Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

ED n° 432 : « Sciences des Métiers de l’Ingénieur » N° attribué par la biblioth

ED n° 432 : « Sciences des Métiers de l’Ingénieur » N° attribué par la bibliothèque |__|__|__|__|__|__|__|__|__|__| T H E S E pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’ECOLE NATIONALE SUPERIEURE DES MINES DE PARIS Spécialité “Energétique” présentée et soutenue publiquement par Elias KINAB le 9 décembre 2009 OPTIMISATION DES PERFORMANCES NON NOMINALES DES POMPES A CHALEUR REVERSIBLES POUR LE SECTEUR TERTIAIRE PART LOAD OPTIMIZATION OF COMMERCIAL REVERSIBLE HEAT PUMPS Directeur de thèse : Dominique MARCHIO Maître de thèse : Philippe RIVIERE Jury Denis CLODIC, Mines ParisTech ................................................... Président Philippe HABERSCHILL, INSA de Lyon .................................. Rapporteur Alain TROMBE, Université de Toulouse III ............................... Rapporteur Eric AUZENET, CIAT .............................................................. Examinateur Dominique MARCHIO, Mines ParisTech ................................. Examinateur Philippe RIVIERE, Mines ParisTech ......................................... Examinateur pastel-00566590, version 1 - 16 Feb 2011 pastel-00566590, version 1 - 16 Feb 2011 Avant‐propos Tout d'abord, je désire vivement remercier Monsieur Dominique MARCHIO, mon directeur de thèse, professeur à l’Ecole des Mines de Paris, de m'avoir accueilli dans son équipe et procuré tous les moyens nécessaires au bon déroulement de mon travail. Je le remercie sincèrement de l'attention particulière qu'il a portée à mon travail et de la confiance qu'il m'a accordée dès le début de cette thèse ainsi que ses conseils, son soutien, son suivi et sa compréhension. Mes remerciements s’adressent à Monsieur Philippe RIVIERE, mon maître de thèse, responsable de projets au Centre Energétique et Procédés pour son suivi, ses remarques et ses réflexions pertinentes qui m’ont accompagné tout au long de ce projet. Je remercie Monsieur Denis CLODIC, Directeur de l’établissement de Paris du Centre Energétique et Procédés, pour m’avoir accueilli dans le CEP, ainsi que pour l’honneur qu’il m’a accordé en acceptant de présider le jury. Je suis très sensible à l'honneur que m’ont fait Monsieur Alain TROMBE, professeur à l’INSA de Toulouse et Monsieur Philippe Haberschill, professeur à l'INSA de Lyon, de rapporter et juger mon travail. Je remercie Monsieur Eric AUZENET, ingénieur de recherche et développement au centre de Recherche et Innovation de CIAT, membre du jury, pour son soutien au cours des expérimentations et notre collaboration agréable. Ma reconnaissance s’adresse aussi aux partenaires des projets de recherche que j’ai menés durant ces trois années : Johan RANSQUIN, Sandrine AMBLARD, Emmanuel PLISSON, Jean de BERNARDI, Philippe DEWITTE, et Stéphane COLASSON. Je voudrais ainsi faire part de mes remerciements et amitiés aux membres du CEP, en particulier mes collègues de bureau Bruno, Marcello, et tous les membres du centre énergétique avec qui j’ai eu le plaisir d’échanger avec eux particulièrement Assaad ZOUGHAIB et Pascal STABAT. Je tiens à remercier le personnel du CEP pour leur collaboration au niveau administratif, logistique, et informatique. Je n’oublie pas mes amis à Paris et au Liban qui m’ont toujours soutenu et encouragé dans les différentes périodes de la thèse. Aussi je remercie ma sœur et mon frère, pour leur soutien moral, leurs émotions, et leur accompagnement au cours de ce chemin d’études. Enfin, j’adresse ma gratitude à mes parents, Hanna et Bernadette, pour leur dévouement, leurs encouragements et leur confiance en moi. Je souhaite leur offrir ce travail complétant un long parcours d’études commencé à Beyrouth. pastel-00566590, version 1 - 16 Feb 2011 pastel-00566590, version 1 - 16 Feb 2011 Sommaire Sommaire .................................................................................................................. 5 Nomenclature ............................................................................................................ 9 1 Introduction : Contexte, enjeux, et objectifs ............................................. 11 1.1 Introduction générale ............................................................................................... 13 1.2 Contexte .................................................................................................................... 14 1.2.1 Le confort thermique : un défi environnemental économique et énergétique ...... 14 1.2.2 Place des pompes à chaleur sur le marché de la climatisation ............................. 17 1.3 Enjeux ....................................................................................................................... 23 1.4 Objectifs ................................................................................................................... 23 2 Modélisation thermodynamique détaillée d’une PAC intégrant des composants améliorant les performances hors régime nominal ....................... 25 2.1 Introduction .............................................................................................................. 27 2.2 Caractéristiques du cyle ........................................................................................... 27 2.2.1 Cycle idéal théorique ............................................................................................ 27 2.2.2 Cycle réel de compression d’une pompe à chaleur .............................................. 28 2.2.3 Synthèse des modèles existants dans la littérature ............................................... 29 2.2.4 Structure globale du modèle de PAC ................................................................... 31 2.3 Modélisation du compresseur .................................................................................. 31 2.3.1 Modélisation ......................................................................................................... 31 2.3.2 Données constructeur ........................................................................................... 33 2.3.3 Compressions multiples ....................................................................................... 33 2.3.4 Compression à vitesse variable ............................................................................ 34 2.3.5 Comparaison entre modèle de compresseur et valeurs expérimentales ............... 36 2.4 Modélisation du détendeur ....................................................................................... 37 2.4.1 Bilan mécanique du détendeur et asservissement de la surchauffe ...................... 37 2.4.2 Modélisation envisagée ........................................................................................ 40 2.5 Modélisation des échangeurs ................................................................................... 43 2.5.1 Typologie ............................................................................................................. 43 2.5.2 Echangeur à plaques ............................................................................................. 45 2.5.3 Comparaison entre le modèle d’échangeur à plaques et les valeurs expérimentales 48 2.5.4 Echangeur à air et à tubes ailetés ......................................................................... 50 2.5.5 Comparaison entre le modèle d’échangeur à air et les valeurs expérimentales ... 53 2.5.6 Echangeur à air à mini-canaux ............................................................................. 54 2.5.7 Evaluation des pertes de pression ......................................................................... 55 pastel-00566590, version 1 - 16 Feb 2011 3 Modélisation thermodynamique globale de la PAC et validation ............ 59 3.1 Introduction .............................................................................................................. 61 3.2 Modélisation globale : Modèle thermodynamique de la PAC ................................. 61 3.3 Modélisation des phénomènes instationnaires ......................................................... 62 3.3.1 Charge partielle et cyclage ................................................................................... 62 3.3.2 Givrage dégivrage ................................................................................................ 65 3.4 Auxiliaires ................................................................................................................ 69 3.4.1 Réchauffeurs de carter .......................................................................................... 69 3.4.2 Ventilateur ............................................................................................................ 70 3.5 Définition du prototype ............................................................................................ 72 3.5.1 Etapes de conception du prototype ....................................................................... 72 3.5.2 Description du prototype ...................................................................................... 76 3.5.3 Instrumentation ..................................................................................................... 77 3.5.4 Chargement de la machine en R410A .................................................................. 78 3.5.5 Premiers essais de mise en service ....................................................................... 78 3.6 Validation du modèle par les essais en laboratoire ................................................. 79 3.6.1 Essais servant à la validation du modèle .............................................................. 79 3.6.2 Résultats des essais ............................................................................................... 80 3.7 Validation du modèle par expérimentation in situ ................................................... 83 3.7.1 Description conditions climatiques ...................................................................... 84 3.7.2 Bâtiment retenu .................................................................................................... 84 3.7.3 Campagne d’essais hiver ...................................................................................... 85 3.7.4 Campagne d’essais été ......................................................................................... 88 3.7.5 Carte de performances en mode chaud de la PAC étudiée .................................. 90 3.7.6 Interprétation et discussion des résultats de mesure ............................................. 92 3.7.7 Validation du modèle global en mode chaud ....................................................... 92 3.7.8 Validation du modèle global en mode froid ......................................................... 93 3.8 Conclusion ................................................................................................................ 93 4 Simulation des performances saisonnières d’une pompe à chaleur couplée à un bâtiment ............................................................................................ 95 4.1 Introduction .............................................................................................................. 97 4.2 Typologie des bâtiments climatisés par des pompes à chaleur ................................ 98 4.3 Modélisation dynamique du bâtiment de référence ............................................... 100 4.3.1 Modèlisation du bâtiment ................................................................................... 100 4.3.2 Description du bâtiment servant de référence .................................................... 100 4.3.3 Dimensionnement des systèmes thermiques ...................................................... 103 4.3.4 Réduction des courbes de charges ...................................................................... 104 4.4 Simulations de différents scénarios thermiques en vue d’une optimisation saisonnière ......................................................................................................................... 104 4.4.1 Description de la demande thermique des différents climats français ............... 105 4.4.2 Signature énergétique du bâtiment de référence ................................................ 106 4.4.3 Synthèse des résultats obtenus pour les différents climats étudiés .................... 109 4.5 Calcul des performances saisonnières SCOP et SEER .......................................... 112 pastel-00566590, version 1 - 16 Feb 2011 4.6 Sensibilité au niveau de réduction de la courbe de charge .................................... 116 5 Optimisation des performances saisonnières ........................................ 117 5.1 Introduction ............................................................................................................ 119 5.2 Optimum de point de vue local ............................................................................... 119 5.2.1 Courbe de charge ................................................................................................ 119 5.2.2 Machine de référence ......................................................................................... 119 5.2.3 Etagement de puissance ..................................................................................... 122 5.2.4 Conception du compresseur orientée mode chaud ou mode froid ..................... 124 5.2.5 Echangeurs surdimensionnés ............................................................................. 127 5.2.6 Ventilateur à vitesse variable ............................................................................. 128 5.3 Optimum du point de vue de l’industriel ................................................................ 130 5.3.1 Intégration de composants innovants à fort enjeu concurrentiel ........................ 130 5.3.2 Résistance de carter innovante ........................................................................... 137 5.4 Etude technico-économique ................................................................................... 138 5.4.1 Comparaison énergétique de la PAC de référence et de la PAC prototype ....... 138 5.4.2 Gain économique d’exploitation de la PAC de référence par rapport à la PAC prototype ......................................................................................................................... 140 5.4.3 Comparaison énergétique de la PAC de référence et la PAC de référence améliorée ........................................................................................................................ 140 5.4.4 Gain économique d’exploitation de la PAC de référence améliorée par rapport à la PAC de référence ........................................................................................................ 142 5.4.5 Rentabilité économique des améliorations ......................................................... 143 5.5 Perspective : une nouvelle PAC regroupant les meilleures options d’amélioration 145 6 Conclusion - Perspectives ........................................................................ 149 Annexes ................................................................................................................. 151 Annexe 1 : Propriétés du R410A ......................................................................... 153 Annexe 2 : Instrumentation pour le suivi sur site .............................................. 155 Annexe 3 : Zones Climatiques [RT2005] ............................................................. 157 Annexe 4 : Méthode de réduction des courbes de charge ............................... 159 Annexe 5 : Signature énergétique du bâtiment de référence dans les différentes régions ................................................................................................................... 163 Annexe 6 : Article ................................................................................................. 165 REFERENCES ....................................................................................................... 189 pastel-00566590, version 1 - 16 Feb 2011 pastel-00566590, version 1 - 16 Feb 2011 Nomenclature Symbole A Surface [m2] cp Chaleur massique [kJ.kg-1.K-1] D Diamètre [m] g Accélération de la pesanteur [m.s-2] G Débit massique spécifique [kg.m-2.s-1] Ge Paramètre géométrique adimensionnel - h Enthalpie massique [kJ.kg-1] h Coefficient de transfert thermique convectif [W.m-2.K-1] hlv Chaleur latente [kJ.kg-1] j Facteur j de Colburn - k Conductivité thermique [W.m-1.K-1] M Masse molaire [kg.kmol-1] Débit massique [kg.s-1] p Pression [Pa] Perte de pression [Pa] q Densité de flux [W.m-2] Q Puissance thermique [W] s Entropie massique [kJ.kg-1.K-1] s Pas d’ailette [m] SL uploads/Geographie/ these-2009.pdf