Développement d'une méthode de détermination en temps réel de la charge en fluide frigorigène et de la performance associée d'une pompe à chaleur

Development of a method to determine in real time the refrigerant charge and the associated performance of a heat pump

• Auteur / Autrice : Maëlle Jounay
• Direction : Cong-Toan Tran
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique et génie des procédés
• Date : Inscription en doctorat le 01/03/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Energétique et Procédés
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : CES - Centre Efficacité énergétique des Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université de Recherche Paris Sciences et Lettres (2015-2019)

Mots clés

Mots clés libres

Pompe à chaleur

Fluide frigorigène

Performance

Fuite

Défaut progressif

Heat pump

Refrigerant fluid

Performance

Leakage

Progressive fault

Résumé

Contexte et enjeux : La détection anticipée de défaut(s) à des fins de maintenance prédictive est un enjeu majeur pour les pompes à chaleur. Cela répond à un double objectif d'optimisation des performances réelles des machines et de réduction du nombre et du temps d'intervention des installateurs-mainteneurs, très sollicités sur un marché en pleine expansion. Le défaut de charge en fluide frigorigène de la pompe à chaleur constitue le défaut majeur en termes d'impact sur les performances du système (Noël & Al 2018, Madani & Al 2014, Madani 2014, Mehrabi & Al 2017). Ces études mettent également en évidence une dégradation très progressive des performances de la pompe à chaleur lors de l'apparition du défaut de charge en fluide ; la baisse de performances s'accélérant avec son aggravation. La détection anticipée d'une baisse de la charge, pendant la période de faible diminution des performances, est donc primordiale. Objectifs scientifiques : Plusieurs méthodes de mesure de la charge en fluide frigorigène existent aujourd'hui, essentiellement indirectes et basées sur la mesure de température et/ou pression du fluide frigorigène en des points précis du cycle thermodynamique (Kamemoto 2001, Pettitt 1988, Tomasov & Al 1992, Sumikawa 1987, Bessler 1996, Temple & Al 2003). Ces méthodes présentent cependant des limites importantes en termes de précision et surtout de domaine d'application. Elles sont ainsi uniquement adaptées à des systèmes fonctionnant en régime stationnaire, équipés de vannes à orifice calibré et de compresseur à vitesse fixe. Ces limites rendent ces méthodes inapplicables dans le cas des pompes à chaleur pour les bâtiments. Des travaux exploratoires menés à Mines ParisTech ont permis de mettre en évidence un lien possible entre la masse de fluide frigorigène circulant dans la pompe à chaleur et le comportement dynamique du système. Ces travaux ouvrent ainsi la voie au développement d'une nouvelle méthode de détermination de la charge en fluide frigorigène adaptée aux conditions de fonctionnement dynamiques d'une pompe à chaleur. Cependant, pour aboutir à ce résultat, une représentation précise de la répartition du fluide frigorigène dans la pompe à chaleur est nécessaire, afin d'étudier l'ensemble des phénomènes de stockage qui peuvent se produire au cours du fonctionnement et modifier les performances dynamiques de la machine. L'objectif de la thèse est de développer une méthode de détermination en temps réel de la charge en fluide frigorigène d'une pompe à chaleur, en vue de l'associer à la méthode de mesure embarquée des performances précédemment développée (Noël 2020, Niznik 2017, Tran 2012). L'élaboration et la mise au point de cette méthode s'appuieront sur un travail de modélisation détaillée de la répartition de la charge en fluide dans les différents composants.

Context and stakes : Early detection of faults for predictive maintenance purposes is a major challenge for heat pumps. This meets the dual objective of optimizing the actual performance of the machines and reducing the number of interventions and the time required by the installer-maintainers, who are in great demand on a rapidly expanding market. The heat pump refrigerant charge fault is the major fault in terms of impact on system performance (Noël & Al 2018, Madani & Al 2014, Madani 2014, Mehrabi & Al 2017). These studies also highlight a very gradual degradation of heat pump performance upon the onset of the fluid charge fault; the performance decline accelerates as it worsens. Early detection of a reduced charge, during the period of low performance decrease, is therefore crucial. Scientific Objectives: Several methods of measuring the refrigerant charge exist today, essentially indirect and based on the measurement of temperature and/or pressure of the refrigerant at precise points of the thermodynamic cycle (Kamemoto 2001, Pettitt 1988, Tomasov & Al 1992, Sumikawa 1987, Bessler 1996, Temple & Al 2003). However, these methods have important limitations in terms of accuracy and especially in terms of application domain. They are thus only adapted to systems operating in stationary regime, equipped with calibrated orifice valves and fixed speed compressors. These limitations make these methods inapplicable in the case of heat pumps for buildings. Exploratory work carried out at Mines ParisTech has shown a possible link between the mass of refrigerant circulating in the heat pump and the dynamic behavior of the system. This work paves the way to the development of a new method for determining the refrigerant charge adapted to the dynamic operating conditions of a heat pump. However, to achieve this result, an accurate representation of the refrigerant distribution in the heat pump is necessary, in order to study all the storage phenomena that can occur during the operation and modify the dynamic performance of the machine. The objective of the thesis is to develop a method for real-time determination of the refrigerant charge in a heat pump, in order to combine it with the previously developed embedded performance measurement method (Noël 2020, Niznik 2017, Tran 2012). The elaboration and development of this method will be based on a detailed modeling of the distribution of the fluid charge in the various components.