Investigation of the CO2 Thermal Network Connected to Local Heat Pumps for Heating and Cooling of Buildings

Le réseau thermique au CO2 (CO2TN) est une architecture à l’échelle du bâtiment dans laquelle une boucle de CO2 à un seul tuyau fournit une source/puits commun à un ensemble de pompes à chaleur locales (LHP) desservant plusieurs zones. En faisant circuler le CO2 dans un état près de la saturation, le réseau peut offrir à l’ensemble des LHPs une température de source quasi-uniforme, tout en permettant des échanges d’énergie entre zones. Toutefois, une évaluation crédible des performances et une supervision exploitable requièrent : (i) des modèles validés expérimentalement, fiables en régimes sous-critique et transcritique, et (ii) des stratégies de supervision coordonnant les décisions au niveau réseau (pression de boucle et fonctionnement de l’unité de circulation) avec l’activation des zones, tout en respectant les contraintes de faisabilité et les limites d’exploitation des équipements. Cette thèse répond à ces exigences au travers de quatre objectifs : développer un modèle numérique du CO2TN et de ses principaux composants, valider expérimentalement le modèle aux échelles composant et système, formuler des stratégies de supervision visant à réduire la consommation électrique sous contraintes d’exploitation, et évaluer annuellement les perfor-mances dans un bâtiment multi-zones représentatif. Premièrement, un modèle stationnaire du CO2TN est développé et implémenté dans TRNSYS à l’aide de TYPES dédiés pour l’unité de circulation, les échangeurs de chaleur et les interfaces de couplage avec les LHP. Le modèle est validé à partir de mesures issues d’un prototype de CO2TN. Au niveau composant, le modèle de compresseur reproduit le débit massique de CO2 avec une erreur absolue moyenne en pourcentage (MAPE) de 7.24% (écart maximal 14%) et la puissance du compresseur avec une MAPE de 0.96% (écart maximal de 2%). Pour les échangeurs à plaques eau–CO2 fonctionnant en régions surchauffée ou supercritique, le refroidisseur de gaz présente une MAPE de 1.37% (écart maximal de 3%) et le désurchauffeur une MAPE de 8.36% (écart maximal 9%). En régime sous-critique, le modèle d’évaporateur atteint une MAPE de 8.10% (écart maximal de 12%) et le modèle de condenseur une MAPE de 4.05% (écart maximal de 5.5%). L’échangeur interne (CO2–CO2) est validé en comparant les flux de chaleur côté aspiration et côté refoulement, ce qui conduit à une MAPE de 9.45%et à une erreur maximale de 11%, tout en respectant la surchauffe d’aspiration visée. Au niveau système, le modèle prédit la puissance totale avec des erreurs relatives comprises entre 1.45% et 7.89% et la capacité en chauffage et refroidissement avec des erreurs comprises entre 4.48% et 7.80%, et avec un écart maximal de 16.9% sur le COP pour les cas de validation. La validation quantifie également la pénalité de performance associée aux pertes de charge du prototype : la suppression des pertes de charge mesurées augmente le COP du système de 21% en mode refroidissement, de 7% en mode chauffage et de 20% en mode équilibré, ce qui met en évidence la réduction des pertes de charge comme un enjeu de conception.