Thèse
Auteur :
Flach-Malaspina Nicolas

Date de soutenance :
01 octobre 2004

Directeur(s) de thèse :
Clodic Denis



École :

MINES ParisTech
Intitulé de la thèse : Conception globale d'une pompe à chaleur air/eau inversable à puissance variable pour le secteur résidentiel


Résumé : La variation de puissance pour les systèmes de chauffage par pompe à chaleur pour le secteur résidentiel constituent un des moyens d'amélioration des performances énergétiques saisonnières par rapport aux moyens de chauffage existants. La technologie bi compresseurs a été identifiée comme étant à la fois énergétiquement efficace, et disponible pour les ensembliers européens.
Les quatre résultats majeurs obtenus sont :
- La mis en évidence par une série d'essais à charge partielle, des pertes en cyclage en mode chauffage et rafraîchissement des systèmes air/eau mono compresseur existant. La consommation de veille de la PAC constitue le seul élément qui contribue efficacement aux pertes énergétiques à charge partielle.
- La quantification des gains énergétiques par l'adaptation de la technologie bi compresseurs sur une machine de référence, a été réalisée sur une PAC prototype qui a été développée au cours de ces travaux.
- Un modèle dynamique de calcul de COP saisonnier a été développé.
- L'optimisation d'une part du fonctionnement des compresseurs et d'autre part du dégivrage a permis un accroissement du COP saisonnier de 14,7% à 18,6% en fonction du climat extérieur
Pour cette étude, des travaux de conception, d'expérimentation puis de modélisation ont été réalisés. La conception d'une PAC équipée de deux compresseurs a nécessité le développement d'un nouveau moyen d'essai à charge partielle. Les nombreux essais exploratoires et normalisés ont permis de caractériser une PAC existante ainsi, qu'une PAC bi compresseurs quelque soit le mode de fonctionnement et le climat extérieur.
Le modèle dynamique développé, a permis l'optimisation énergétique du système grâce à une meilleure gestion du dégivrage, et à une régulation adéquate des compresseurs. Des voies d'amélioration concernant le dimensionnement des compresseurs ainsi que la gestion des débits au niveau des échangeurs sont possibles afin d'augmenter encore les COP saisonniers.Nomenclature - 1
Index des figures et schémas - 5
Index des tableaux - 9
Introduction générale - 11
Chapitre 1. La variation de puissance pour l'amélioration des systèmes de chauffage par pompe à chaleur - 13
1.1. Introduction - 17
1.2. Le fonctionnement global d'un système thermodynamique - 19
1.3. Etude de deux technologies de variation de puissance - 23
1.4. Essai de caractérisation de trois technologies de variation de puissance - 29
1.5. conclusions - 47
Chapitre 2. Essais à pleine charge et à charge partielle sur la PAC de référence - 49
2.1. Objectifs - 53
2.2. Banc d'essais - 54
2.3. Résultats d'essais à pleine charge - 61
2.4. Résultats d'essais en à charge partielle - 66
2.5. Conclusions - 84
Chapitre 3. Etude d'une PAC air/eau à puissance variable - 85
3.1. Objectifs - 89
3.2. Conception d'une PAC air/eau bi compresseurs - 90
3.3. Essai de la PAC en mode chauffage - 99
3.4. Comparaison à la PAC de référence - 111
3.5. Conclusions - 119
Chapitre 4. Modélisation et simulation saisonnière d'une PAC air/eau bi compresseurs - 121
4.1. Objectifs - 125
4.2. Description du système - 126
4.3. Modélisation du bâtiment - 127
4.4. Modélisation du plancher chauffant - 134
4.5. Modélisation de la PAC - 158
4.6. Couplage des différents éléments du système - 158
4.7. Simulations sur trois zones climatiques de trois technologies de variance de puissance - 160
4.8. Conclusions - 174
Conclusions générales et perspectives - 175
Bibliographie - 179
Annexes - 185
Annexe 1: Performances d'un compresseur à vitesse variable - 189
Annexe 2: Rendement des compresseurs - 193
Annexe 3: Les paramètres du module plancher (2D final) - 199
Annexe 4: Schéma du banc d'essai pour la calorimétrie des compresseurs - 201
Annexe 5: Quelques éléments sur les fluides frigorigènes - 203
Annexe 6: Performances en régime stationnaire en mode rafraîchissement de la PAC de référence (RIV04) - 207
Annexe 7: Schéma électrique de la PAC de référence - 211
Annexe 8: Résultats d'essais de la PAC bi compresseurs - 213
Annexe 9: Algorithmes détaillés et résolution des équations des modèles dynamiques sous Matlab - 223

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