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.