Méthodes de mesure in situ des performances annuelles des pompes à chaleur air/air résidentielles

Méthodes de mesure in situ des performances annuelles des pompes à chaleur air/air résidentielles

Cycle thermodynamique 

Le principe 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. Figure 1.1 – Principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur 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. Compresseur Détendeur Condenseur Evaporateur Intérieur Extérieur air intérieur air extérieur fluide frigorigène haute pression basse pression 

Cycle thermodynamique 

Mode refroidissement – Fonctionnement réversible

Les pompes à chaleur présentent l’avantage de pouvoir être facilement utilisées pour des applications de refroidissement. Les pompes à chaleur réversibles peuvent fournir alternativement de la chaleur ou du froid selon le mode de fonctionnement sélectionné (chauffage ou refroidissement). Afin de sélectionner le mode souhaité, il suffit d’inverser le rôle des échangeurs de chaleur. Permuter le mode de fonctionnement de la pompe à chaleur réversible est alors possible grâce à une vanne quatre voies comme l’illustre la Figure 1.2. (a) (b) Figure 1.2 – PAC à cycle réversible – (a) Mode chauffage, (b) Mode refroidissement (figure de (COSTIC 2004)) 

Composants du circuit frigorifique

La Figure 1.3 illustre les principaux composants et le fonctionnement d’un système de pompe à chaleur. Composants principaux Les sources Pour les PAC air/air, les deux sources sont l’air intérieur et celui extérieur à l’habitation. Ces derniers sont tour à tour source chaude et source froide selon le fonctionnement en mode chauffage ou refroidissement. Chapitre 1 PAC air/air : caractéristiques techniques 8 Fluide frigorigène Les fluides frigorigènes sont classés en différents groupes selon leur composition moléculaire. Certains fluides frigorigènes sont des mélanges de plusieurs composants homogènes. Ces mélanges sont soit azéotropiques, dans le cas où ils s’évaporent à une température constante pour une certaine pression, soit zéotropiques, dans le cas où ils s’évaporent à température variable pour une pression donnée. Les fluides frigorigènes zéotropiques présentent donc un glissement de température lors d’un changement d’état. L’identification du type de fluide frigorigène (azéotropique ou zéotropique) peut être important dans le choix de la méthode de mesure de la performance de PAC (on discutera plus en détail de ce point dans la partie portant sur les mesures). Les niveaux de pression caractéristiques des fluides associés aux niveaux de température des sources influencent notablement la consommation du compresseur. Figure 1.3 – Les principaux composants de la PAC Compresseur La vapeur qui se forme dans l’évaporateur est aspirée dans le compresseur puis comprimée, ce qui entraîne une augmentation de la pression et de la température. Le compresseur est alimenté électriquement. Les PAC pour les particuliers combinent le moteur et le compresseur à l’intérieur d’une seule enveloppe sous pression, appelée unité « hermétique ». Cela permet de limiter les risques de fuite de fluide frigorigène dans l’atmosphère. Pour les PAC air/air destinées au résidentiel, deux sortes de compresseurs sont généralement utilisés : compresseurs à piston rotatif (rotary) et compresseurs à spirale (scroll). Pour satisfaire les besoins thermiques variables de l’habitation tout au long de l’année, le système de PAC peut utiliser un seul compresseur ou plusieurs compresseurs en parallèle permettant de 1.1 Cycle thermodynamique 9 disposer de deux ou trois étages de puissance. Le système peut également utiliser un moteur de compresseur à vitesse de rotation variable. Lorsque le système ne dispose que d’un compresseur à vitesse fixe, la régulation de puissance se fait par périodes de marche et d’arrêt successives. Les deux premiers moyens de régulation de puissance mentionnés ci-dessus permettent de fonctionner à débit de réfrigérant réduit ce qui améliore les performances saisonnières (Rivière 2004). Condenseur Figure 1.4 – Evolution du titre de fluide frigorigène dans un condenseur refroidi à l’air Le condenseur est généralement constitué d’une batterie de tubes en cuivre munis d’ailettes en aluminium embouties. Un ventilateur permet de mettre l’air en mouvement afin qu’il traverse l’échangeur. L’état thermodynamique du fluide dans le condenseur peut être décrit en trois zones distinctes (Figure 1.4). Désurchauffe : A l’entrée du condenseur le fluide frigorigène est à l’état de vapeur surchauffée, i.e. sa température est plus élevée que la température saturante. Le fluide est donc d’abord désurchauffé (refroidi) jusqu’à la température de condensation5 correspondant à la pression au sein du condenseur, appelée pression de condensation. L’écart entre la température de fluide à l’entrée du condenseur et la température de condensation est également appelé désurchauffe. Condensation : Une fois que la vapeur de fluide frigorigène atteint la température de condensation, la condensation commence. Lors de ce changement d’état, la pression reste constante (à la condition de ne pas tenir compte des pertes de charge). Cependant, la température peut varier selon le type de fluide frigorigène. Si le fluide est azéotropique, la température reste constante. En revanche, les fluides zéotropiques subissent une légère baisse de température, appelée glissement de température. Sous-refroidissement : Dès que le fluide frigorigène est entièrement condensé, le processus de sousrefroidissement commence. À partir de ce moment, l’échange thermique conduit à une diminution de la température du fluide frigorigène. Dans certaines situations comme lors de fonctionnements incorrects où de périodes transitoires… il peut ne pas y avoir de sous-refroidissement. Par exemple, si le débit d’air est trop faible, la condensation ne sera pas terminée. On obtient donc à la sortie du condenseur le fluide frigorigène à l’état diphasique. 5 A cause de la perte de charge, la température de condensation diminue légèrement dans le condenseur, même dans le cas d’un fluide azéotropique. Chapitre 1 PAC air/air : caractéristiques techniques 10 Détendeur Le détendeur sert principalement à diminuer la pression du fluide frigorigène. Plusieurs types de détendeurs existent. Les orifices calibrés et les tubes capillaires permettent d’imposer une perte de pression donnée pour un certain débit mais sont mal adaptés à des régimes de fonctionnement à débit variable. C’est pourquoi on utilise principalement des détendeurs thermostatiques ou électroniques. Ces derniers fonctionnent comme une vanne à ouverture variable et contrôlée. La détente est donc quasi-isenthalpique. Le fluide en sortie du détendeur se trouve généralement en régime diphasique. En général, la vanne du détendeur est réglée de telle manière que le fluide frigorigène à la sortie de l’évaporateur soit légèrement surchauffé. L’écart entre la température du fluide à la sortie de l’évaporateur et la température d’évaporation est appelée la surchauffe. Avec un détendeur thermostatique, la surchauffe est maintenue entre 4 et 8 K. Un détendeur électronique peut permettre d’atteindre des surchauffes très faibles de l’ordre de 1 à 2 K. Nous verrons au Chapitre 5 cette surchauffe peut varier en fonction des régimes de fonctionnement et du type de la PAC.