Principe thermodynamique et notion de performance

Principe théorique du fonctionnement des pompes à chaleur

Principe thermodynamique et notion de performance

Une pompe à chaleur (PAC) est une machine thermodynamique permettant de transférer l’énergie d’une source froide extérieure vers un puits chaud, à l’inverse du flux de chaleur naturel. Ce transfert d’énergie est permis par le cycle thermodynamique fermé d’un fluide dit frigorigène, grâce à des échangeurs thermiques appelés évaporateur et condenseur, un compresseur, et un détendeur qui sont les principaux composants de la PAC. Le fluide frigorigène est choisi selon de nombreux critères techniques, environnementaux et de sécurité. Les caractéristiques thermodynamiques (pression, température, enthalpie) d’un fluide ainsi que ses différents états (liquide ou vapeur) peuvent être représentés sur son diagramme pression-enthalpie.

À l’évaporateur, le fluide frigorigène extrait une énergie Qevap à la source froide. Au compresseur, ce fluide absorbe une énergie Wcomp, correspondant à l’énergie électrique fournie au moteur du compresseur, diminuée des pertes thermiques à l’environnement ambiant. Au condenseur, une énergie Qcond est transférée vers le puits chaud. D’après le premier principe de la thermodynamique appliquée au système fluide frigorigène, on peut vérifier l’équation (1.1) :

?̇???? = ?̇???? + ?̇???? (Eq. 1.1)

Pour comparer les performances de plusieurs machines, il est alors nécessaire de se placer dans les mêmes conditions. Pour cela, les essais définis selon la norme NF EN 14511 (AFNOR, 2018a) permettent d’obtenir le COP de la pompe à chaleur dans plusieurs conditions de fonctionnement déterminées. Afin de mieux représenter les performances d’une pompe à chaleur au cours d’une saison, on détermine le COP saisonnier, ou SCOP (ou encore SPF pour Seasonal Performance Factor), qui est le rapport entre l’énergie thermique totale produite sur une saison et l’énergie totale consommée par la PAC. Il permet de prendre en compte les performances dans des conditions de charge partielle, c’est-à-dire lorsque le besoin de chaleur est inférieur à la puissance maximale de la PAC, et pour des conditions de température des sources variables sur la saison. Les conditions d’essais définies selon la norme NF EN 14825 (AFNOR, 2018b) et la méthode de calcul associée permettent d’obtenir le SCOP normatif d’une machine, ce qui permet de comparer deux modèles du marché. En revanche, cet indicateur calculé à partir de mesures en laboratoire n’est pas une estimation de ce que seront les performances réelles d’une PAC sur le terrain. Ainsi, les performances réelles d’une PAC dépendent de nombreux paramètres, dont certains sont impossibles à prédire, et sont susceptibles d’évoluer dans le temps. Pour avoir une évaluation précise de celles-ci, il est donc impératif de les mesurer in-situ, une fois la PAC installée. Ceci suppose donc une méthode de mesure des performances, embarquée dans la PAC et donc adaptée à toutes les technologies.

Les différentes technologies de pompes à chaleur

Les différentes sources et vecteurs 

Le type de pompe à chaleur est généralement défini en fonction des types de sources ou de vecteurs exploités. Une PAC est dite air/ eau lorsque sa source froide est l’air extérieur et le vecteur de transmission de la chaleur est l’eau, à travers un circuit de chauffage ou pour produire de l’eau chaude sanitaire par exemple. 90% des PAC air/eau vendues aujourd’hui en France et en Europe sont dites bibloc ou split, c’est-à-dire qu’elles comportent deux unités : une unité extérieure incluant l’évaporateur, le compresseur et le détendeur, et l’unité intérieure comportant le condenseur . Une PAC air/air récupère la chaleur de l’air extérieur pour la restituer à l’air intérieur, qui est alors à la fois la source chaude et le vecteur. Pour les PAC air/air, on parle de PAC monosplit lorsqu’il n’y a qu’une seule unité intérieure, et de PAC multi-split  lorsqu’il y a plusieurs unités intérieures, qui disposent chacune de leur condenseur. Dans l’unité extérieure, il y a généralement un détendeur par unité intérieure.

Les pompes à chaleur géothermiques, de type eau/eau ou eau glycolée/eau, exploitent la chaleur issue du sol ou des nappes phréatiques pour chauffer l’eau d’un plancher chauffant, d’un circuit de chauffage et éventuellement de l’eau chaude sanitaire. Les pompes à chaleur exploitant la chaleur du sol sont dites à capteurs enterrés. Ces capteurs connectés à l’évaporateur permettent la circulation d’une eau additionnée d’antigel. Ils peuvent être positionnés de manière horizontale  ou verticale.

Les types de compresseurs 

Le compresseur étant le principal composant moteur de la PAC, sa technologie et sa régulation sont des éléments essentiels dans l’étude des performances de ce système. Pour les pompes à chaleur résidentielles, deux technologies principales de compresseur sont utilisées. Il s’agit de compresseurs volumétriques hermétiques, c’est-à-dire que l’augmentation de pression est obtenue par réduction du volume, et que le moteur électrique et la chambre de compression sont enfermés dans une même enveloppe métallique. La technologie de compresseur n’est pas dépendante de la technologie de la PAC, aérothermique ou géothermique, mais principalement de la gamme de puissance qu’elle va délivrer. Pour les plus faibles puissances (inférieures à 10 kW), qui représentent la majorité du marché pour les pompes à chaleurs résidentielles, il s’agit de compresseurs de type rotary, ou compresseur à piston rotatif. Dans ce cas, le rotor est un cylindre désaxé. Lorsque celui-ci tourne, le volume de la chambre de compression disponible pour le fluide frigorigène diminue, augmentant ainsi sa pression . Pour un compresseur rotary classique, la palette qui sert à mettre en mouvement le rotor est dissociée de celui-ci. La technologie Swing Rotary (Masuda et al., 1996) dispose d’un rotor et d’une palette qui ne forment qu’une seule pièce, et la palette se balance pour mettre en mouvement le rotor. Cela permet d’éviter d’éventuels problèmes de lubrification entre la palette et le rotor, et d’empêcher les fuites entre les parties basse et haute pression. Il existe également la technologie Twin Rotary, avec deux chambres de compression à piston rotatif généralement en parallèle (Okoma et al., 1990).

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 : Mesure des performances in-situ des pompes à chaleur, validation et limites de la méthode du bilan d’énergie
1.1 Principe théorique du fonctionnement des pompes à chaleur
1.1.1 Principe thermodynamique et notion de performance
1.1.2 Les différentes technologies de pompes à chaleur
Les différentes sources et vecteurs
Les types de compresseurs
Les différents fluides frigorigènes
Les cycles à injection
1.2 Fonctionnement des pompes à chaleur
1.2.1 Régulation des pompes à chaleur
Régulation de la puissance calorifique
Rôle du détendeur
Innovations récentes de la régulation du détendeur liée au type de fluide
1.2.2. Fonctionnement en phases transitoires
Cycles de dégivrage
Cycles d’arrêts/démarrages
1.3 Mesure de performance in-situ : méthode initiale, validation, robustesse et limites
1.3.1 Contraintes et cahier des charges
1.3.2 Méthode du bilan d’énergie au compresseur
1.3.3 Validation expérimentale de la méthode de mesure de performances en compression classique
Objectifs et description du banc d’essais
Validation en régime stationnaire
Intégration des phases dynamiques
Robustesse de la méthode face aux défauts
1.3.4. Mesure embarquée des performances en conditions non standard
1.3.5. Limites de l’algorithme de mesure des performances saisonnières
1.4 Conclusions
Chapitre 2 : Suivis sur sites et fonctionnement des machines in-situ
2.1. Installation des suivis sur sites
2.1.1. Description des installations suivies
2.1.2. Instrumentation et système d’acquisition
2.1.3. Difficultés d’installation des équipements de mesure
2.2. Observations du fonctionnement in-situ des PAC
2.2.1. Méthodologie et indicateurs d’observation et d’analyse des suivis sur sites
2.2.2. Conditions de fonctionnement
2.2.3. Observations spécifiques aux multi-split
2.2.4. Modulation de la puissance
Observations pour la PAC mono-split à la MME
Observations pour la PAC quadri-split à la MCbc
Observations pour la PAC bi-split à Châtillon
Synthèse des observations de modulation de la puissance thermique
Remarques sur le dimensionnement des PAC air/air
2.2.5. Séquences de dégivrage
2.2.6. Observation de l’état du fluide à l’aspiration du compresseur
PAC bi-split fonctionnant au R32 (Châtillon)
PAC mono-split fonctionnant avec le fluide R410A (MME)
PAC quadri-split fonctionnant avec le fluide R410A (MCbc)
2.3. Application de la méthode du bilan d’énergie
2.4. Conclusions
Chapitre 3 : Mesure du débit en compression avec aspiration de fluide diphasique
3.1. Métrologie complémentaire en compression avec aspiration diphasique
3.1.1. Mesure du titre en vapeur à l’aspiration
3.1.2. Utilisation d’un débitmètre
3.2 Utilisation d’une corrélation de titre en vapeur
3.2.1. Principe de la méthode et évaluation de son impact
3.2.2. Identification d’une corrélation de titre en vapeur
3.3 Méthode du rendement volumétrique
3.3.1. Description de la méthode
3.3.2. Limites de la méthode et estimation de l’incertitude
Connaissance de la cylindrée
Incertitude sur la masse volumique
Incertitude sur le rendement volumétrique
3.3.3. Identification de corrélations de rendement volumétrique
3.4 Méthode du rendement global
3.4.1. Description de la méthode
3.4.2. Incertitude de la méthode du rendement global
3.4.3. Corrélations de rendement global
3.4.4. Résumé de la méthode du bilan global
3.5 Conclusions
Chapitre 4 : Etude expérimentale d’une PAC air/air au R32
4.1. Description du banc d’essais
4.1.1. Description de la PAC étudiée
4.1.2. Instrumentation et incertitudes de mesure
4.1.3. Calcul de la puissance calorifique et incertitude de mesure
4.1.4. Banc d’essai et conditions de fonctionnement
4.2 Analyse du fonctionnement de la PAC
4.2.1. Aspiration diphasique
4.2.2. Identification des phases transitoires et pseudo-stationnaires
4.3. Identification du titre en vapeur à l’aspiration et des rendements
4.3.1. Titre en vapeur
4.3.2. Rendement volumétrique
4.3.3. Rendement global
4.4 Application des méthodes complémentaires
4.4.1. Comparaison des rendements volumétriques
4.4.2. Comparaison des rendements globaux
4.4.3. Résultats sur l’évaluation des performances
En phases pseudo-stationnaires
Sur un essai avec une température extérieure variable
4.5. Conclusions
Chapitre 5 : Méthode globale de mesure des performances in-situ des PAC air/air
Conclusion

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