Fonctionnement du système en mode climatisation

Fonctionnement du système en mode climatisation

Pompe à chaleur géothermique à expansion directe

Les pompes à chaleur géothermique à expansion directe fonctionnent selon le même cycle frigorifique que les pompes à chaleur géothermiques à fluide secondaire, à savoir le cycle de réfrigération simple à compression de vapeur. La particularité des systèmes à expansion directe est que l’échangeur de chaleur géothermique est une composante intégrale du circuit frigorifique. Cet échangeur est constitué de longs tubes en U connectés en parallèle, insérés verticalement dans les puits géothermiques et dans lesquels circule un fluide frigorigène en changement de phase. Ces particularités complexifient la dynamique de l’écoulement du réfrigérant dans le circuit. Ce comportement complexe ainsi que la répercussion sur le comportement global de la machine frigorifique ne sont, à ce jour, pas documentés. Dans le contexte économique et environnemental actuel, les systèmes géothermiques sont considérés comme étant les systèmes les plus éconergétiques offerts sur le marché. Relativement à l’accroissement de la demande pour les systèmes géothermiques, les systèmes géothermiques à expansion directe connaissent un regain d’intérêt. Ces systèmes sont commercialement en vente depuis plusieurs années. Toutefois, peu de documentation et de recherche scientifique sont disponibles pour ces équipements. Ainsi, devant cet accroissement d’intérêt et relativement à la lacune de recherche scientifique concernant les pompes à chaleur géothermiques à expansion directe, nous avons considéré comme étant une contribution scientifique importante l’avancement des connaissances dans ce domaine. 32 1.2 Objectifs L’objectif principal de cette thèse consiste en l’analyse expérimentale et la modélisation d’un échangeur de chaleur géothermique à expansion directe. La réalisation de cet objectif permettra de mieux comprendre et prédire le comportement dynamique complexe de cet élément en mode condenseur et en mode évaporateur. L’obtention de cet objectif est réalisée par les étapes suivantes: • Définir un modèle numérique dynamique d’un échangeur de chaleur réfrigérant-sol vertical. • Réaliser une multitude d’essais expérimentaux afin de comprendre et d’analyser le comportement d’un échangeur de chaleur réfrigérant-sol vertical en mode condenseur et en mode évaporateur. • Comparer les résultats du modèle de simulation avec les résultats expérimentaux obtenus. 1.3 Plan du rapport Le contenu de cette thèse présente, dans un premier temps, la description du système frigorifique analysé. Ce système, une pompe à chaleur géothermique à expansion directe, possède des caractéristiques de conception et d’opération particulières. Ces caractéristiques, présentées au CHAPITRE 2 sont essentielles à identifier initialement afin de bien saisir l’avancement de la présentation des résultats ainsi que de l’analyse en résultant. Le CHAPITRE 3 fait un état des connaissances concernant les travaux et recherches effectués sur les pompes à chaleur géothermiques à expansion directe, les modèles dynamiques de simulation de systèmes frigorifiques, les modèles dynamiques détaillés des échangeurs de chaleur et le phénomène de distribution dans les écoulements en parallèle. Le CHAPITRE 4 présente le développement du modèle dynamique et distribué de l’échangeur de chaleur géothermique verticale. Ce modèle est développé pour les modes condenseur ou évaporateur. L’inclusion de la modélisation transitoire du transfert de chaleur 33 diffusif avec le sol constitue une caractéristique unique de ce modèle par rapport aux modèles définis dans la littérature. Le banc d’essai étant complexe et possédant un nombre important d’instruments de mesure, le CHAPITRE 5 décrit les différents instruments utilisés ainsi que leur emplacement et le nom de leur variable. Ce chapitre est également consacré à la présentation des évaluations de propriétés effectuées ainsi que des paramètres calculés selon le mode d’opération du système. sont consacrés à la représentation et l’analyse des résultats expérimentaux obtenus. Ces résultats sont présentés pour les modes de fonctionnement en climatisation et en chauffage. Une attention particulière est portée, dans ces chapitres, au comportement des boucles géothermiques. Finalement, le CHAPITRE 12 présente l’obtention et la comparaison expérimentale des résultats de simulation pour l’échangeur de chaleur réfrigérant-sol en mode condenseur et évaporateur.

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Table des matières

CHAPITRE 1 INTRODUCTION
1.1 Pompe à chaleur géothermique à expansion directe
1.2 Objectifs
1.3 Plan du rapport
CHAPITRE 2 DESCRIPTION DU SYSTÈME
2.1 Description générale du système
2.2 Fonctionnement du système en mode climatisation
2.3 Fonctionnement du système en mode chauffage
CHAPITRE 3 REVUE DE LA LITTÉRATURE
3.1 Pompes à chaleur à expansion directe
3.2 Modélisation dynamique de systèmes fonctionnant selon le cycle de
réfrigération à compression de vapeur
3.2.1 Modélisation détaillée des échangeurs de chaleur (condenseur et
évaporateur) par approche à paramètres distribués.
3.3 Distribution du réfrigérant lors d’écoulements en parallèle
3.4 Résumé
CHAPITRE 4 MODÉLISATION DE L’ÉCHANGEUR RÉFRIGÉRANT-SOL
4.1 Introduction
4.2 Réfrigérant
4.2.1 Taux de vide
4.2.2 Contrainte de cisaillement à la paroi
4.2.2.1 Écoulement monophasique
4.2.2.2 Écoulement diphasique
4.3 Transfert de chaleur
4.3.1.1 Écoulement monophasique
4.3.1.2 Écoulement diphasique
4.4 Paroi du tube
4.5 Puits géothermique
4.6 Sol
4.7 Résolution numérique
4.7.1 Algorithme de résolution numérique
4.8 Résumé
CHAPITRE 5 MONTAGE EXPÉRIMENTAL
5.1 Techniques de mesure
5.1.1 Instrumentation
5.1.1.1 Circuit frigorifique à l’intérieur du bâtiment
5.1.1.2 Circuit frigorifique au niveau des puits géothermiques
5.1.1.3 Circuit de la boucle d’eau du côté du bâtiment
5.1.2 Système d’acquisition de données
5.2 Évaluation des paramètres et bilans énergétiques
5.2.1 Évaluation des paramètres et bilans énergétiques en mode chauffage
5.2.1.1 Échangeur de chaleur réfrigérant-eau (condenseur)
5.2.1.2 Échangeur de chaleur réfrigérant-sol (évaporateur)
5.2.1.3 Compresseur
5.2.1.4 Tuyauterie
5.2.1.5 Coefficient de performance
5.2.2 Évaluation des paramètres et bilans énergétiques en mode
climatisation
5.2.2.1 Échangeur de chaleur réfrigérant-eau (évaporateur)
5.2.2.2 Échangeur de chaleur réfrigérant-sol (condenseur)
5.2.2.3 Compresseur
5.2.2.4 Tuyauterie
5.2.2.5 Coefficient de performance
5.3 Résumé
CHAPITRE 6 RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX DU SYSTÈME GLOBAL
EN MODE CLIMATISATION
6.1 Méthodologie expérimentale
6.2 Résultats expérimentaux mode climatisation continu (une boucle activée)
6.3 Résultats expérimentaux mode climatisation continu (deux boucles activées)
6.3.1 Analyse globale du système; détermination du régime
quasi-permanent
6.3.2 Analyse énergétique et comportementale du système
6.3.3 Analyse de l’évolution temporelle des performances
6.3.3.1 Détermination de la dégradation temporelle des
performances du système
6.4 Mode climatisation: Validation des données expérimentales
6.4.1 Évaporateur
6.4.2 Condenseur
6.4.3 Débit massique du réfrigérant
6.5 Recommandations
6.6 Résumé
CHAPITRE 7 ANALYSE DU CONDENSEUR CONSTITUÉ DE BOUCLES EN
PARALLÈLE EN MODE CLIMATISATION
7.1 Méthodologie expérimentale
7.2 Résultats du condenseur constitué de deux boucles en parallèle
7.3 Analyse des résultats du condenseur constitué de deux boucles en parallèle
7.3.1 Analyse des résultats du condenseur constitué de deux boucles
en parallèle (boucle #1 et #2)
7.3.2 Analyse des résultats du condenseur constitué de deux boucles
en parallèle (boucle #2 et #3)
7.3.3 Analyse des résultats du condenseur constitué de deux boucles
en parallèle (boucle #1 et #3)
7.3.4 Résumé
CHAPITRE 8 RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX DU SYSTÈME GLOBAL
EN MODE CHAUFFAGE (trois boucles géothermiques activées)
8.1 Méthodologie expérimentale
8.2 Résultats expérimentaux mode chauffage continu (3 boucles activées)
8.2.1 Analyse globale du système; détermination du régime
quasi-permanent
8.2.2 Analyse énergétique et comportementale du système
8.2.3 Analyse de l’évolution temporelle des performances
8.2.3.1 Détermination de la dégradation temporelle des
performances du système
8.3 Mode chauffage: Validation des données expérimentales
8.3.1 Condenseur
8.3.2 Évaporateur
8.3.3 Débit massique du réfrigérant
8.3.4 Bilan énergétique global du circuit frigorifique
8.3.5 Coefficient de performance
8.4 Résumé
CHAPITRE 9 RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX DE L’ÉCHANGEUR
RÉFRIGÉRANT- SOL EN MODE CHAUFFAGE (une boucle géothermique activée)
9.1 Méthodologie expérimentale
9.2 Mode chauffage : fonctionnement de l’évaporateur avec une (1) boucle activée
9.2.1 Mode chauffage continu (boucle #1 activée), Test 600 minutes
9.2.2 Mode chauffage continu (boucle #1 activée) : Test 120 minutes
9.2.2.1 Mode chauffage continu (boucle #1 activée),
Test 120 minutes : analyse comportementale
9.2.3 Mode chauffage continu (boucle #2 activée) : Test 120 minutes
9.2.4 Mode chauffage continu (boucle #3 activée) : Test 120 minutes
9.3 Comparaison du comportement des boucles lors du fonctionnement
de l’évaporateur avec une (1) boucle activée
9.4 Résumé
CHAPITRE 10 ANALYSE DU COMPORTEMENT EN POMPAGE DE
L’ENSEMBLE ÉLÉMENT DÉTENDEUR – ÉVAPORATEUR EN MODE CHAUFFAGE (une boucle géothermique activée)
10.1 Méthodologie expérimentale
10.2 Analyse des résultats du comportement en pompage
10.2.1 Ajustement de la vis de surchauffe statique
10.2.2 Délai de transport
10.2.3 Délais de réaction de l’ensemble élément détendeur – évaporateur
10.3 Résumé
CHAPITRE 11 ANALYSE DE L’ENSEMBLE ÉLÉMENT DÉTENDEUR –
ÉVAPORATEUR CONSTITUÉ DE BOUCLES EN
PARALLÈLE EN MODE CHAUFFAGE
11.1 Méthodologie expérimentale
11.2 Résultats de l’évaporateur constitué de deux boucles en parallèle
11.2.1 Boucles #1 et #2 activées
11.2.2 Boucles #1 et #3 activées
11.2.3 Boucles #2 et #3 activées
11.3 Analyse des résultats de l’évaporateur constitué de deux boucles en parallèle
11.3.1 Analyse du comportement dynamique des boucles #1 et #2 activées
11.3.1.1 Oscillation des performances
11.3.1.2 Distribution de température dans les boucles
11.3.2 Analyse du comportement dynamique des boucles #1 et #3 activées
11.3.2.1 Oscillation des performances
11.3.2.2 Distribution de température des boucles
11.3.3 Analyse du comportement dynamique des boucles #2 et #3 activées
11.3.3.1 Oscillation des performances
11.3.3.2 Distribution de température des boucles
11.4 Évaporateur constitué de trois boucles en parallèle
11.4.1 Tests sans ajustements des vis de surchauffe statique
11.4.2 Analyse des résultats de l’évaporateur constitué de trois boucles
en parallèle
11.4.3 Analyse du comportement dynamique des boucles #1, #2 et #3
11.4.3.1 Oscillation des performances
11.4.3.2 Distribution de température dans les boucles
11.5 Tests avec ajustements des vis de surchauffe statique
11.6 Résumé
CHAPITRE 12 COMPARAISON DU MODÈLE D’ÉCHANGEUR DE CHALEUR
RÉFRIGÉRANT-SOL AVEC LES RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX
12.1 Résultats de simulation: mode condenseur
12.1.1 Analyse des boucles #1 et #2
12.1.2 Distribution de débit massique dans les boucles
12.1.3 Variation de la chute de pression en fonction de débit massique
12.2 Résultats de simulation: mode évaporateur
12.2.1 Analyse d’une seule boucle
12.3 Résumé
CONCLUSION
Compte rendu de la thèse
Contribution du travail
ANNEXE I RÉSUMÉ DES TESTS EXPÉRIMENTAUX: MODE
CLIMATISATION (BOUCLE #1 ET #2 ACTIVÉES) DATA 661
ANNEXE II RÉSUMÉ DES TESTS EXPÉRIMENTAUX: MODE
CLIMATISATION (BOUCLE #2 ET #3 ACTIVÉES): DATA 661
ANNEXE III RÉSUMÉ DES TESTS EXPÉRIMENTAUX: MODE
CLIMATISATION CONTINU (BOUCLE #1 ET #3 ACTIVÉES):
DATA 661
ANNEXE IV RÉSUMÉ DES TESTS EXPÉRIMENTAUX: MODE
CHAUFFAGE CONTINU (BOUCLE #1 ACTIVÉE): TEST 600
MINUTES
ANNEXE V RÉSUMÉ DES TESTS EXPÉRIMENTAUX: MODE
CHAUFFAGE CONTINU (BOUCLE #1 ACTIVÉE): TEST 120
MINUTES
ANNEXE VI RÉSUMÉ DES TESTS EXPÉRIMENTAUX: MODE
CHAUFFAGE CONTINU (BOUCLE #2 ACTIVÉE): TEST 120
MINUTES
ANNEXE VII RÉSUMÉ DES TESTS EXPÉRIMENTAUX: MODE
CHAUFFAGE CONTINU (BOUCLE #3 ACTIVÉE): TEST 120
MINUTES
ANNEXE VIII RÉSUMÉ DES TESTS EXPÉRIMENTAUX: MODE
CHAUFFAGE CONTINU (BOUCLE #1, #2 ET #3 ACTIVÉES):
DATA 647
ANNEXE IX RÉSUMÉ DES TESTS EXPÉRIMENTAUX: MODE
CHAUFFAGE CONTINU (BOUCLE #1 ET #2 ACTIVÉES):
DATA 647
ANNEXE X RÉSUMÉ DES TESTS EXPÉRIMENTAUX: MODE
CHAUFFAGE CONTINU (BOUCLE #2 ET #3 ACTIVÉES):
DATA 647
ANNEXE XI RÉSUMÉ DES TESTS EXPÉRIMENTAUX: MODE
CHAUFFAGE CONTINU (BOUCLE #1 ET #3 ACTIVÉES):
DATA 647
BIBLIOGRAPHIE