Modeling and Experimental Validation of a Water-to-Water Heat Pump

Cette étude porte sur le développement d'un modèle élaboré pour analyser l'efficacité énergétique et le comportement opérationnel des pompes à chaleur eau-eau, en se concentrant sur celles utilisant des compresseurs à vitesse fixe et variable. Dans la première partie de ce travail, l'effort de modélisation porte sur les échangeurs de chaleur intermédiaires, les détendeurs, et les configurations impliquant l'utilisation de compresseurs multiples et de compresseurs à vitesse variable. Il est démontré que l'intégration d'échangeurs intermédiaires entre le condenseur et l'évaporateur peut améliorer le coefficient de performance (COP) des pompes à chaleur. Cependant, l’augmentation du COP dépend significativement du fluide frigorigène sélectionné et des paramètres opérationnels du système. Les détendeurs ont le potentiel d'augmenter le COP des pompes à chaleur en produisant du travail en utilisant la différence de pression entre le condenseur et l'évaporateur. Des augmentations de COP de l'ordre de 6 à 13 % sont possibles. L'utilisation de plusieurs compresseurs à vitesse fixe de différentes capacités et connectés en parallèle peut augmenter le facteur de performance saisonnier (SPF) d'environ 12 %. Les compresseurs à vitesse variable offrent une amélioration supplémentaire de 8 % du SPF par rapport aux compresseurs à vitesse fixe. Ensuite, l'approche de modélisation est raffinée en se concentrant sur la modélisation de composants réels. Des contributions sont apportées dans le domaine de la modélisation des échangeurs de chaleur à plaques (condenseur et évaporateur) ainsi que dans la prédiction des performances des compresseurs en utilisant une version améliorée de la norme AHRI pour les compresseurs à vitesse variable. Résoudre le modèle complet d'une pompe à chaleur nécessite de gérer un ensemble complexe d'équations non linéaires impliquant des calculs de propriétés thermo-physiques, des coefficients de transfert de chaleur et des surfaces d'échange thermique. Cet ensemble d'équations est sensible aux valeurs de départ, ce qui rend difficile l'exécution de simulations à long terme pour des paramètres d'entrée changeant rapidement. Pour contourner ce problème, un modèle TRNSYS basé sur des cartes de performance est amélioré en incluant une vitesse minimale de fonctionnement ainsi qu'une représentation précise de la consommation d'énergie à charge partielle. Le modèle est ensuite utilisé pour examiner l'impact de l'opération à vitesse variable sur la longueur du forage de puits géothermiques utilisés pour pompes à chaleur vii géothermiques. Il est montré que la courbe de couverture énergétique de la pompe à chaleur en fonction du pourcentage de couverture des besoins maximums est similaire à celle observée avec les compresseurs à vitesse fixe. La validation expérimentale du modèle est réalisée à l'aide d'un banc d'essai spécifiquement construit pour cette étude. L'installation comprend deux boucles secondaires à température contrôlée permettant la validation en régime permanent du modèle. Il est démontré que les prédictions de COP du modèle correspondent aux données expérimentales dans les limites de l'incertitude expérimentale. Le modèle est capable de prédire des scénarios où la surface de sous-refroidissement se réduit à zéro, une condition non souhaitable, suggérant une condensation incomplète du fluide frigorigène, ce qui pourrait interférer avec le fonctionnement de la valve d’expansion thermostatique. Ces prédictions coïncident avec les directives fournies par le fabricant pour ces conditions non désirées.