Conception et modélisation de systèmes de conditionnement d'air à haute efficacité énergétique dans les voitures ferroviaires

Design and modelling of high-energy-efficiency air-conditioning systems for railway cars

• Auteur / Autrice : Rami Abou Eid
• Direction : Didier Mayer, Maroun Nemer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et Procédés
• Date : Soutenance le 19/12/2016
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Efficacité Énergétique des Systèmes. Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Marc Clausse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Mayer, Maroun Nemer
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Predrag Hrnjak, Christian Inard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systémique

Pompes à chaleur

Climatisation

Transports ferroviaires

Chauffage et ventilation

Économies d'énergie

Mots clés libres

Systèmes de CVC ferroviaires

Le confort thermique des passagers

Efficacité énergétique

Modèle zonal

Modèle dynamique de pompe à chaleur réversible

Givrage et dégivrage de l'évaporateur

Approche systémique

Railway HVAC systems

Passenger thermal comfort

Energy efficiency

Zonal model

Reversible heat pump dynamic model

Evaporator frosting and defrosting

Systemic approach

Résumé

Dans une ère d’une demande croissante de l'énergie, le transport est un enjeu environnemental et économique. Puisque le transport ferroviaire est le plus efficace et le plus propre moyen de transport, l’augmentation de sa part du marché devrait réduire l'impact du secteur des transports dans l'avenir. Améliorer le confort thermique des passagers aidera certainement à augmenter son attractivité. Toutefois, le système CVC (chauffage, ventilation et climatisation) contribue de 32% de la consommation globale d'un train. Cette thèse vise à développer une méthodologie qui aidera à réduire les charges thermiques dans la salle des passagers et de concevoir un système de CVC innovant à très haute efficacité énergétique tout en tenant compte de toutes les contraintes ferroviaires. Tout d'abord, un modèle dynamique zonal et thermique de la salle des passagers a été développé et validé expérimentalement en utilisant les résultats de tests réalisés en chambre climatique. Après, le confort thermique des passagers dans un tramway et les charges thermiques en chauffage et en refroidissement ont été analysées ce qui a conduit àl’élaboration d’une série de solutions techniques qui réduisent sensiblement les charges thermiques (régulation de l'air frais, refroidissement gratuit ...). Le remplacement du chauffage électrique utilisé dans l’état de l’art par un chauffage thermodynamique est suggéré afin d'augmenter l'efficacité du système CVC. Une pompe à chaleur réversible pour une application ferroviaire a été conçue et modélisée dynamiquement tout en considérant les cycles de givrage et dégivrage de l'évaporateur. Le modèle a été validé expérimentalement où la baisse de la capacité de chauffage causée par le givre, la consommation d'énergie et le temps de dégivrage nécessaire ont été très bien prédit dans les simulations. Ensuite, des simulations annuelles de consommation d'énergie ont été réalisées pour les deux villes de Strasbourg et Marseille. Les solutions recommandées pour réduire les charges thermiques et pour augmenter l’efficacité énergétique du système, réduisent la consommation annuelle du système de 52% à Strasbourg et 35,5% à Marseille et augmentent le COP (coefficient de performance) annuel du système de 1,15 à 2,44 à Strasbourg et 1,55 à 2,53 à Marseille. Avec un retour sur investissement netestimé à moins d'un an, les solutions proposées sont très économiques.

In an era of growing demand of energy, transportation is an environmental and economic issue. Since Railway transport is the most efficient and the cleanest mean of transport, increasing its market share would reduce the transport sector’s impact in the future. Improving the passengers’ thermal comfort would certainly help increase its attractiveness. However, the HVAC (Heating,Ventilation and air conditioning) system’s share of the train’s global consumption is 32%. This thesis aims at developing a methodology that will help minimise the thermal loads in a passenger carriage and design an innovative highly energy efficient HVAC system while considering all the constraints of railway applications. At first, a dynamic zonal and thermal model of the passenger carriage was developed and validated experimentally using climatic chamber test results. After, a tramway’s passengers’ thermal comfort and the heating and cooling loads were analysed which led to a series of technical solutions that reduce substantially the thermal loads (fresh air regulation, Free cooling …). Replacing the state of the art’s electrical heating with thermodynamic heating is suggested to increase the HVAC’s efficiency. A reversible heat pump for railway application was designed and dynamically modelled while considering the frosting and defrosting cycles of the evaporator. The model was validated experimentally where the capacity drop due to frost accumulation, power consumption and the necessary defrost time were very well predicted in the simulations. Then, annual energy consumption simulations were performed for the two cities of Strasbourg and Marseille. The recommended energy efficient and load reducing provisions reduce the system’s annual consumption by 52% in Strasbourg and 35.5% in Marseille and increase the system’s annual COP (coefficient of performance) from 1.15 to 2.44 in Strasbourg and from 1.55 to 2.53 in Marseille. With an estimated net return on investment of less than a year, the proposed solutions are also very economic.