Modeling of DX heat pump using ANN

Modeling of DX heat pump using ANN

INTRODUCTION

Depuis la crise du pétrole vers les années 1973, plusieurs réflexions ont été engagées dans le souci de réduire l’utilisation des énergies fossiles (Edwards et al., 1998). De plus, les énergies fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon) sont sans doute reconnues pour leur redoutable production de gaz à effet de serre (GES) qui sont préjudiciables à l’environnement. Afin de réduire l’intensité de l’effet de serre et la hausse des températures à la surface de la planète, des plans d’actions pour la limitation d’émissions de certains GES ont été mis en place par de nombreux pays, dont le Canada, notamment dans le cadre du protocole de Kyoto. Les pays signataires de ce protocole se sont engagés sur une réduction de leurs émissions de 5,2 % en moyenne entre 2008 et 2012 par rapport au niveau de 1990.
Cependant, le défi est de taille, car les données de l’année 2010 d’Environnement Canada ont montré encore que les émissions des GES ont augmenté de 25 %.
Les bâtiments sont responsables de 11 % des émissions totales de GES. Parmi les mesures de réduction des ces émssions, entre autres, on peut citer : la réduction de la consommation énergétique par l’utilisation des systèmes de chauffage très performants, la mise en oeuvre des stratégies de contrôle capables d’optimiser la demande (chauffage, climatisation) des bâtiments et le temps de fonctionnement du système, l’amélioration des enveloppes des bâtiments et enfin, le remplacement des énergies fossiles par les énergies renouvelables comme l’énergie solaire, l’énergie éolienne, la biomasse et l’énergie géothermique afin de garantir un environnement sain et durable.

 Géothermies très basse et basse énergie

Encore appelée géothermie «superficielle», la géothermie très basse énergie consiste à capter la chaleur dans les premiers cent mètres sous terre. On extrait de la chaleur du sol à tempérautre inférieure à 30°C au moyen d’un liquide caloporteur qui est pompé puis passé à travers une pompe à chaleur qui agit un peu comme un réfrigérateur à l’envers en ce sens qu’elle extrait la chaleur du liquide caloporteur et la rehausse puis retourne le liquide refroidi dans le circuit sous la terre pour qu’il s’y réchauffe à nouveau et puis pomper. Cette technique est adaptée pour le secteur résidentiel.

 Différents systèmes géothermiques à pompe à chaleur
• Système à boucle ouverte

Dans ce type de boucle, c’est l’eau souterraine de la nappe phréatique qui sert de fluide caloporteur pour les échanges de chaleur avec le sol et est directement pompée dans la thermopompe. C’est un système peu coûteux à l’installation mais moins sûr pour sa durabilité car il n’y a aucune garantie quant à la qualité, ni la quantité d’eau qu’on peut pomper au fils du temps (R.N.Canada, 2003). Ce système est de moins en moins utilisé à cause des règlements de protection de l’environnement et du coût d’entretien élevé.
• Système à boucle fermée horizontale
Dans ce type de système, la tuyauterie de l’échangeur au sol est disposée  horizontalement et échange de la chaleur avec le sol grâce à un fluide secondaire comme eau+glycol. Ce système semble efficace mais nécessite une grande surface pour son installation, ce qui limite son utilisation en zone urbaine.

Sur le plan de la modélisation 

 La modélisation de la PACG DX en mode chauffage à l’aide des réseaux de neurones artificiels. Le modèle peut être utilisé pour élaborer les stratégies de régulation et de contrôles.
 La modélisation sous le logiciel Comsol de l’échangeur réfrigérant-eau de type double tubes dont l’intérieur est vrillée.
 La modélisation d’un compresseur hermétique alternatif qui n’est pas présentée dans ce travail car étant basée sur le modèle de Demba Ndiaye (cité plus haut) disponible dans la littérature.
Le modèle de l’échangeur réfrigérant-eau et celui du compresseur sont intégrés dans le modèle global de la PAC DX en cours de validation et d’évaluation sous Comsol.

 Conclusion

Cette étude, une première du genre pour les systèmes de pompe à chaleur géothermique à expansion directe nous a permis de mettre en évidence l’approche Taguchi dans l’étude et l’analyse de cette nouvelle technologie, de déterminer les conditions optimales de fonctionnement pour un chauffage domestique utilisant l’énergie gratuite du sol, de proposer des outils simplifiés de dimensionnement en accord avec les résultats expérimentaux. On peut retenir entre autre :
• La performance d’une pompe à chaleur DX décroit avec l’augmentation de la température de l’eau dans le condenseur,
• La longueur des puits géothermiques a une forte influence sur la performance du système et que l’augmentation de la longueur de l’échangeur souterrain n’entraine pas forcement une augmentation de performance.

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

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