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Etude exp´ erimentale et num´ erique d’une thermofrigopompe de petite ` a moyen

Etude exp´ erimentale et num´ erique d’une thermofrigopompe de petite ` a moyenne puissance ` a ´ equilibrage sur air Paul Byrne To cite this version: Paul Byrne. Etude exp´ erimentale et num´ erique d’une thermofrigopompe de petite ` a moyenne puissance ` a ´ equilibrage sur air. Thermics [physics.class-ph]. INSA de Rennes, 2009. French. <tel-00702941> HAL Id: tel-00702941 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00702941 Submitted on 11 Jun 2012 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entiﬁc research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destin´ ee au d´ epˆ ot et ` a la diﬀusion de documents scientiﬁques de niveau recherche, publi´ es ou non, ´ emanant des ´ etablissements d’enseignement et de recherche fran¸ cais ou ´ etrangers, des laboratoires publics ou priv´ es. Soutenance le 23.11.2009 devant le jury composé de : Jean Lebrun Professeur à l’Université de Liège / président Dominique Marchio Professeur à l’Ecole des Mines de Paris / rapporteur Philippe Haberschill Maître de Conférences HDR à l’INSA de Lyon / rapporteur Christophe Lanos Professeur à l’Université de Rennes1 / examinateur Yves Lénat Ancien Maître de Conférences à l’ENSAIS de Strasbourg / Co-directeur de thèse Jacques Miriel Professeur à l’Université de Rennes1 / Directeur de thèse THESE INSA Rennes sous le sceau de l’Université européenne de Bretagne pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L’INSA DE RENNES Spécialité : Génie Civil présentée par Paul Byrne ECOLE DOCTORALE Sciences De La Matière Etude expérimentale et simulée d’une thermofrigopompe de petite à moyenne puissance à équilibrage sur air Avant-propos Suite à l’obtention du diplôme d’ingénieur INSA en mécanique et automatique en septembre 2004, deux opportunités s’offraient à moi. Devais-je suivre la plupart de mes collègues insaliens et rejoindre la capitale pour y gagner ma vie dans le domaine de la mécanique ou bien devais-je continuer mes études vers le doctorat en tentant de m’orienter vers l’énergétique et peut-être rester en Bretagne ? Les racines (et une fille) ont été les plus fortes et la passion pour la recherche a ainsi pu grandir en moi dans ma région natale dans un domaine qui me correspond. En mars 2005, j’intègre l’équipe Matériaux et Thermo-Rhéologie du Laboratoire de Génie Civil et de Génie Mécanique de l’Institut National des Sciences Appliquées de Rennes (ou en sigles, l’équipe MTRhéo du LGCGM de l’INSA de Rennes) pour y effectuer un stage de master sur la performance énergétique des bâtiments sous la direction de Jacques Miriel alors chef du département génie civil de l’IUT de Rennes devenu depuis directeur de l’IUT. Jacques Miriel me propose quelques mois plus tard de développer le projet d’un ancien collègue, Yves Lénat, sous la forme d’une thèse. Le projet contient une partie simulée et une partie expérimentale. J’accepte le challenge et me plonge dans le vif du sujet. Durant deux ans, je m’attelle à la recherche bibliographique, à la maîtrise des logiciels de simulation, je présente mes travaux et je prends des contacts dans des conférences, j’apprends en parallèle le métier d’enseignant grâce à des vacations dans le département génie civil de l’IUT de Rennes. A cette période et jusqu’au bout de mes presque quatre années de thèse, mes collègues, dont Florence Collet et Laurent Serres, apportent les réponses à mes questions et me conseillent dans mes travaux, surtout en ce qui concerne la partie simulée. Au bout de nombreuses démarches infructueuses auprès d’entreprises du domaine des pompes à chaleur, un prototype financé par des fonds du laboratoire est construit en 2008 par l’entreprise Socafroid de Dinan avec l’appui technique de Claude Tanguy du Lycée La Fontaine des Eaux. Gérard Colas et Olivier Bourget, frigoristes courageux et virtuoses du chalumeau de Socafroid, réalisent la machine frigorifique et assurent sa mise en fonctionnement. Avec l’aide de Daniel Génouel, Guy Bianeis, Patrice Le Paugam, Patrice Canevet, les fabuleux techniciens du département, un circuit hydraulique est réalisé pour finaliser le prototype. Entouré de toutes ces personnes et de mon ami stagiaire Jean-François Simon, devenu ingénieur en froid grâce à ce stage, je mets en place le montage qui me permet de présenter les résultats expérimentaux de ces travaux. Je profite de cet avant-propos pour remercier les membres du jury de ma thèse : Messieurs Jean Lebrun, Dominique Marchio, Christophe Lanos, Philippe Haberschill, mon directeur de thèse, Monsieur Jacques Miriel, mon mentor en matière de froid et co-encadrant de ma thèse, Monsieur Yves Lénat, ainsi que les autres personnes citées ci-dessus et ci-dessous pour leur soutien et leur participation à cette histoire passionnante. A ma fille, ma femme, à ma famille, à mes amis, Mots clés Thermofrigopompe, pompe à chaleur, machine frigorifique, réfrigération, chauffage, rafraîchissement, eau chaude sanitaire, production simultanée, conception, modélisation, simulation, prototype, fluides frigorigènes, R407C, CO2 Keywords Heat pump, refrigeration, heating, cooling, domestic hot water, simultaneous production, design, modelling, simulation, prototype, refrigerants, R407C, CO2 3/220 Résumé Les nouveaux bâtiments sont sujets à un renforcement de l’isolation thermique, à une augmentation des surfaces vitrées et à un accroissement des apports internes dus à des appareils électriques de plus en plus nombreux (ordinateurs, électroménager…). Cette tendance conduit à une diminution des demandes de chauffage mais peut engendrer des demandes de rafraîchissement en mi-saison et en période estivale. Les besoins en chauffage et en rafraîchissement deviennent plus équilibrés sur une journée et sur l’année en général. De plus, l’eau chaude sanitaire (ECS) occupe une place de moins en moins négligeable dans les besoins énergétiques totaux, ce qui provoque une simultanéité partielle des besoins en chaud et en froid dès que des demandes de rafraîchissement apparaissent. Une thermofrigopompe (TFP), machine frigorifique produisant de l’énergie calorifique et frigorifique de manière simultanée, associée à un stockage tampon d’énergie devient alors une solution intéressante. La TFP de petite à moyenne puissance est un système de production d’eau chaude et d’eau froide utilisant l’air comme source gratuite, destiné au chauffage, au rafraîchissement et à la production d'ECS pour des bâtiments du secteur résidentiel et du petit tertiaire. Elle présente plusieurs spécificités techniques dans la conception du circuit frigorifique, dans la gestion des modes de fonctionnement et des séquences de dégivrage. L’ajustement des productions de chaud et de froid aux charges du bâtiment s’effectue grâce à l’utilisation d’un échangeur d’équilibrage sur air extérieur fonctionnant soit en condenseur, soit en évaporateur. En période de chauffage, cette TFP offre également la possibilité de stocker une certaine quantité d’énergie sur la boucle d’eau froide à l’aide d’un sous- refroidisseur. Cette énergie stockée est utilisée en temps différé à l’évaporateur à eau afin d’améliorer les performances par un relèvement de la température d’évaporation et éventuellement de dégivrer l’évaporateur à air sans arrêter la production de chaleur. L’énergie de dégivrage est apportée par un thermosiphon diphasique formé entre les deux évaporateurs à des températures différentes. La présence d’un sous-refroidisseur impose le contrôle de la haute pression pour assurer une condensation totale du réfrigérant dans le condenseur utile. Le système de contrôle de pression est constitué d’une bouteille contenant du réfrigérant à l’équilibre liquide / vapeur connectée en partie basse à la ligne liquide et en partie haute au refoulement du compresseur et à un point en basse pression du circuit. Une injection de gaz provenant du refoulement du compresseur entraîne une augmentation de la haute pression. Une chasse vers la basse pression provoque une diminution de la haute pression du système. Une étude expérimentale a été menée sur une machine prototype de TFP au R407C pour des conditions variables de fonctionnement en températures d’air et d’eau et pour les différents modes possibles (chauffage, rafraîchissement et production simultanée). Les performances obtenues expérimentalement sont en accord avec celles annoncées par le logiciel de sélection développé par le constructeur du compresseur. L’étude expérimentale a également permis d’observer le dégivrage par thermosiphon, de vérifier le bon fonctionnement du système de gestion de la pression de condensation et des séquences alternées en période hivernale (1 : mode chauffage avec stockage de chaleur sur la boucle d’eau froide par sous-refroidissement. 2 : mode équilibré utilisant une évaporation par l’énergie stockée sur la boucle d’eau froide, plus performant, avec dégivrage éventuel). Le fonctionnement de la TFP a été modélisé avec deux réfrigérants : le HFC R407C et le CO2. Dans le contexte actuel animé par d’éventuelles décisions politiques concernant l’impact des gaz à effet de serre sur le réchauffement climatique, le dioxyde de carbone est un fluide intéressant d’abord pour son faible impact environnemental (ODP nul et GWP100ans = 1) et pour les caractéristiques particulières du cycle thermodynamique utilisé (cycle transcritique). En effet, une grande quantité d’énergie est récupérable par sous-refroidissement du fluide frigorigène et de l’ECS à haute température peut être produite de manière performante. Dans des simulations annuelles, les TFP au R407C et au CO2 sont comparées à des pompes à chaleur réversibles sur les critères de performance, d’économie d’énergie et d’impact environnemental. Le concept de cette TFP offre clairement une amélioration des performances par rapport à une pompe à uploads/Ingenierie_Lourd/ etude-experimentale-et-numerique-d-une-thermofrigopompe-de-petite-a-moyenne-puissance-a-equilibrage-sur-air.pdf