Modélisation de pompes à chaleur à multiple compresseurs

Ce mémoire vise à évaluer la performance d'une Pompe À Chaleur (PAC) géothermique à multiple compresseurs. Contrairement aux PAC actuelles qui utilisent en général un seul compresseur, la configuration proposée est équipée d'un grand nombre de compresseurs (de l'ordre de 10) qui sont installés en parallèle et peuvent être activés alternativement afin d'adapter la PAC aux conditions de fonctionnement. La sélection du meilleur compresseur à tout moment permet d'optimiser le Coefficient de Performance (COP) de la PAC, en réduisant la consommation électrique et en diminuant le recours à un chauffage auxiliaire. La PAC proposée est modélisée dans le logiciel EES et des simulations d'une saison de chauffage complète sont réalisées pour deux maisons avec des besoins en chauffage différents en utilisant un pas de temps d'une heure. Les simulations utilisent les données météorologiques de Montréal, qui représentent un climat froid. Le modèle proposé repose sur des équations empiriques (méthode dite « des 10 coefficients ») afin de prévoir le comportement des compresseurs. Ces équations sont combinées avec des modèles détaillés des échangeurs à plaques (évaporateur et condenseur) basés sur des bilans d'énergie, les propriétés thermodynamiques du fluide réfrigérant, et des corrélations pour calculer les coefficients de transfert de chaleur. Le cycle complet est modélisé dans le logiciel EES qui résout les équations non-linéaires de manière itérative. Le bâtiment est modélisé simplement par un coefficient de déperditions thermiques équivalent et le puits géothermique est modélisée en supposant un transfert de chaleur radial dans le sol et en tenant compte de l'historique thermique dans le sol. Les simulations permettent de comparer la performance globale d'une PAC équipée de multiples compresseurs à celle d'une PAC qui utiliserait un seul compresseur – pour ces comparaisons, le compresseur le mieux adapté aux besoins de chaque maison est sélectionné pour la PAC de référence. Les résultats montrent que la PAC multi-compresseurs permet une amélioration du coefficient de performance saisonnier de 10 % pour le premier bâtiment et 13 % pour le second bâtiment. Cette amélioration résulte d'un meilleur COP de la PAC pour les différentes conditions d'opération, et principalement d'une diminution du chauffage auxiliaire, qui pourrait être complètement éliminé pour certaines configurations, selon les besoins thermiques en chauffage. Ainsi, des économies d'énergie de 957 kWh ont été réalisées pour le premier bâtiment et 1601 kWh pour le deuxième bâtiment.

Abstract

This master's thesis aims to evaluate the performance of a multi-compressor geothermal Heat Pump (HP). Contrary to current models, which generally use a single compressor, the proposed configuration is equipped with a large number of compressors (in the order of 10) which are installed in parallel and may be activated alternatively in order to adapt the HP to the required operating conditions. The selection of the best compressor at any time allows the HP to optimise its Coefficient of Performance (COP), while reducing its electrical consumption as well as the need of auxiliary heating. The proposed HP is modeled using the EES software program. Simulations of a heating season are completed for two houses with different heating needs with one hour time step. Simulations are based on Montreal's weather data, which represent a cold climate. The proposed model uses empirical equations (known as the “10 coefficients method”) in order to predict the compressors performance. Those equations are combined with detailed models of plate heat exchangers (evaporator and condenser) based on energy balances, thermodynamic refrigerant properties, and correlations enabling the assessment of the coefficients of heat transfer. The complete cycle is simulated in EES, which iteratively solves non-linear equations. The building is modeled simply by a thermal heat-loss coefficient and a simplified model of the geothermal heat exchanger is used. The simulations allow to compare the global performance of the multi-compressor HP with a conventional HP equipped with a single compressor. For these comparisons, the optimal compressor for the single compressor HP is selected. Results show that the multi-compressor HP allows an increase in the seasonal coefficient of performance of 10% for the first building and 13% for the second building. This enhancement results from a higher COP for the HP in various operating conditions. Moreover, it allows to reduce the use of an auxiliary heating system which could be completely eliminated in specific conditions.