Mesure des performances in-situ des pompes à chaleur, validation et limites de la méthode du bilan d’énergie

 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.

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).

Les différents fluides frigorigènes 

Selon les températures de fonctionnement, la gamme de puissance et le type de pompe à chaleur (air/air, air/eau ou géothermique), différents fluides frigorigènes sont utilisés. Leurs caractéristiques thermodynamiques et techniques sont primordiales pour le choix du fluide, cependant, ce ne sont pas les seules à considérer aujourd’hui. Les fluides frigorigènes sont le plus souvent des composés chimiques synthétisés et ont un impact environnemental non négligeable en cas de fuite dans l’atmosphère. De plus, certains peuvent être toxiques ou inflammables. Ils sont classés par famille chimique, et ont des impacts différents sur l’environnement. Les premiers fluides utilisés étaient des chlorofluorocarbures (CFC), comme par exemple le R12, mais ceux-ci ont un effet néfaste sur la couche d’ozone. Ils ont alors été interdits par le protocole de Montréal en 1989 et ont été remplacés par les hydro chlorofluorocarbures (HCFC), notamment le R22, ayant un impact sur la couche d’ozone plus faible mais non nul. Ceux-ci ont également été interdits plus récemment (le R22 n’est plus commercialisé depuis 2015 en Europe), et les fluides qui les ont remplacés sont les hydrofluorocarbures (HFC). Les principaux fluides utilisés aujourd’hui dans les PAC résidentielles sont le R407C et le R410A pour les PACs air/eau, et le R410A pour les PACs air/air. Ils n’ont aucun impact sur la couche d’ozone, mais sont des gaz à effet de serre ayant des pouvoirs de réchauffement global (PRG ou GWP pour Global Warming Potential) importants, de l’ordre de 2000. Le règlement européen 517/2014 (UE, 2014) vise à réduire puis à progressivement interdire l’utilisation des fluides frigorigènes à fort potentiel de réchauffement global (GWP). L’objectif est de réduire de deux tiers les émissions de gaz à effet de serre fluorés en 2030. En 2025, l’utilisation des fluides ayant un GWP supérieur à 750 sera interdite pour les systèmes de conditionnement d’air, dont les PAC, de moins de 12 kW (dont la charge en fluide est inférieure à 3kg équivalent CO2). Cela entrainera le remplacement des HFC par des fluides naturels, des hydrocarbures ou des fluides hydrofluoroléfines (HFO), qui ont des GWP de 1 à 6. Cependant, l’utilisation des hydrocarbures et des fluides HFO ne peut être immédiate, ces fluides nécessitant beaucoup d’adaptations techniques et posant notamment des problèmes d’inflammabilité et/ou de toxicité. Des solutions transitoires sont ainsi déjà utilisées ou envisagées, sous forme de fluide HFC au GWP moindre que ceux historiquement employés ou de mélanges de HFC et de HFO.

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Table des matières

Nomenclature
Table des figures
Liste des tableaux
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
Conclusion

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