Bien que des travaux soient en cours pour développer des réfrigérants alternatifs et améliorer les stratégies de gestion des réfrigérants, la réduction progressive des HFC imposera des contraintes sur les équipements de compression de vapeur qui nécessiteront des compromis entre coût, efficacité et sécurité. Ces contraintes pourraient présenter des opportunités de marché pour les technologies alternatives de conditionnement de l'espace. Technologies alternatives en fonction de leur état de développement (certaines technologies en sont aux tout premiers stades de développement), du potentiel d'économies d'énergie et d'autres facteurs susceptibles d'affecter leur capacité à concurrencer les systèmes de compression de vapeur.
La figure ci-dessous regroupe 22 technologies sans compression de vapeur analysées dans l'étude du DOE, classées par source d'énergie et fluide ou matériau de travail principal. Bien que les systèmes de compression de vapeur soient également utilisés dans les applications de réfrigération, de transport et de refroidissement de processus, l'étude du DOE se concentre uniquement sur les applications CVC des bâtiments.
Certaines technologies alternatives ne sont pas pratiques pour les applications de conditionnement d'espace en raison de leurs faibles rendements et capacités, et certaines sont trop tôt dans leur cycle de développement pour être pleinement évaluées (par exemple, la pompe à chaleur Bernoulli, le cycle à débit critique et la pompe à chaleur électrocalorique).
Cette section explique certaines des alternatives aux cycles de compression de vapeur.
Cycle transcritique du dioxyde de carbone
La basse température critique pour le dioxyde de carbone peut être vue dans le diagramme pression-enthalpie (Figure ci-dessous). Un cycle avec rejet de chaleur à 31°C aurait un effet réfrigérant beaucoup plus faible qu'un cycle avec condensation à, disons, 27°C. Au-dessus du point critique, le gaz ne peut pas être condensé, et il est nécessaire de se déplacer dans cette région si la température de rejet de chaleur approche 30°C. Si le gaz peut être refroidi, par exemple à 40°C comme le montre la figure, l'effet de réfrigération est similaire à celui d'un rejet de chaleur à 30°C. Dans le cycle représenté, le gaz est refroidi de 120°C à 40°C à une pression constante de 100 bars dans un échangeur de chaleur appelé refroidisseur de gaz.
La formation de liquide n'a lieu que lors de la détente au niveau de pression inférieur. Il peut être possible de faire fonctionner un système conçu pour un fonctionnement transcritique en mode sous-critique, c'est-à-dire en cycle de compression de vapeur, dans des conditions ambiantes basses, auquel cas le refroidisseur de gaz devient un condenseur.
Une régulation de la haute pression est nécessaire pour le cycle transcritique. La pression optimale est déterminée en fonction de la température de sortie du refroidisseur de gaz et est un équilibre entre l'effet de réfrigération le plus élevé possible et la plus petite quantité d'énergie du compresseur.
Réfrigérants de perte totale
Certains fluides volatils ne sont utilisés qu'une seule fois puis s'échappent dans l'atmosphère. Deux d'entre eux sont d'usage courant : le dioxyde de carbone et l'azote. Les deux sont stockés sous forme liquide sous une combinaison de pression et de basse température, puis libérés lorsque l'effet de refroidissement est requis.
Le dioxyde de carbone est en dessous de son point triple à la pression atmosphérique et ne peut exister que sous forme de « neige » ou de gaz. Le point triple est l'endroit où coexistent les phases solide, liquide et vapeur. En dessous de cette pression, un solide se sublime directement à l'état gazeux. Étant donné que les deux gaz proviennent de l'atmosphère, il n'y a aucun risque de pollution. La température du dioxyde de carbone lors de sa libération sera de 78,4°C. L'azote sera à 198,8°C. La glace d'eau peut également être classée comme réfrigérant à perte totale.
Cycle d'absorption
La vapeur peut être retirée d'un évaporateur par absorption dans un liquide (Figure ci-dessous). Deux combinaisons sont utilisées, l'absorption du gaz ammoniac dans l'eau et l'absorption de la vapeur d'eau dans le bromure de lithium. Ce dernier est non toxique et peut donc être utilisé pour la climatisation. L'utilisation de l'eau comme réfrigérant dans cette combinaison la limite aux systèmes au-dessus de son point de congélation. La vapeur de réfrigérant de l'évaporateur est aspirée dans l'absorbeur par l'absorbant liquide, qui est pulvérisé dans la chambre. La solution (ou liqueur) résultante est ensuite pompée jusqu'à la pression du condenseur et la vapeur est chassée dans le générateur par chauffage direct.
Le gaz réfrigérant à haute pression dégagé peut ensuite être condensé de la manière habituelle et renvoyé à travers le détendeur dans l'évaporateur. La liqueur faible du générateur passe à travers une autre vanne de réduction de pression vers l'absorbeur. L'efficacité thermique globale est améliorée par un échangeur de chaleur entre les deux circuits de liqueur et un échangeur de chaleur aspiration-liquide pour le réfrigérant. L'alimentation de la pompe à alcool sera généralement électrique, mais l'énergie thermique du générateur peut être toute forme d'énergie de faible qualité telle que le pétrole, le gaz, l'eau chaude ou la vapeur. Le rayonnement solaire peut également être utilisé. L'énergie globale utilisée est plus importante qu'avec le cycle de compression, donc le COP est plus faible. Les chiffres typiques sont indiqués dans le tableau.
Cycle aérien
La réfrigération à cycle d'air fonctionne sur le cycle Brayton ou Joule inversé. L'air est comprimé puis la chaleur est évacuée ; cet air est ensuite détendu à une température plus basse qu'avant sa compression. La chaleur peut ensuite être extraite pour fournir un refroidissement utile, ramenant l'air à son état d'origine (voir la figure ci-dessous). Le travail est extrait de l'air pendant l'expansion par une turbine d'expansion, qui enlève de l'énergie lorsque les pales sont entraînées par l'air en expansion. Ce travail peut être utilement utilisé pour faire fonctionner d'autres appareils, tels que des générateurs ou des ventilateurs. Souvent, il est utilisé pour aider à alimenter le compresseur, comme illustré. Parfois, un compresseur séparé, appelé compresseur "bootstrap", est alimenté par l'expandeur, donnant deux étages de compression. L'augmentation de la pression sur le côté chaud augmente encore la température et permet au système de cycle d'air de produire plus de chaleur utilisable (à une température plus élevée). L'air froid après la turbine peut être utilisé comme réfrigérant soit directement dans un système ouvert comme illustré, soit indirectement au moyen d'un échangeur de chaleur dans un système fermé. L'efficacité de tels systèmes est limitée dans une large mesure par les efficacités de compression et de détente, ainsi que celles des échangeurs de chaleur utilisés.
À l'origine, des compresseurs et des détendeurs alternatifs à vitesse lente étaient utilisés. L'efficacité et la fiabilité médiocres de ces machines ont été des facteurs majeurs dans le remplacement de ces systèmes par des équipements de compression de vapeur. Cependant, le développement des compresseurs rotatifs et des détendeurs (comme dans les turbocompresseurs de voiture) a considérablement amélioré l'efficacité isentropique et la fiabilité du cycle d'air. Les progrès de la technologie des turbines ainsi que le développement des paliers à air et des composants en céramique offrent d'autres améliorations d'efficacité.
L'application principale de ce cycle est la climatisation et la pressurisation des avions. Les turbines utilisées pour la compression et la détente tournent à des vitesses très élevées pour obtenir les rapports de pression nécessaires et, par conséquent, sont bruyantes. Le COP est inférieur à celui des autres systèmes.
Cycle de Stirling
Le cycle de Stirling est un cycle de gaz ingénieux qui utilise la chaleur transférée du gaz dont la température baisse pour fournir celle du gaz dont la température augmente. Le cycle de Stirling a été appliqué avec succès dans des applications spécialisées nécessitant de basses températures à de très faibles charges.
Refroidissement thermoélectrique
Le passage d'un courant électrique à travers des jonctions de métaux dissemblables provoque une chute de température à une jonction et une élévation à l'autre, l'effet Peltier. Des améliorations de cette méthode de refroidissement ont été rendues possibles ces dernières années par la production de semi-conducteurs appropriés. Les applications sont de taille limitée, en raison des courants électriques élevés requis, et les utilisations pratiques sont les petits systèmes de refroidissement à usage militaire, aérospatial et de laboratoire.
Réfrigération magnétique
La réfrigération magnétique dépend de ce que l'on appelle l'effet magnétocalorique, qui est le changement de température observé lorsque certains matériaux magnétiques sont exposés à un changement de champ magnétique. La réfrigération magnétique est un sujet de recherche et a été historiquement utilisée à des températures ultra-basses. Ce n'est que récemment qu'il a été considéré comme un moyen possible de refroidissement à des températures proches de la pièce.
Réfrigération et climatisation GF Hundy, AR Trott, TC Welch et TC Welch
