Méthode d’auto-paramétrage auto-adaptatif

Variabilité de la température de la source froide

   La particularité des PAC aérothermiques réside dans la grande variation que peut subir la température de la source froide (air extérieur). Ce point est d’autant plus important que la puissance thermique fournie diminue avec la baisse de la température d’évaporation, cf. Figure I-6. En effet, lorsque la température d’évaporation diminue, le détendeur doit réduire le débit de fluide frigorigène pour maintenir la surchauffe à l’évaporateur, entraînant une baisse des puissances échangées au cours du cycle. En deçà d’une certaine valeur de température d’évaporation, la PAC ne peut plus fonctionner. La température d’air extérieur correspondant à cette température d’évaporation minimale est appelée température d’arrêt et se situe entre -20 et -15 °C selon les modèles de PAC air/eau présents sur le marché français.

Givrage de l’évaporateur

   Dans le cas de la PAC air/eau (des PAC aérothermiques de manière générale), les puissances et les performances peuvent également être impactées par le phénomène de givrage à l’évaporateur. En effet, l’air extérieur constituant la source froide de la PAC contient de la vapeur d’eau, qui se condense sur les parois de l’évaporateur. Lorsque les parois de l’évaporateur sont à température négative, il se forme une couche de givre, s’épaississant progressivement tant que l’évaporateur reste à faible température. Il convient alors de stopper le fonctionnement normal de la PAC pour dégivrer l’évaporateur. Deux méthodes sont principalement utilisées (5):
– Le dégivrage par gaz chauds : le condenseur et le détendeur sont court-circuités, le fluide frigorigène vapeur haute pression et haute température sortant du compresseur est envoyé via une vanne 3 voies directement vers l’entrée de l’évaporateur. Ce système de dégivrage est très simple mais seule l’énergie du compresseur est utilisée, rendant l’opération (et donc l’arrêt de la fonction chauffage) longue. Cette technique a donc tendance à disparaître au profit de la méthode ci-dessous.
– Le dégivrage par inversion de cycle : il s’agit d’inverser la fonction des échangeurs, le condenseur devient évaporateur et l’évaporateur devient condenseur. Cette inversion est réalisée au moyen d’une vanne 4 voies positionnée en aval du compresseur. Cette méthode nécessite également 2 détendeurs.

Pompe à chaleur air/eau double service

   Dans le cas des pompes à chaleur air/eau double service, l’énergie prélevée dans l’air extérieur est transférée soit dans un circuit d’eau chaude de l’installation de chauffage, soit dans un ballon de stockage d’eau chaude sanitaire. Le système cible de cette étude peut donc être divisé en trois sous-systèmes (voir Figure I-7) : la partie de production, le réseau de chauffage et le ballon de stockage d’ECS. Une vanne trois voies (V3V) relie la partie de production d’eau chaude aux deux autres systèmes. La particularité d’une pompe à chaleur double service est la production non-simultanée de chauffage et d’ECS.

Comportement relatif au chauffage

   Comme évoqué par Vorger (2014) (11), plusieurs études ont été menées pour établir des modèles de présence basés sur les enquêtes sur l’emploi du temps (EET), souvent dans un objectif de modélisation de la demande électrique des logements. Particulièrement, Wilke (12) a réalisé son modèle à partir de l’EET conduite en France par l’Insee en 1998-1999. En se basant sur cette enquête et sur le modèle de Wilke, Vorger (2014) a créé un modèle qui nous permet d’analyser la présence journalière des individus en fonction de la période de la semaine (cf. Figure I-12). Ce modèle de présence nous donne une idée des possibles consignes de chauffage des individus (en se basant sur l’hypothèse d’une consigne « confort » pendant les horaires de présence et une « eco » pendant les absences).

Dimensionnement du ballon d’eau chaude sanitaire

   Afin d’assurer la production d’ECS, plusieurs critères doivent être pris en compte pour dimensionner le ballon de stockage : les besoins d’ECS des occupants, la programmation du réchauffage du ballon et la température de consigne. En fonction de la température maximale produite par la PAC, de la régulation du fonctionnement du ballon (cf. Tableau I-2), de l’utilisation d’une résistance électrique et des pertes thermiques du ballon, le volume du stockage sera entre 10% et 20% supérieur aux besoins d’ECS à 55 °C. Le Tableau I-2 montre les besoins d’ECS à 55 °C et le volume minimal nécessaire du ballon exprimés en litres en fonction du nombre des occupants et de la stratégie de réchauffage du ballon pour les cas les plus courants, soit avec une PAC produisant seule l’ECS jusqu’à 55 °C, soit avec la PAC produisant l’ECS jusqu’à 45 °C avec complément par une résistance électrique sans asservissement temporel.yè

Modèle de pompe à chaleur air/eau

   Selon Blervaque (22) et Filliard (23) les modèles de PAC peuvent être classés en fonction de l’approche physique, et en fonction de la représentation dynamique. Plus précisément, les méthodes de représentation physique sont classiquement scindées en trois catégories :
– Approche physique-thermodynamique : les modèles basés sur cette approche considèrent la géométrie des composants de la PAC et les équations physiques génériques (transfert de chaleur et masse). Ce sont des modèles plus ou moins détaillés selon la précision de la représentation géométrique des composants de la boucle thermodynamique modélisés. Ce type de modèle est utilisé généralement pour des travaux de recherche amont et de conception, qui nécessitent un niveau de représentation très fin, et pour lesquels un temps de simulation long n’est pas rédhibitoire. Ainsi, en 2005, Youbi-Idrissi (24) a réalisé un modèle détaillé de PAC afin de mesurer les grandeurs physiques dans le circuit thermodynamique (températures, coefficient de transfert de chaleur et composition locale du fluide frigorigène). En 2013 Chamoun (25) a réalisé une modélisation physique détaillée d’une PAC à haute température industrielle avec de l’eau comme fluide frigorigène.
– Approche empirique : ce type d’approche a pour principe de représenter le fonctionnement de la PAC par des corrélations issues d’études expérimentales. La PAC est modélisée comme une boite noire dont la puissance thermique fournie et la puissance électrique consommée sont issues de tests en laboratoire, souvent réalisés par le fabricant lui-même. Ce type de modèles simplifiés est utilisé, en milieu industriel notamment, pour des études de dimensionnement d’installations, des calculs de conformité réglementaire et des simulations d’assemblage, cf. (26), (27) et (28).
– Approche semi-empirique : cette approche est un compromis entre les deux précédentes. À partir de simulations réalisées au moyen d’un modèle détaillé issu d’une approche physiquethermodynamique, on peut obtenir des corrélations simplifiées qui décrivent le comportement de la PAC. Cette approche permet d’avoir un modèle paramétrable et adaptable. Le domaine de validité de ce type de corrélations est étroitement lié aux conditions de fonctionnement et à la géométrie des composants couverts par les simulations d’origine. Des modèles de ce type peuvent être trouvés dans (29), (30), (31). La méthode de représentation de la dynamique du système permet également de distinguer trois catégories :
– Modèles statiques, qui calculent les performances à des valeurs fixes des données d’entrée du modèle (températures des sources notamment), en régime permanent de fonctionnement et à taux de charge maximal. Les dynamiques du cycle thermodynamique de la PAC et de ses perturbations ne sont pas prises en compte. Des exemples de ces modèles peuvent être trouvés dans (29), (32), (33), (34).
– Modèles quasi-statiques, qui calculent des performances moyennes de la PAC pour le pas temps de simulation considéré. Il s’agit ainsi d’une succession plus ou moins rapide, selon le pas de temps pris en compte, de simulations en régime statique. Les phénomènes transitoires internes ne sont donc pas pris en compte mais ce type de modèles permet de rendre compte de la variabilité des données d’entrée. Ils sont utilisés lorsque l’on considère que la dynamique de réponse de la PAC est beaucoup plus rapide que la dynamique des perturbations (variables d’entrée). Nous pouvons trouver des modèles de ce type dans (35), (36), (37).
– Modèles dynamiques, qui simulent le comportement et la réponse dynamique des composants de la PAC à des perturbations dynamiques. Ces modèles prennent en compte les phénomènes transitoires très rapides de la PAC. Ce type de modèle a besoin d’un paramétrage très détaillé et induit des temps de simulation très longs. Des exemples de ces modèles peuvent être trouvés dans (38), (39), (40). Pour répondre aux besoins de notre étude, le modèle de la PAC doit pouvoir représenter l’impact de la régulation sur le fonctionnement global, tout en impliquant un temps de calcul raisonnable, compatible avec des simulations annuelles. L’impact du paramétrage sur le fonctionnement des composants du circuit thermodynamique pris individuellement n’est pas inclus dans le périmètre de notre étude. Nous nous intéressons à la consommation électrique et à la production calorifique du système dans sa globalité. Une approche physique-thermodynamique détaillée s’avère donc inutile par rapport à ces objectifs et serait inadaptée à notre objectif de simulations annuelles. Par ailleurs, le modèle utilisé doit être capable de reproduire la réponse de la PAC en termes de puissance électrique consommée et puissance thermique fournie en fonction de sollicitations variables. Les phénomènes transitoires de la PAC elle même ne sont pas considérés. Pour cette raison, un modèle quasi-statique semble la solution la plus adaptée. Afin de prendre en compte l’ensemble des technologies de pompes à chaleur et en particulier les systèmes de PAC à vitesse variable, ce modèle calcule la température d’eau chaude et la puissance électrique consommée en fonction du débit et de la température de la boucle d’eau, de la température extérieure et de la fréquence du compresseur.

Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE I : INSTALLATION ET MISE EN SERVICE DE POMPES À CHALEUR AIR/EAU DOUBLE SERVICE
I – 1. LA POMPE À CHALEUR AIR/EAU DOUBLE SERVICE COMME SOLUTION AUX ENJEUX ÉNERGÉTIQUES DU BÂTIMENT RÉSIDENTIEL EN RÉNOVATION
I – 2. PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT DE POMPES À CHALEUR AIR/EAU DOUBLE SERVICE
I – 2. 1. Description du système
I – 2. 1. 1. Principes de fonctionnement
I – 2. 1. 2. Énergies échangées et performances d’une pompe à chaleur
I – 2. 1. 3. Spécificités des pompes à chaleur air/eau
I – 2. 2. Pompe à chaleur air/eau double service
I – 2. 2. 1. Unité de production d’eau chaude
I – 2. 2. 2. Réseau de chauffage
I – 2. 2. 3. Ballon d’eau chaude sanitaire
I – 2. 3. Fonctions de la pompe à chaleur et leur régulation
I – 2. 3. 1. Chauffage
I – 2. 3. 2. Eau chaude sanitaire
I – 3. INSTALLATION DE POMPES À CHALEUR AIR/EAU DOUBLE SERVICE
I – 3. 1. Analyse du besoin thermique
I – 3. 1. 1. Étude thermique du bâtiment. Adaptation de la puissance de la PAC
I – 3. 1. 2. Analyse du réseau hydraulique. Adaptation du débit à la PAC
I – 3. 1. 3. Analyse du comportement des occupants. Adaptation de la PAC et du stockage d’ECS
I – 3. 2. Dimensionnement du système
I – 3. 2. 1. Dimensionnement de la PAC
I – 3. 2. 2. Dimensionnement du ballon d’eau chaude sanitaire
I – 3. 3. Équilibrage du réseau hydraulique
I – 4. PARAMÉTRAGE DE POMPES À CHALEUR DOUBLE SERVICE 
I – 4. 1. Loi d’eau
I – 4. 2. Gestion de différents modes de chauffage
I – 4. 3. Stratégies de production d’ECS
I – 4. 4. Gestion des appoints électriques
I – 4. 5. Gestion du dégivrage
I – 4. 6. Pratiques courantes
I – 5. OBJECTIFS ET PÉRIMÈTRE DE LA THÈSE
CHAPITRE II : ÉTUDE DE L’IMPACT DE LA RÉGULATION DE LA PAC. IDENTIFICATION DES FONCTIONS D’AUTO-PARAMÉTRAGE ET CAHIER DE CHARGES DE L’AUTO-PARAMÉTREUR
II – 1. OUTILS D’ÉTUDE
II – 1. 1. Outils de modélisation
II – 1. 1. 1. Contraintes
II – 1. 1. 2. Modèles utilisés
II – 1. 2. Banc d’essais semi-virtuel
II – 1. 2. 1. Description du banc
II – 1. 2. 2. Mesures
II – 2. ANALYSE DES SÉQUENCES DE FONCTIONNEMENT DYNAMIQUE
II – 2. 1. Puissance électrique et température d’eau de la PAC
II – 2. 2. Comportement en mode eau chaude sanitaire
II – 2. 3. Comportement en mode chauffage
II – 2. 4. Exemple de l’impact d’un paramétrage par défaut pendant une journée d’hiver
II – 3. IMPACT DU MAUVAIS PARAMÉTRAGE SUR LA CONSOMMATION ÉLECTRIQUE ET LE CONFORT ANNUELS 
II – 3. 1. Description de l’étude paramétrique
II – 3. 2. Analyse du confort
II – 3. 2. 1. Définition de la mesure du confort dans cette étude
II – 3. 2. 2. Chauffage : confort des occupants
II – 3. 2. 3. ECS : disponibilité
II – 3. 3. Analyse de la consommation électrique
II – 3. 3. 1. Analyse par composant
II – 3. 3. 2. Seasonal Performance Factor – SPF
II – 4. CAHIER DES CHARGES FONCTIONNEL DE L’AUTO-PARAMÉTREUR
II – 4. 1. Fonctions d’auto-paramétrage
II – 4. 1. 1. Loi d’eau
II – 4. 1. 2. Relance de chauffage
II – 4. 1. 3. Gestion de la production d’ECS et de chauffage
II – 4. 2. Contraintes de l’application
CHAPITRE III : OUTILS POUR L’AUTO-PARAMÉTRAGE DE LA POMPE À CHALEUR
III – 1. INTRODUCTION
III – 2. ÉTAT DE L’ART SUR LES SYSTÈMES DE RÉGULATION AVANCÉE
III – 2. 1. Chauffage
III – 2. 2. Eau chaude sanitaire
III – 2. 3. Choix de développement
III – 3. OUTILS POUR L’AUTO-PARAMÉTRAGE
III – 3. 1. Adaptation de la loi d’eau
III – 3. 1. 1. Implémentation de l’algorithme en simulation
III – 3. 1. 2. Implémentation de l’algorithme sur une pompe à chaleur commerciale
III – 3. 2. Gestion de chauffage et ECS : utilisation de la commande prédictive
III – 3. 2. 1. Types de modélisation
III – 3. 2. 2. Résumé des choix de développement
III – 3. 2. 3. Modèles neuronaux développés
III – 4. CONCLUSIONS
CHAPITRE IV : CONSTRUCTION ET PERFORMANCES DES MODÈLES DE PRÉVISION
IV – 1. CONSTRUCTION ET PERFORMANCES DES MODÈLES DE PRÉVISION À PARTIR DES DONNÉES ISSUES DE SIMULATIONS
IV – 1. 1. Construction des modèles
IV – 1. 1. 1. Données d’apprentissage
IV – 1. 1. 2. Traitement des données
IV – 1. 1. 3. Architecture détaillée des réseaux de neurones
IV – 1. 2. Performances des modèles de prévision en boucle ouverte
IV – 1. 2. 1. Mode chauffage
IV – 1. 2. 2. Mode eau chaude sanitaire
IV – 1. 3. Performances des modèles de prévision en boucle fermée
IV – 1. 3. 1. Mode chauffage
IV – 1. 3. 2. Mode eau chaude sanitaire
IV – 2. CONSTRUCTION ET PERFORMANCES DES MODÈLES DE PRÉVISION À PARTIR DES DONNÉES ISSUES DU BANC DE TEST SEMI VIRTUEL
IV – 2. 1. Construction des modèles
IV – 2. 1. 1. Données d’apprentissage
IV – 2. 1. 2. Traitement des données
IV – 2. 1. 3. Architecture détaillée des réseaux de neurones
IV – 2. 2. Performances des modèles de prévision calibrés à partir des données issues du banc de test semi virtuel
IV – 2. 2. 1. Mode chauffage
IV – 2. 2. 2. Mode eau chaude sanitaire
IV – 3. CONCLUSIONS
CHAPITRE V : ARCHITECTURE GLOBALE DE L’AUTO-PARAMÉTREUR
V – 1. AUTO-PARAMÉTREUR DE POMPES À CHALEUR
V – 1. 1. Description générale
V – 1. 2. Paramètres à automatiser
V – 1. 3. Étapes d’auto-paramétrage
V – 1. 3. 1. Acquisition des données
V – 1. 3. 2. Adaptation de la loi d’eau et apprentissage du comportement
V – 1. 3. 3. Prévisions et commandes
V – 1. 3. 4. Communication avec la pompe à chaleur
V – 1. 3. 5. Autodiagnostic
V – 2. AUTO-PARAMÉTRAGE : RÉSULTATS EN SIMULATION 
V – 2. 1. Résultats du cas de référence : régulation constructeur
V – 2. 2. Résultats avec une loi d’eau adaptée au logement
V – 2. 3. Résultats avec la mise en place de l’auto-paramétreur
V – 3. CONCLUSIONS
CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
CONCLUSIONS
PERSPECTIVES
RÉFÉRENCES
ANNEXES

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