Méthodes in situ pour la mesure des performances d’une PAC air/air

Cycle thermodynamique

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.).
Nous nous intéressons ici aux PAC avec l’air extérieur comme source externe et l’air intérieur comme source externe – aussi appelées PAC air/air.
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 de givrage-dégivrage

Le phénomène de givrage

Pour une PAC opérant en mode chauffage, si l’air extérieur est assez froid et humide, il se forme un dépôt de givre sur l’évaporateur de la vapeur d’eau contenue dans l’air. Ce givrage dégrade les performances de l’échange thermique sur cet échangeur et donc perturbe le fonctionnement de la PAC. Par conséquent, le coefficient de performance ainsi que la puissance calorifique de la PAC sont dégradés. Il est alors nécessaire de dégivrer l’évaporateur.
Les impacts de ce phénomène de givrage sont d’autant plus pénalisants du fait des tubes ailetés de l’évaporateur. En raison de la compacité souhaitée, les ailettes sont très rapprochées de telle sorte que leur espacement est en général inférieur à 2 mm. Ces très petits pas d’ailettes provoquent facilement la condensation ou le givrage de la vapeur d’eau sur la batterie (sous certaines conditions climatiques ). Lorsque le givre se dépose sur la batterie, les performances se dégradent rapidement à cause des deux raisons suivantes :
Dans un espace très serré entre des ailettes, une couche de givre, même très fine, diminue la circulation de l’air et fait donc chuter le débit d’air traversant la batterie.
La couche de glace fait diminuer la surface d’échange thermique entre les ailettes et l’air.

Méthodes de dégivrage

Pour dégivrer, il y a plusieurs méthodes : Ventilation de l’air extérieur : Le système est arrêté sauf le ventilateur de l’unité extérieure. Le mouvement d’air suffit à détacher le givre lorsque les conditions extérieures le permettent (la température de l’air est supérieure à 0°C). Résistance électrique noyée dans les ailettes de l’échangeur extérieur
Ouverture du détendeur électronique : Le système est arrêté et le détendeur s’ouvre. Cela oblige à avoir une grande quantité de fluide. Cette méthode est donc utilisée seulement pour les PAC ayant une bouteille anti-coup de liquide.
Injection de vapeur : un bypass du condenseur permet d’injecter directement de la vapeur sortie du compresseur dans l’évaporateur. Celle-ci à température élevée fait s’élever la température dans l’évaporateur et le givre extérieur fond.
Inversion du cycle : Pour une PAC réversible, l’inversion du cycle en mode de refroidissement peut servir à dégivrer.

Différentes configurations de PAC air/air

A l’exception des PAC mono bloc, les PAC sont constituées au minimum d’une unité externe et d’une unité interne reliées par des canalisations de fluide frigorigène et par des câbles électriques. L’unité interne peut revêtir plusieurs formes : murale, console, cassette, plafonnier.
Bi bloc ou Split ou mono-split :La PAC bi bloc comporte une unité externe et une unité interne qui sont reliées par deux canalisations de fluide frigorigène. Dans la plupart des cas, l’unité interne se compose d’un échangeur et d’un ventilateur interne. L’unité externe est constituée : d’un échangeur externe, du détenteur, du compresseur et du ventilateur externe.
Multi-split :La PAC multi-split est composée d’une seule unité extérieure et de plusieurs unités intérieures (de 2 à 9 unités).
Chaque unité interne est directement alimentée par le fluide frigorigène provenant de l’unité externe via deux canalisations de fluide frigorigène. La gestion de la quantité de fluide frigorigène traversant chaque unité interne est faite depuis l’unité externe via une boîte de répartition de fluide. Selon le nombre d’unités internes, la boîte de répartition peut être installée dans l’unité externe ou non. En pratique, chaque pièce de l’habitation est équipée d’une unité intérieure. Ces unités peuvent être de tout type et il est possible d’avoir des unités de type différent dans chaque pièce.
Il existe également des PAC multi-split dont toutes les unités internes fonctionnent selon les mêmes paramètres de réglage. Les paramètres de toutes les unités internes sont définis à partir d’une unité principale. Ce type de PAC est appelé Twin, Triple ou Quadri selon le nombre d’unités internes du système.

Principe de la « méthode externe in situ »

Débit volume de l’air

Le débit volume de l’air est déterminé à partir des mesures de vitesse de l’air via un ensemble d’anémomètres à fil chaud. Ces derniers peuvent être installés soit à l’aspiration (en entrée) soit au refoulement (en sortie) de l’unité intérieure (le condenseur) et la distribution des sondes dépend du profil du champ de vitesse. Ce dernier peut être obtenu en déplaçant les sondes sur toute la surface de passage de l’air. Il est donc recommandé de réaliser des mesures «préparatoires» pour bien identifier le champ de vitesse. Ce dernier est généralement décomposé en plusieurs zones avec différents niveaux de vitesse. Les anémomètres sont installés de telle sorte que la vitesse moyenne locale de chaque zone soit mesurée. La vitesse moyenne globale, c’est à dire de toute la surface de passage, est obtenue en moyennant (avec des coefficients de pondération différents si nécessaire) les vitesses moyennes locales. Enfin, le débit volume est déduit en multipliant la vitesse moyenne globale par la surface de passage.
Dans notre cas, l’unité intérieure de la PAC testée est de type mural . L’air est aspiré en partie supérieure puis soufflé vers le bas. La direction de l’air soufflé est définie par un volet pivotant dont le niveau d’ouverture peut être sélectionné par l’utilisateur. Nous mesurons le champ de vitesse à l’aspiration, car elle est considérée moins perturbée. Le choix du nombre de sondes (4 dans notre cas) et de leur positionnement sur la section de passage est un résultat des mesures «préparatoires». Ces dernières seront présentées dans la partie Résultats expérimentaux .

Variation des enthalpies

Les températures de l’air sec sont mesurées en entrée et en sortie de l’unité intérieure, via des capteurs de température . Il est recommandé de mesurer la température en chaque point de mesure de vitesse. Cela permet de bien déterminer l’enthalpie totale par intégration. Dans notre cas, nous utilisons des capteurs qui permettent de mesurer à la fois la vitesse et la température sèche . De l’autre côté (en entrée ou en sortie selon le cas), il vaut mieux distribuer uniformément les capteurs de température pour obtenir la bonne température moyenne .
L’humidité de l’air est obtenue via la mesure de la température de rosée ou de l’humidité relative. Il suffit de mesurer soit en entrée, soit en sortie de l’unité intérieure car l’humidité absolue est conservée à travers le condenseur. Enfin, la pression atmosphérique est mesurée, via le capteur de pression P1 , pour corriger les enthalpies.

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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 
CHAPITRE 5 METHODES IN SITU POUR LA MESURE DES PERFORMANCES D’UNE PAC AIR/AIR
5.1 Principe de la « méthode interne in situ » 
5.1.1 Variation des enthalpies au condenseur
5.1.2 Débit du fluide frigorigène
5.2 Principe de la « méthode externe in situ » 
5.2.1 Débit volume de l’air
5.2.2 Variation des enthalpies
5.3 Validation expérimentale 
5.3.1 Mesures « étalon »
5.3.2 Résultats expérimentaux
5.4 Conclusion 
CONCLUSIONS – PERSPECTIVES

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