0 de ThermoLift s'est concentré sur la conception d'un entraînement électromécanique comme alternative aux VHP synchronisées par manivelle, qui posaient des problèmes de coût et de durabilité et compromettaient la thermodynamique du système en raison d'un contrôle limité du mouvement du plongeur. En utilisant les connaissances acquises grâce à la génération 1.0, ThermoLift a achevé le développement du prototype de la génération 2.0, qui a été présenté aux représentants du Laboratoire national américain d'Oak Ridge (ORNL) et du Laboratoire national américain des énergies renouvelables (NREL) en octobre 2016. Le prototype Gen 3.0 de ThermoLift a été testé avec succès par l'ORNL en août 2018.

L'amélioration de la qualité et de la fiabilité des données de l'unité Gen 2.0 a facilité les simulations et les performances. En juillet 2017, ThermoLift a franchi une étape technique importante, appelée atterrissage en douceur des déplaceurs, car ils ont été réciproques de bout en bout, ce qui a permis d'éliminer le bruit de la machine et d'assurer des durées de fonctionnement fiables et continues (plus de 10 heures). ThermoLift prévoit d'assembler plusieurs prototypes Gen 3.0 et de démontrer des performances haute-fidélité lors de démonstrations en laboratoire et alpha en 2018.

S'étendre au processus de conception basé sur la simulation

En 2016, ThermoLift a commencé à travailler avec Siemens Digital Industries Software pour se développer dans le processus de conception basé sur la simulation. Lors du développement d'une nouvelle technologie innovante comme ThermoLift, le développement précoce d'un prototype peut devenir coûteux lorsqu'il s'appuie sur des données de test expérimentales. Au début du développement, de nombreux concepts doivent être évalués, souvent avec différentes idées fondamentales testées. La construction et le test de ces prototypes peuvent présenter des risques importants pour une start-up. Ces phases nécessitent de lourds investissements en ressources et en installations, dont le rendement est incertain.

La simulation peut fournir des réponses rapides et rentables. Il est possible d'évaluer plusieurs concepts de design et leurs principaux indices de performance, et ainsi d'éliminer les conceptions peu performantes avant la fabrication d'un prototype.

La conception et la simulation de systèmes complexes peuvent s'avérer coûteuses et délicates. Les ingénieurs du monde entier suivent le cycle en V (schéma 2) pour le développement de produits numériques. L'idée est de disposer de différents niveaux de détail et de complexité dans le processus de conception, du concept global et des modules aux composants individuels. Au début se trouve une conception générale du système. L'ensemble du système se compose de plusieurs modules tels que des échangeurs de chaleur, des régénérateurs et des déplaceurs. Le niveau le plus détaillé est le niveau des composants, qui implique la conception de petits composants tels que des buses, des orifices ou des ailettes d'échangeur de chaleur.

Au cours de ce processus, les conceptions sont créées de haut en bas ; de la disposition de base à la conception des modules et des composants. Le processus de vérification à l'aide de la simulation fonctionne dans le sens inverse. En effet, les composants et les modules sont vérifiés et optimisés, ce qui se traduit par une amélioration de l'ensemble du système. En d'autres termes, si les modules qui composent un système fonctionnent mieux, le système global fonctionnera mieux.

ThermoLift et les services d'ingénierie Simcenter™ ont adopté cette approche pour réduire considérablement le temps de développement et économiser sur le prototypage. Jusqu'en 2016, l'équipe de développement de ThermoLift avait effectué des simulations 1D approfondies de leur cycle thermodynamique unique. La question était de savoir comment prédire les processus physiques en 3D. L'un des modules critiques de la pompe à chaleur ThermoLift est l'échangeur de chaleur. C'est le seul sous-système dans lequel l'énergie provenant de combustibles fossiles pénètre dans le système, et il est essentiel d'atteindre un rendement élevé.

Plus il y a de chaleur qui peut être transférée à l'hélium gazeux à l'intérieur, plus l'efficacité globale est élevée (schéma 1). Il est essentiel d'avoir une compréhension complète de la physique et du chemin de l'énergie du brûleur vers l'hélium chaud, en capturant la combustion, le rayonnement, le transfert de chaleur convective et conjuguée. De plus, le plongeur à chaud alternatif introduit un domaine mobile, ce qui nécessite une analyse transitoire nécessitant des ressources de calcul haute performance plus importantes. Le défi était de trouver une solution de simulation pour modéliser la physique complexe combinée à des domaines en mouvement, et les services d'ingénierie de Simcenter, à l'aide du logiciel Simcenter STAR-CCM+™, un produit de la gamme Simcenter, ont fourni la réponse. Simcenter STAR-CCM+ est une solution tout-en-un qui offre une simulation multidisciplinaire précise et efficace dans une interface utilisateur intégrée unique.

Schéma 5 : distribution du flux de chaleur par rayonnement et lignes de courant

Analyse transitoire de l'échangeur de chaleur

L'objectif principal de cette analyse était de donner un aperçu détaillé du transfert de chaleur du brûleur vers le côté hélium chaud. Cela nécessitait de modéliser le rayonnement, la convection et la conduction dans la chambre du brûleur et l'échangeur de chaleur à l'intérieur de la chambre à hélium chaud et le mouvement de déplacement alternatif. Un modèle de mécanique des fluides numérique (CFD) de transfert de chaleur conjugué a été construit à partir des données de conception assistée par ordinateur (CAO) du logiciel Pro/E® natif. La technologie unique de maillage excessif de Simcenter STAR-CCM+ a été utilisée pour modéliser le mouvement alternatif du plongeur. Tous les modes de transfert de chaleur ont été modélisés et tous les fluides ont été traités comme des gaz parfaits. Les conditions aux limites cycliques des simulations 1D ont été appliquées à la sortie d'hélium, où l'échangeur de chaleur se connecte au premier étage du régénérateur.

Il y a une combinaison de processus transitoires et stables dans le système. Bien que le brûleur à combustion fournisse une chaleur constante, le transfert de chaleur dans l'hélium est un processus cyclique entraîné par le déplaceur alternatif. Au fur et à mesure que le système se réchauffe, un état quasi-stationnaire est finalement atteint dans lequel le transfert de chaleur est équilibré sur chaque cycle répétitif. Cela nécessite de longues simulations transitoires, qui ont été réalisées avec les clusters de calculs haute performance de Siemens Digital Industries Software dans le cadre de ce projet de coopération. Le schéma 4 montre l'historique temporel du transfert de chaleur à travers les interfaces des composants critiques, du brûleur à l'hélium. Après 15 à 20 cycles, les transferts de chaleur deviennent cycliques et des données de performance moyennées par cycle peuvent être dérivées. Les données pourraient prédire des indicateurs de performance clés tels que l'efficacité de l'échangeur de chaleur et la perte de chaleur pour évaluer cette conception Gen 2.

Le schéma 5 montre la répartition de la température en volume des gaz d'échappement et de l'hélium à l'intérieur de la machine lorsque le plongeur se déplace vers le bas. Le schéma 6 montre la distribution du flux de chaleur par rayonnement limite sur l'échangeur de chaleur faisant face au brûleur. Les lignes de courant montrent le chemin des gaz d'échappement du brûleur à travers la conception du canal en spirale coloré par la température, ce qui donne un aperçu de l'endroit où le gaz perd en température vers l'échangeur de chaleur.

Schéma 6 : répartition de la température des gaz d'échappement et de l'hélium en fonction du volume

Partenariat avec les services d'ingénierie Simcenter

Les résultats de l'analyse transitoire de l'échangeur de chaleur réalisée par les services d'ingénierie Simcenter ont aidé l'équipe de conception de ThermoLift à identifier les données de performance critiques, y compris les problèmes et les causes :

• La température des gaz d'échappement était trop élevée à la sortie de l'échangeur de chaleur. Cela a conduit à l'utilisation d'un réchauffeur de précombustion qui a récupéré cet excès de chaleur dans le système.

• Le transfert total de chaleur dans l'hélium était trop faible pour atteindre les objectifs de performance. Un échangeur de chaleur tubulaire plus complexe a été mis au point (schéma 1)

• Le transfert de chaleur par rayonnement dans l'échangeur de chaleur a été un facteur essentiel de l'apport de chaleur global

Changer potentiellement la façon dont les bâtiments utilisent l'énergie

Siemens Digital Industries Software et ThermoLift poursuivent leur partenariat pour développer davantage le processus de conception axé sur la simulation de l'entreprise. Grâce à un transfert de technologie continu et au soutien des services d'ingénierie Simcenter, l'équipe de simulation de ThermoLift est devenue une utilisatrice expérimentée de Simcenter STAR-CCM+, simulant et développant des composants chaque jour. Siemens soutient et élabore une feuille de route visant la croissance continue et l'amélioration des processus chez ThermoLift, en l'aidant à atteindre les objectifs suivants :

• Intégrer un plus grand nombre de composants dans la simulation. L'objectif est de modéliser l'ensemble de la machine en 3D.

• Intégrer l'optimisation automatisée de la conception. Au lieu de se contenter d'évaluer les conceptions choisies, l'entreprise peut laisser la simulation guider le processus de conception.

• Fournir des services d'analyse et des ressources de calcul haute performance pour les grandes simulations, en réduisant les coûts tout en voyant grand.

La technologie de ThermoLift peut potentiellement réduire la consommation d'énergie et les coûts de chauffage et de climatisation des bâtiments, ainsi que les émissions de gaz à effet de serre associées. Elle pourrait changer la façon dont les bâtiments utilisent l'énergie à l'avenir et aider à préserver la planète.