Soutenance mémoire
Généralités sur les pompes à chaleur
Les différents types de pompe à chaleur
Une pompe à chaleur doit aller puiser des calories. Différents milieux contiennent de la chaleur, on peut citer par exemple :
• L’air extérieur : la chaleur contenue dans l’air extérieur est prélevée par la pompe à chaleur pour être restituée dans l’air ambiant du logement ou dans l’installation de chauffage à eau chaude.
• L’eau : la chaleur contenue dans l’eau d’une nappe phréatique, d’un lac, etc., est prélevée par la pompe à chaleur. Elle est ensuite transférée par la pompe à chaleur dans l’installation de chauffage à eau chaude. Il est important de noter que l’exploitation des eaux est soumise à une réglementation.
• Le sol : la chaleur est prélevée dans la terre par l’enfouissement de tubes. Elle est ensuite transférée par la pompe à chaleur dans l’installation de chauffage à eau de chauffe. Il existe deux solutions techniques pour installer ces tubes : capteur horizontal ou sonde géothermique verticale.
Pour nommer et classer les pompes à chaleur, on cite en premier la source de chaleur, appelée aussi capteur (eau, eau glycolée, air, gaz etc.) et en second la partie chaude, c’est -à- dire le mode de restitution de la chaleur (eau, air, gaz, etc.). Les principaux types de systèmes de pompe à chaleur sont :
• Pompe à chaleur eau-eau : Les calories sont prélevées dans l’eau (nappe phréatique) et, côté utilisation, elles sont restituées dans un circuit contenant de l’eau (plancher chauffant, radiateurs, ventilo-convecteurs, etc.).
• Pompe à chaleur air-eau : Les calories sont prélevées dans l’air, et côté utilisation, elles sont restituées dans un circuit contenant de l’eau (plancher chauffant, radiateurs, ventilo-convecteurs, etc.)
• Pompe à chaleur air-air : Les calories sont prélevées dans l’air, et côté utilisation, elles sont restituées dans l’air comme dans les ‘’splits’’.
• Pompe à chaleur géothermique : on peut citer dans cette catégorie, les PAC eau glycolée-eau, PAC sol-eau (DX à capteur à fluide frigorigène) et PAC sol-sol (DX à capteur et émetteur à fluide frigorigène). La solution technique de géothermie la mieux maîtrisée est celle des pompes à chaleur géothermique à boucle secondaire ou PAC fluide caloporteur-eau . Dans ce cas, les calories sont prélevées dans la terre au moyen d’un circuit contenant un fluide caloporteur comme de l’eau glycolée, du propylène glycol, etc. du côté utilisation, elles sont restituées dans un circuit contenant par exemple de l’eau (plancher chauffant, radiateurs, ventiloconvecteur, etc.). La nouvelle technologie est à détente ou expansion directe (PAC sol-sol ou PAC sol-eau). Le réfrigérant circule directement dans l’échangeur de chaleur géothermique.
Les principaux éléments d’une PACG DX
Les éléments incontournables
Les composants indispensables pour constituer une boucle de pompe à chaleur DX comme d’ailleurs pour les autres types sont: le compresseur, l’évaporateur, le condenseur et le détendeur. Nous présentons pour chacun d’eux leur rôle tout en décrivant le phénomène thermodynamique dont ils sont le siège.
Le compresseur
Il aspire le fluide frigorigène à l’état gazeux puis le comprime, ce qui permet d’élever sa température et sa pression (il passe en haute pression). Dans les pompes à chaleur destinées aux maisons individuelles et aux petits immeubles résidentiels, les compresseurs sont généralement de type hermétique c’est-à-dire que le moteur électrique et le compresseur sont montés ensemble dans la même enveloppe qui est ensuite soudée. De cette manière, le fluide frigorigène ne peut pas s’échapper dans l’atmosphère. Les compresseurs utilisant la technologie scroll sont les compresseurs les plus courants pour les pompes à chaleur. Ces compresseurs à spirale présentent plusieurs avantages significatifs sur les autres types de compresseurs : ils comportent peu de pièces mobiles, ce qui permet une longévité supérieure et surtout un comportement du compresseur relativement silencieux. Les compresseurs à spirale ont donc permis l’installation de pompes à chaleur dans des endroits où elles auraient autrement été interdites en raison du bruit et des contraintes acoustiques. Un autre avantage du compresseur à spirale est sa bonne résistance à la pénétration de gouttes de liquide à l’intérieur de celui ci.
L’échangeur géothermique
Contrairement à l’échangeur géothermique d’une PACG à boucle secondaire, où le transfert de chaleur entre le réfrigérant et le sol se fait grâce à un fluide caloporteur (comme l’eau glycolée, la saumure, le propylène glycol), dans une pompe à chaleur géothermique à expansion directe, le transfert de chaleur dans l’échangeur géothermique s’effectue directement entre le réfrigérant et le sol. Le changement de phase se produit donc au sol et la circulation du réfrigérant est assurée par le compresseur. En mode chauffage, l’échangeur géothermique se comporte comme un évaporateur alors qu’en mode climatisation, il est un condenseur.
L’échangeur géothermique à expansion directe est constitué d’un puits de diamètre déterminé foré au sol contenant le tube de cuivre à l’intérieur duquel circule le réfrigérant puis remblayé avec un matériau appelé coulis .
L’échangeur terrestre
Encore appelé échangeur réfrigérant-eau , il est souvent situé du côté du bâtiment avec lequel il effectue les échanges thermiques. L’échangeur terrestre est un évaporateur en mode climatisation et condenseur en mode chauffage. Comme évaporateur, on y distingue généralement deux zones de transfert de chaleur : zone de l’évaporation et la zone de surchauffe. Comme condenseur, on y distingue trois zones distinctes: la zone de désurchauffe, zone de condensation et la zone de sous-refroidissement.
Le détendeur
Le fluide frigorigène, à l’état liquide, arrive au détendeur qui fait chuter sa température et sa pression (il passe en basse pression). Le détendeur fonctionne comme une vanne à ouverture variable, maintenant la différence de pression entre les côtés basse et haute pressions du circuit de fluide frigorigène. La différence de pression entre le condenseur et l’évaporateur nécessite d’insérer un dispositif abaisseur de pression dans le circuit. C’est le rôle du détendeur. Le fluide frigorigène se vaporise partiellement dans le détendeur pour abaisser sa température. Pour compenser la chute de pression dans l’évaporateur, un autre tube capillaire est souvent soudé dans le tuyau d’aspiration près du bulbe. On obtient ainsi un système d’égalisation externe de pression. A l’aide d’une vis de réglage qui serre un ressort dans la vanne de détente, la surchauffe peut être maintenue au niveau désiré.
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Table des matières
INTRODUCTION
0.1 Généralités sur la géothermie
0.1.1 Géothermies très basse et basse énergie
0.1.2 Géothermie haute énergie
0.1.3 Différents systèmes géothermiques
0.2 Généralités sur les pompes à chaleur
0.2.1 Les différents types de pompe à chaleur
0.2.2 Les principaux éléments d’une PACG DX
0.2.2.1 Les éléments incontournables
0.2.2.2 Les composants secondaires
0.2.3 Le cycle thermodynamique d’une pompe à chaleur
0.2.4 Le rendement d’une pompe à chaleur
0.3 Problématique
0.4 Objectifs de la thèse et méthodologie
0.5 Contenu de la thèse
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Modélisation d’une pompe à chaleur géothermique
1.1.1 Modélisation de l’échangeur géothermique
1.1.1.1 Modélisation de l’échangeur géothermique à boucle secondaire
1.1.1.2 Modélisation de l’échangeur géothermique à expansion directe
1.1.2 Modélisation des autres composants autre que l’échangeur géothermique
1.1.2.1 Modélisation d’un compresseur
1.1.2.2 Modélisation d’un échangeur réfrigérant-eau
1.1.2.3 Modélisation d’une valve de détente thermostatique
1.1.2.4 Modélisation des composants secondaires
1.1.3 Modèle global d’une pompe à chaleur
1.1.4 Quelques méthodes de dimensionnement d’une pompe à chaleur géothermique
1.2 Résumé des études sur l’analyse des PACG DX
CHAPITRE 2 ARTICLE#1 EXPERIMENTAL ANALYSIS OF A DIRECT EXPANSION GEOTHERMAL HEAT PUMP IN HEATING MODE
2.1 Abstract
2.2 Résumé
2.3 Introduction
2.4 Description of the experimental setup and operation
2.4.1 Description of the experimental setup
2.4.2 System operation
2.4.2.1 Operating in cooling mode
2.4.2.2 System operation in heating mode
2.5 Experimental methodology
2.6 Data reduction and uncertainty analysis
2.7 Results and discussion
2.8 Conclusion
CHAPITRE 3 ARTICLE#2: MODELING OF THE DIRECT EXPANSION GEOTHERMAL HEAT PUMP USING ARTIFICIAL NEURAL NETWORK
3.1 Abstract
3.2 Résumé
3.3 Introduction
3.4 Méthodology
3.4.1 Using of the model
3.4.2 Model inputs-output’s selection
3.4.3 Methodology of data collection
3.5 Experimental set up and results
3.5.1 Data Collection Procedure
3.5.2 Data reduction and experimental results
3.5.2.1 Data reduction
3.5.2.2 Experimental result and discussion
3.6 Modeling of DX heat pump using ANN
3.7 ANN Results and discussion
3.8 Conclusion
CHAPITRE 4 ARTICLE#3: A COMPARATIVE PERFORMANCE STUDY OF A DIRECT EXPANSION GEOTHERMAL EVAPORATOR USING R410A, AND R407C AS REFRIGERANTS ALTERNATIVES TO R22
4.1 Abstract
4.2 Résumé
4.3 Introduction
4.4 Model used
4.5 Methodologylids
4.6 Results and discussion
4.6.1 Case #1
4.6.2 Case #2
4.6.3 Case #3
4.7 Conclusion
CONCLUSION
