Développement d’un prototype préindustriel de thermofrigopompe de petite à moyenne puissance

Development of a pre-industrial prototype of a heat pump for simultaneous heating and cooling small to medium heating power

• Auteur / Autrice : Redouane Ghoubali
• Direction : Jacques Miriel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 28/11/2013
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes ; 1996-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie civil et génie mécanique (LGCGM) - Laboratoire de Génie Civil et Génie Mécanique
• Partenaire(s) de recherche : : Université européenne de Bretagne (2007-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Pôle Cristal (Dinan, Cotes-d'Armor)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Marchio
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Lanos, Paul Byrne, Frédéric Bazantay
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Haberschill, Laurence Fournaison

Mots clés

Mots clés contrôlés

Constructions -- Propriétés thermiques

Échangeurs de chaleur

Propane

Fluides frigorigènes

Pompes à chaleur

Mots clés libres

RT 2012

Chauffage

Rafraîchissement

Heating system

Résumé

Dans le contexte actuel de durcissement de la réglementation thermique visant à améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments, il est nécessaire de repenser les installations de chauffage, de rafraîchissement et d’eau chaude sanitaire. Un système thermodynamique multifonction, appelé thermofrigopompe (TFP), produisant simultanément de l’énergie frigorifique et calorifique, semble alors une solution intéressante. L’emploi d’un fluide frigorigène à faible potentiel de réchauffement global (le GWP exprimé en émissions équivalentes de CO2), dans les machines frigorifiques, permet de répondre de manière efficace à la problématique de réduction des émissions de gaz à effet de serre. Cette thèse présente un prototype préindustriel de thermofrigopompe utilisant le propane comme fluide frigorigène. Le propane (R290) est intéressant d’abord pour son faible impact environnemental (ODP nul et GWP100ans =3) et pour ces performances énergétiques. Le prototype est le fruit d’une collaboration entre le Pôle cristal, centre technique froid et génie climatique de Dinan, et le laboratoire LGCGM de Rennes. Une nouvelle architecture du circuit frigorifique de la TFP est proposée avec une réduction significative du nombre d’électrovannes. Cette architecture permet une récupération efficace de la charge en fluide frigorigène lors des basculements entre les différents modes. Les besoins en chauffage, rafraîchissement et eau chaude sanitaire de trois types de bâtiments situés dans différents climats sont obtenus par simulation sous TRNSYS. La nature du bâtiment ainsi que le climat influencent fortement le caractère simultané des besoins. Un indicateur de besoins simultanés (TBS) est proposé afin d’identifier le bâtiment le plus adapté à une solution de production simultanée. Des essais en chambre climatique ont permis de valider le fonctionnement du prototype et de caractériser ses performances. Ces résultats expérimentaux ont servis à calibrer les modèles de composants et de machines frigorifiques pour chaque mode de fonctionnement développés avec le logiciel EES. Un bâtiment résidentiel collectif et un immeuble de bureaux ont été choisis dans l’étude comparative, afin d’évaluer l’influence de la nature des besoins sur les performances de la TFP. Les performances annuelles simulées par la méthode de corésolution (EES-TRNSYS) de la TFP sont comparées à une solution référence qui combine une PAC air/eau réversible pour le chauffage, et le rafraîchissement et un ballon thermodynamique pour l’ECS. Les résultats des simulations des performances saisonnières ont démontré que la piste des bureaux est intéressante dans le cas de zones nécessitant un fort besoin en rafraîchissement tout au long de l’année.

In the current context of hardening of thermal regulations to improve the energy efficiency of buildings, it is necessary to reconsider the heating, cooling and domestic hot water installations. A multifunctional heat pump system for simultaneous heating and cooling (HPS), which simultaneously produces cooling and heating energy, seems to be an interesting solution. The use of a refrigerant with low global warming potential (GWP expressed in equivalent emissions of CO2) in the refrigeration machinery can respond effectively to the problem of reducing greenhouse gas emissions. This work presents a pre-industrial prototype of HPS using propane as refrigerant. Propane (R290) is interesting firstly for its low environmental impact (zero ODP and GWP100 = 3) and for the energy performance. The prototype is the result of the collaboration between the Technical Centre for refrigeration and HVAC, Pôle Cristal and LGCGM laboratory. A new architecture of the refrigerant circuit of the HPS is proposed with a significant reduction in the number of valves. This architecture allows for efficient recovery of the refrigerant charge when switching between modes. The needs for heating, cooling and domestic hot water for three types of buildings in different climates are obtained by simulation using TRNSYS. The nature of the building and climate strongly influence the simultaneous nature of the needs. A ratio of simultaneous needs (RSN) is proposed to identify the most suitable building for the simultaneous production of heating and cooling energy. Climate chamber tests were used to validate the operation of the prototype and characterize its performance. These experimental results were used to calibrate the models of components and refrigerating machines for each operation developed with EES software. A collective residential building and an office building were selected in the comparative study, in order to evaluate the influence of the nature of the requirements on the performance of the HPS. Annual performance simulated by the co-solving method (EES-TRNSYS) of HPS is compared to a reference solution that combines a reversible air / water heat pump for heating, cooling and thermodynamic water heater for domestic hot water. The simulation results of the seasonal performance showed that the office building is interesting in the case of areas requiring a strong need for refreshment throughout the year.