Méthodes de mesure in situ des performances annuelles des pompes à chaleur air/air résidentielles

Cycle thermodynamique

Le principe

Une pompe à chaleur (PAC) est un dispositif thermodynamique permettant de transférer la chaleur du milieu le plus froid (en le refroidissant) vers le milieu le plus chaud (en le réchauffant), alors que, naturellement, la chaleur va du milieu le plus chaud vers le milieu le plus froid jusqu’à l’équilibre des températures. L’apport d’énergie nécessaire à ce transfert peut être soit de forme mécanique et le cycle est alors appelé « cycle à compression de vapeur » soit thermique dans un cycle à absorption ou à adsorption. Nous nous intéressons ici aux cycles à compression mécanique de vapeur dont le compresseur est entraîné par moteur électrique. Un circuit frigorifique capte l’énergie de la source externe (air/eau/sol) en se vaporisant, la source externe fournissant de l’énergie au fluide pour relever sa température ; il peut alors transférer cette chaleur dans l’habitation en se condensant et en cédant l’énergie à la source interne (réseau de chauffage, etc.).

Le cycle thermodynamique des pompes à chaleur à compression de vapeur se décompose en quatre étapes principales :
Vaporisation : Le fluide frigorigène est évaporé à basse pression et à basse température en puisant l’énergie de la source extérieure.
Compression : La vapeur du fluide frigorigène est comprimée à une pression élevée au moyen d’un compresseur, ce qui entraîne une augmentation de la température.
Condensation : La vapeur du fluide frigorigène à haute pression est condensée à haute température en cédant de la chaleur à la source intérieure.
Détente : Le fluide frigorigène liquide est détendu, au moyen de détendeur, depuis une pression élevée à une basse pression. Il s’ensuit une chute brutale de température avant l’entrée du fluide dans l’évaporateur.

Mode refroidissement – Fonctionnement réversible

Les pompes à chaleur présentent l’avantage de pouvoir être facilement utilisées pour des applications de refroidissement. Les pompes à chaleur réversibles peuvent fournir alternativement de la chaleur ou du froid selon le mode de fonctionnement sélectionné (chauffage ou refroidissement).

Composants du circuit frigorifique

Composants principaux

Les sources
Pour les PAC air/air, les deux sources sont l’air intérieur et celui extérieur à l’habitation. Ces derniers sont tour à tour source chaude et source froide selon le fonctionnement en mode chauffage ou refroidissement.

Fluide frigorigène
Les fluides frigorigènes sont classés en différents groupes selon leur composition moléculaire. Certains fluides frigorigènes sont des mélanges de plusieurs composants homogènes. Ces mélanges sont soit azéotropiques, dans le cas où ils s’évaporent à une température constante pour une certaine pression, soit zéotropiques, dans le cas où ils s’évaporent à température variable pour une pression donnée. Les fluides frigorigènes zéotropiques présentent donc un glissement de température lors d’un changement d’état. L’identification du type de fluide frigorigène (azéotropique ou zéotropique) peut être important dans le choix de la méthode de mesure de la performance de PAC (on discutera plus en détail de ce point dans la partie portant sur les mesures). Les niveaux de pression caractéristiques des fluides associés aux niveaux de température des sources influencent notablement la consommation du compresseur.

Compresseur
La vapeur qui se forme dans l’évaporateur est aspirée dans le compresseur puis comprimée, ce qui entraîne une augmentation de la pression et de la température. Le compresseur est alimenté électriquement. Les PAC pour les particuliers combinent le moteur et le compresseur à l’intérieur d’une seule enveloppe sous pression, appelée unité « hermétique ». Cela permet de limiter les risques de fuite de fluide frigorigène dans l’atmosphère. Pour les PAC air/air destinées au résidentiel, deux sortes de compresseurs sont généralement utilisés : compresseurs à piston rotatif (rotary) et compresseurs à spirale (scroll). Pour satisfaire les besoins thermiques variables de l’habitation tout au long de l’année, le système de PAC peut utiliser un seul compresseur ou plusieurs compresseurs en parallèle permettant de disposer de deux ou trois étages de puissance. Le système peut également utiliser un moteur de compresseur à vitesse de rotation variable. Lorsque le système ne dispose que d’un compresseur à vitesse fixe, la régulation de puissance se fait par périodes de marche et d’arrêt successives. Les deux premiers moyens de régulation de puissance mentionnés ci-dessus permettent de fonctionner à débit de réfrigérant réduit ce qui améliore les performances saisonnières (Rivière 2004).

Détendeur

Le détendeur sert principalement à diminuer la pression du fluide frigorigène. Plusieurs types de détendeurs existent. Les orifices calibrés et les tubes capillaires permettent d’imposer une perte de pression donnée pour un certain débit mais sont mal adaptés à des régimes de fonctionnement à débit variable. C’est pourquoi on utilise principalement des détendeurs thermostatiques ou électroniques. Ces derniers fonctionnent comme une vanne à ouverture variable et contrôlée. La détente est donc quasi-isenthalpique. Le fluide en sortie du détendeur se trouve généralement en régime diphasique.

En général, la vanne du détendeur est réglée de telle manière que le fluide frigorigène à la sortie de l’évaporateur soit légèrement surchauffé. L’écart entre la température du fluide à la sortie de l’évaporateur et la température d’évaporation est appelée la surchauffe. Avec un détendeur thermostatique, la surchauffe est maintenue entre 4 et 8 K. Un détendeur électronique peut permettre d’atteindre des surchauffes très faibles de l’ordre de 1 à 2 K.

L’évaporateur est généralement une batterie à tubes en cuivre et ailettes en aluminium. Un ventilateur permet également d’assurer la vitesse d’air souhaitée pour réaliser l’échange thermique. Contrairement au condenseur qui a trois zones distinctes, l’évaporateur n’en a que deux : la vaporisation et la surchauffe car le fluide est à l’état diphasique à l’entrée de l’évaporateur. En général, le fluide frigorigène à la sortie de l’évaporateur est totalement vaporisé. Autrement, des gouttes de liquide pourraient endommager le compresseur. Cependant, dans un régime transitoire une partie de liquide finit toujours par être aspirée par le compresseur sauf à mettre des protections particulières comme le pompage à vide de l’évaporateur à l’arrêt ou une bouteille séparatrice des phases liquide et vapeur. Les compresseur sont plus ou moins tolérants à l’absorption de liquide, très peu pour les compresseurs à piston et jusqu’à 10 ou 20 % du titre de vapeur pour les compresseurs de type scroll de façon discontinue.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 POMPES A CHALEUR AIR / AIR : CARACTERISTIQUES TECHNIQUES
1.1 Cycle thermodynamique
1.1.1 Le principe
1.1.2 Mode refroidissement – Fonctionnement réversible
1.1.3 Composants du circuit frigorifique
1.1.4 Diagramme enthalpique
1.1.5 Différentes technologies
1.2 Mode de givrage-dégivrage
1.2.1 Le phénomène de givrage
1.2.2 Méthodes de dégivrage
1.2.3 Dégivrage par inversion du cycle
1.2.4 Conditions d’apparition du givre
1.2.5 Chute de performance
1.3 Différentes configurations de PAC air/air
1.3.1 Bi bloc ou Split ou mono-split
1.3.2 Multi-split
1.3.3 DRV ou VRF ou VRV
1.3.4 Différents types d’unités intérieures
1.4 Conclusion
CHAPITRE 2 MOYENS UTILISABLES POUR MESURER LA PERFORMANCE SAISONNIERE D’UNE PAC AIR/AIR
2.1 Mesure de débit aéraulique
2.1.1 Anémomètre à fil chaud
2.1.2 Tube de Pitot
2.1.3 Conclusion
2.2 Mesures de débit du fluide frigorigène
2.2.1 Le débitmètre massique à effet de Coriolis
2.2.2 Débitmètre volumique à ultrasons : type temps de transit
2.2.3 Débitmètre volumique à ultrasons : type Doppler
2.2.4 Conclusion
2.3 Mesure de pression
2.3.1 Principe de fonctionnement
2.3.2 Les caractéristiques
2.4 Mesure de température
2.4.1 Thermomètre à résistance type Pt100
2.4.2 Thermocouple
2.4.3 Principe de mesure
2.4.4 Précision du mesurage de température par contact
2.4.5 Conclusion
2.5 Mesure d’hygrométrie
2.5.1 Notions de base
2.5.2 Hygromètres
2.5.3 Conclusion
2.6 Choix de moyens de mesure
CHAPITRE 3 METHODES DE MESURE DES COEFFICIENTS DE PERFORMANCE SAISONNIERS D’UNE PAC AIR/AIR
3.1 COP saisonnier
3.2 Méthodes internes
3.2.1 Débit du fluide frigorigène
3.2.2 Variation d’enthalpie du fluide au condenseur
3.2.3 Détermination du titre de vapeur
3.2.4 Mesure non-intrusive de la pression
3.2.5 Méthodes internes en mode refroidissement
3.3 Méthodes externes
3.3.1 Débit d’air
3.3.2 Variation des enthalpies de l’air
3.3.3 Méthodes externes en mode refroidissement
3.4 Les méthodes les plus prometteuses
3.5 Conclusion
CHAPITRE 4 METHODE DE REFERENCE POUR LA MESURE DES PERFORMANCES D’UNE PAC AIR/AIR
4.1 Principe de la méthode de référence
4.1.1 Mesures nécessaires
4.1.2 Concentration d’huile
4.1.3 Corrélations de taux de vide
4.2 Validation expérimentale
4.3 Conclusion
CONCLUSION