Experimental Testing and Modelling of Variable Capacity Air-to-Air Heat Pumps

La consommation énergétique des bâtiments représente une fraction importante de notre consommation énergétique globale et de nos émissions de gaz à effet de serre ; il devient donc essentiel d'améliorer leur efficacité. Les pompes à chaleur contribuent grandement à cet effort d'efficacité en diminuant significativement la consommation d'énergie de chauffage. Les pompes à chaleur de type air-air (qui utilisent l'air ambiant comme source de chaleur)sont assez populaires parce qu'elles ont un coût d'investissement sensiblement plus bas que les pompes à chaleur géothermiques. Elles sont cependant pénalisées par une efficacité et une capacité plus faibles lorsque la température ambiante est très basse, ce qui est particulièrement critique dans les climats froids. De plus, les pompes à chaleur à capacité fixe subissent une baisse d'efficacité provoquée par une opération intermittente. Un type plus récent de pompe à chaleur équipée d'un compresseur à vitesse variable ne rencontre pas ces problèmes, mais leur coût d'investissement est toutefois plus élevé. La capacité variable introduit un niveau de complexité supplémentaire dans le design de systèmes de chauffage, ventilation et conditionnement d'air (CVCA), et il y a un manque de modèles dynamiques comparé à ce qui existe pour des capacités fixes. De plus, les données de performance fournies par les manufacturiers sont généralement incomplètes, ce qui rend encore plus difficile l'estimation des performances. L'objectif de ce mémoire est de développer un modèle permettant d'intégrer ce type de machine dans des simulations d'installations CVCA. Ce modèle, développé dans le logiciel TRNSYS, se base sur des cartes de performance. Dans le but d'en établir une qui soit complète et précise, des tests expérimentaux ont été effectués au laboratoire de CanmetÉNERGIE à Varennes. Ces tests permettent aussi d'analyser et de modéliser les stratégies de contrôle de la machine. Les tests montrent que la capacité en chauffage indiquée dans les données du manufacturier est un petit peu surestimée à basse température, mais elle correspond assez bien aux mesures au-delà de −10 °C. Les valeurs de capacité en climatisation semblent avoir une corrélation moindre avec la température extérieure, mais des tendances similaires sont néanmoins observées. Le coefficient de performance semble quant à lui correspondre assez bien aux mesures, ce qui permet d'utiliser avec confiance ces données dans le modèle. Des régressions sont déduites des résultats expérimentaux afin de pouvoir extrapoler la carte de performance aux conditions qui ne sont pas couvertes. Elles permettront aux utilisateurs du modèle d'établir une carte de performance complète, même sans effectuer de tests.

Abstract

Since decarbonizing the electricity grid and reducing society's energy consumption is becoming paramount, it is essential to improve the energy efficiency of the building sector, which accounts for an important part of the global energy consumption. Air-to-air heat pumps (which exchange energy between indoor and ambient air) allow to heat or cool a space with greater efficiency than traditional heating systems, which makes them a key component in improving energy efficiency. They are often preferred to ground source systems because of their lower investment cost; however, they have limitations. Their operating temperature range is limited and their capacity and efficiency decrease at low ambient temperatures, which can be a problem in cold climates. Moreover, most existing heat pumps operate by alternating between on and off modes (i.e. they cycle), which has the side effect of lowering their performance. Variable capacity heat pumps tackle these problems by using variable speed compressors to adjust their capacity as needed, thereby removing the need for cycling. Thus, they can reach higher energy efficiencies, but also have higher investment costs. Variable capacity air-to-air heat pumps (VCAAHPs) are gaining in popularity, especially in cold climates where they can sustain wider temperature ranges. As opposed to fixed capacity heat pumps, VCAAHPs lack simulation models, making it difficult to integrate them into simulations of HVAC systems. Manufacturers provide performance data, but they are severely incomplete, and not always accurate. Therefore, there is a clear need for a VCAAHP model and a more complete performance map. The main goal of the thesis is therefore to develop a VCAAHPs model to use in simulations of HVAC systems. Developed as a component for the TRNSYS software, the model uses the “black box” approach and relies on performance maps. To build a complete performance map that could actually be used by the model, experimental tests were conducted at the CanmetENERGY laboratory in Varennes, Québec. Apart from the performance data, these tests are also useful in establishing the control strategies of the heat pump, which play an important role in the model as well. Test results show that heating capacity stated by manufacturer is slightly overestimated at low temperatures, but it matches well the measurements above −10 °C. Capacity and outdoor temperature values appear to be less correlated in cooling mode, yet similar trends are still observed. The coefficient of performance (COP) values given by the manufacturer seem to match the measurements quite well, which gives confidence to the data used in the model.