Principes de fonctionnement de pompes à chaleur air/eau double service

Principes de fonctionnement de pompes à chaleur air/eau double service 

Description du système 

La pompe à chaleur est une machine thermodynamique, permettant de transférer l’énergie d’une source froide extérieure vers un puits chaud, lieu de consommation de cette énergie. Ce transfert d’énergie est effectué grâce à un cycle thermodynamique fermé effectué par un fluide, dit fluide frigorigène. Selon la source de chaleur extérieure, on parle de pompes à chaleur géothermiques (sol ou eau comme source) ou de pompes à chaleur aérothermiques (air comme source).

Principes de fonctionnement
Indépendamment de la source d’énergie, le principe de fonctionnement pour toutes les PAC est le même : il s’agit d’un système formé principalement d’un évaporateur, un compresseur, un condenseur et un détendeur. Comme évoqué en introduction de cette section, ces éléments font partie d’un circuit fermé dans lequel circule un fluide frigorigène. Le fluide frigorigène change d’état à des températures proches de notre environnement quand on modifie sa pression. Les caractéristiques thermodynamiques (pression, température, enthalpie) d’un fluide ainsi que ses différents états (liquide ou vapeur) peuvent être représentés graphiquement sur son diagramme pression-enthalpie (cf. Figure I-3). L’utilisation de ce diagramme permet de représenter d’une manière simple l’évolution du fluide frigorigène au cours de chaque transformation.

Spécificités des pompes à chaleur air/eau

Variabilité de la température de la source froide 

La particularité des PAC aérothermiques réside dans la grande variation que peut subir la température de la source froide (air extérieur). Ce point est d’autant plus important que la puissance thermique fournie diminue avec la baisse de la température d’évaporation, cf. Figure I-6. En effet, lorsque la température d’évaporation diminue, le détendeur doit réduire le débit de fluide frigorigène pour maintenir la surchauffe à l’évaporateur, entraînant une baisse des puissances échangées au cours du cycle. En deçà d’une certaine valeur de température d’évaporation, la PAC ne peut plus fonctionner. La température d’air extérieur correspondant à cette température d’évaporation minimale est appelée température d’arrêt et se situe entre -20 et -15 °C selon les modèles de PAC air/eau présents sur le marché français.

Givrage de l’évaporateur 

Dans le cas de la PAC air/eau (des PAC aérothermiques de manière générale), les puissances et les performances peuvent également être impactées par le phénomène de givrage à l’évaporateur. En effet, l’air extérieur constituant la source froide de la PAC contient de la vapeur d’eau, qui se condense sur les parois de l’évaporateur. Lorsque les parois de l’évaporateur sont à température négative, il se forme une couche de givre, s’épaississant progressivement tant que l’évaporateur reste à faible température. Il convient alors de stopper le fonctionnement normal de la PAC pour dégivrer l’évaporateur. Deux méthodes sont principalement utilisées (5):

– Le dégivrage par gaz chauds : le condenseur et le détendeur sont court-circuités, le fluide frigorigène vapeur haute pression et haute température sortant du compresseur est envoyé via une vanne 3 voies directement vers l’entrée de l’évaporateur. Ce système de dégivrage est très simple mais seule l’énergie du compresseur est utilisée, rendant l’opération (et donc l’arrêt de la fonction chauffage) longue. Cette technique a donc tendance à disparaître au profit de la méthode ci-dessous.
– Le dégivrage par inversion de cycle : il s’agit d’inverser la fonction des échangeurs, le condenseur devient évaporateur et l’évaporateur devient condenseur. Cette inversion est réalisée au moyen d’une vanne 4 voies positionnée en aval du compresseur. Cette méthode nécessite également 2 détendeurs.

Pompe à chaleur air/eau double service

Dans le cas des pompes à chaleur air/eau double service, l’énergie prélevée dans l’air extérieur est transférée soit dans un circuit d’eau chaude de l’installation de chauffage, soit dans un ballon de stockage d’eau chaude sanitaire. Le système cible de cette étude peut donc être divisé en trois sous-systèmes (voir Figure I-7) : la partie de production, le réseau de chauffage et le ballon de stockage d’ECS. Une vanne trois voies (V3V) relie la partie de production d’eau chaude aux deux autres systèmes. La particularité d’une pompe à chaleur double service est la production non-simultanée de chauffage et d’ECS.

Unité de production d’eau chaude 

L’unité de production d’eau chaude est composée de :
– les composants du cycle thermodynamique : le compresseur, le condenseur, le détendeur et l’évaporateur ;
– les ventilateurs de l’évaporateur ;
– le module hydraulique avec la pompe à eau, un ballon de découplage et une résistance électrique qui fonctionne en appoint du chauffage ;
– le contrôleur chargé de piloter tout le système.

Par rapport à l’architecture de la distribution des composants, différentes configurations existent sur le marché, voir Figure I-8 :
– monobloc (10% du marché en 2015 (3)), qui intègre tous les composants dans la même unité, intérieure ou extérieure ;
– bi-bloc (90% du marché en 2015), divisée en deux unités reliées par des canalisations de fluide frigorigène :
o L’unité extérieure avec les ventilateurs, le compresseur, le détendeur et l’évaporateur.
o L’unité intérieure avec le condenseur, le module hydraulique et le contrôleur.

Réseau de chauffage 

Le réseau de chauffage distribue la chaleur dans les pièces du logement. Il est composé principalement des tuyaux de distribution, des vannes pour l’équilibrage du débit et des émetteurs de chaleur.

La puissance émise par un émetteur de chaleur est décrite selon (6) par l’équation (I 5) :

𝑄̇ = ℎ. 𝑆[𝑇é𝑚𝑒𝑡𝑡𝑒𝑢𝑟 − 𝑇𝑎𝑖𝑟]n .

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Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE I : INSTALLATION ET MISE EN SERVICE DE POMPES À CHALEUR AIR/EAU DOUBLE SERVICE
I – 1. LA POMPE À CHALEUR AIR/EAU DOUBLE SERVICE COMME SOLUTION AUX ENJEUX ÉNERGÉTIQUES DU BÂTIMENT RÉSIDENTIEL EN RÉNOVATION
I – 2. PRINCIPES DE FONCTIONNEMENT DE POMPES À CHALEUR AIR/EAU DOUBLE SERVICE
I – 2. 1. Description du système
I – 2. 1. 1. Principes de fonctionnement
I – 2. 1. 2. Énergies échangées et performances d’une pompe à chaleur
I – 2. 1. 3. Spécificités des pompes à chaleur air/eau
I – 2. 2. Pompe à chaleur air/eau double service
I – 2. 2. 1. Unité de production d’eau chaude
I – 2. 2. 2. Réseau de chauffage
I – 2. 2. 3. Ballon d’eau chaude sanitaire
I – 2. 3. Fonctions de la pompe à chaleur et leur régulation
I – 2. 3. 1. Chauffage
I – 2. 3. 2. Eau chaude sanitaire
I – 3. INSTALLATION DE POMPES À CHALEUR AIR/EAU DOUBLE SERVICE
I – 3. 1. Analyse du besoin thermique
I – 3. 1. 1. Étude thermique du bâtiment. Adaptation de la puissance de la PAC
I – 3. 1. 2. Analyse du réseau hydraulique. Adaptation du débit à la PAC
I – 3. 1. 3. Analyse du comportement des occupants. Adaptation de la PAC et du stockage d’ECS
I – 3. 2. Dimensionnement du système
I – 3. 2. 1. Dimensionnement de la PAC
I – 3. 2. 2. Dimensionnement du ballon d’eau chaude sanitaire
I – 3. 3. Équilibrage du réseau hydraulique
I – 4. PARAMÉTRAGE DE POMPES À CHALEUR DOUBLE SERVICE
I – 4. 1. Loi d’eau
I – 4. 2. Gestion de différents modes de chauffage
I – 4. 3. Stratégies de production d’ECS
I – 4. 4. Gestion des appoints électriques
I – 4. 5. Gestion du dégivrage
I – 4. 6. Pratiques courantes
I – 5. OBJECTIFS ET PÉRIMÈTRE DE LA THÈSE
CHAPITRE II : ÉTUDE DE L’IMPACT DE LA RÉGULATION DE LA PAC. IDENTIFICATION DES FONCTIONS D’AUTO-PARAMÉTRAGE ET CAHIER DE CHARGES DE L’AUTO-PARAMÉTREUR
II – 1. OUTILS D’ÉTUDE
II – 1. 1. Outils de modélisation
II – 1. 1. 1. Contraintes
II – 1. 1. 2. Modèles utilisés
II – 1. 2. Banc d’essais semi-virtuel
II – 1. 2. 1. Description du banc
II – 1. 2. 2. Mesures
II – 2. ANALYSE DES SÉQUENCES DE FONCTIONNEMENT DYNAMIQUE
II – 2. 1. Puissance électrique et température d’eau de la PAC
II – 2. 2. Comportement en mode eau chaude sanitaire
II – 2. 3. Comportement en mode chauffage
II – 2. 4. Exemple de l’impact d’un paramétrage par défaut pendant une journée d’hiver
II – 3. IMPACT DU MAUVAIS PARAMÉTRAGE SUR LA CONSOMMATION ÉLECTRIQUE ET LE CONFORT ANNUELS
II – 3. 1. Description de l’étude paramétrique
II – 3. 2. Analyse du confort
II – 3. 2. 1. Définition de la mesure du confort dans cette étude
II – 3. 2. 2. Chauffage : confort des occupants
II – 3. 2. 3. ECS : disponibilité
II – 3. 3. Analyse de la consommation électrique
II – 3. 3. 1. Analyse par composant
II – 3. 3. 2. Seasonal Performance Factor – SPF
II – 4. CAHIER DES CHARGES FONCTIONNEL DE L’AUTO-PARAMÉTREUR
II – 4. 1. Fonctions d’auto-paramétrage
II – 4. 1. 1. Loi d’eau
II – 4. 1. 2. Relance de chauffage
II – 4. 1. 3. Gestion de la production d’ECS et de chauffage
II – 4. 2. Contraintes de l’application
CHAPITRE III : OUTILS POUR L’AUTO-PARAMÉTRAGE DE LA POMPE À CHALEUR
III – 1. INTRODUCTION
III – 2. ÉTAT DE L’ART SUR LES SYSTÈMES DE RÉGULATION AVANCÉE
III – 2. 1. Chauffage
III – 2. 2. Eau chaude sanitaire
III – 2. 3. Choix de développement
III – 3. OUTILS POUR L’AUTO-PARAMÉTRAGE
III – 3. 1. Adaptation de la loi d’eau
III – 3. 1. 1. Implémentation de l’algorithme en simulation
III – 3. 1. 2. Implémentation de l’algorithme sur une pompe à chaleur commerciale
III – 3. 2. Gestion de chauffage et ECS : utilisation de la commande prédictive
III – 3. 2. 1. Types de modélisation
III – 3. 2. 2. Résumé des choix de développement
III – 3. 2. 3. Modèles neuronaux développés
III – 4. CONCLUSIONS
CHAPITRE IV : CONSTRUCTION ET PERFORMANCES DES MODÈLES DE PRÉVISION
IV – 1. CONSTRUCTION ET PERFORMANCES DES MODÈLES DE PRÉVISION À PARTIR DES DONNÉES ISSUES DE SIMULATIONS
IV – 1. 1. Construction des modèles
IV – 1. 1. 1. Données d’apprentissage
IV – 1. 1. 2. Traitement des données
IV – 1. 1. 3. Architecture détaillée des réseaux de neurones
IV – 1. 2. Performances des modèles de prévision en boucle ouverte
IV – 1. 2. 1. Mode chauffage
IV – 1. 2. 2. Mode eau chaude sanitaire
IV – 1. 3. Performances des modèles de prévision en boucle fermée
IV – 1. 3. 1. Mode chauffage
IV – 1. 3. 2. Mode eau chaude sanitaire
CONCLUSION GÉNÉRALE

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