Méthodes de mesure in situ des performances annuelles des pompes à chaleur air/air résidentielles

187 Pages·2016·6.79 MB·French

M´ethodes de mesure in situ des performances annuelles
des pompes `a chaleur air/air r´esidentielles
Cong-Toan Tran
To cite this version:
Cong-Toan Tran. M´ethodes de mesure in situ des performances annuelles des pompes a` chaleur
air/air r´esidentielles. Autre. Ecole Nationale Sup´erieure des Mines de Paris, 2012. Fran¸cais.
<NNT : 2012ENMP0036>. <pastel-00765206>
HAL Id: pastel-00765206
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N°: 2009 ENAM XXXX

École doctorale n° 432 : « Sciences des Métiers de l’Ingénieur »

Doctorat ParisTech

T H È S E

pour obtenir le grade de docteur délivré par

l’École nationale supérieure des mines de Paris

Spécialité “ Energétique ”

présentée et soutenue publiquement par

Cong-Toan TRAN

le 31 novembre 2012

Méthodes de mesure in situ des performances annuelles

des pompes à chaleur air/air résidentielles

Directeur de thèse : Dominique MARCHIO

Co-encadrement de la thèse : Philippe RIVIERE

Jury T

M. Jocelyn BONJOUR, Professeur, INSA-Lyon, Université de Lyon 1 Rapporteur H
M. Christophe MARVILLET, Professeur, CNAM Rapporteur TT
È
Mme. Christine ARZANO-DAURELLE, Docteur, EDF R&D Examinateur
M. Vincent LEMORT, Professeur assistant, Université de Liège Examinateur HH
S
M. Dominique MARCHIO, Professeur, MINES ParisTech Examinateur
M. Philippe RIVIERE, Docteur, MINES ParisTech Examinateur EE
E
SS
MINES ParisTech EE
Centre Énergétique et Procédés de Paris
60, Boulevard Saint-Michel 75272 PARIS

Avant-propos
Je désire remercier Monsieur Dominique MARCHIO, professeur à Mines ParisTech et Monsieur
Philippe RIVIERE, responsable de projet au Centre Energétique de Procédés (CEP), pour leur
encadrement, leur suivi et leurs conseils de tous les instants.
Ma reconnaissance s’adresse également à mes responsables à EDF R&D Christine ARZANO-
DAURELLE, Michel COEVOET et aussi Pascal DALICIEUX pour leur confiance et leur implication, ce qui
a joué un rôle majeur pour le bon déroulement de ma thèse.
Je suis honoré par la présence de Monsieur Jocelyn BONJOUR, professeur à l’INSA-Lyon et Monsieur
Christophe MARVILLET, professeur au CNAM, qui ont accepté d’être rapporteurs de ce mémoire. Je
remercie également Madame Christine ARZANO-DAURELLE, ingénieur de recherche à EDF R&D,
Monsieur Vincent LEMORT, professeur assistant à l’université de Liège, d’avoir accepté d’être
membres du jury.
Je tiens à remercier les nombreuses personnes avec qui j’ai pu travailler durant ma thèse, et tout
particulièrement Bernard HORBER, Cédric TEUILLIERES et David WISZNIEWSKI pour leur soutien
technique indispensable. Je souhaite également associer à ces remerciements les personnes du
laboratoire Climatron EDF R&D pour leur aide précieuse.
Je voudrais faire part de mes remerciements et amitiés à toute l’équipe Pompe à chaleur, EDF R&D et
aux membres du CEP pour leur accueil chaleureux. Je n’oublie pas mes amis qui m’ont toujours
soutenu et encouragé dans la bonne humeur.
Enfin, je remercie tous les membres de ma famille, au Vietnam et en France, pour leur soutien moral;
qu’ils sachent que je les aime profondément.

Sommaire
INTRODUCTION GENERALE ........................................................................................................... 1
CHAPITRE 1 POMPES A CHALEUR AIR / AIR : CARACTERISTIQUES TECHNIQUES . 5
1.1 Cycle thermodynamique ...................................................................................................................... 6
1.1.1 Le principe ............................................................................................................................................. 6
1.1.2 Mode refroidissement - Fonctionnement réversible ............................................................................ 7
1.1.3 Composants du circuit frigorifique ........................................................................................................ 7
1.1.4 Diagramme enthalpique ...................................................................................................................... 11
1.1.5 Différentes technologies ..................................................................................................................... 12
1.2 Mode de givrage-dégivrage ............................................................................................................... 16
1.2.1 Le phénomène de givrage ................................................................................................................... 16
1.2.2 Méthodes de dégivrage ....................................................................................................................... 16
1.2.3 Dégivrage par inversion du cycle ......................................................................................................... 17
1.2.4 Conditions d’apparition du givre ......................................................................................................... 20
1.2.5 Chute de performance......................................................................................................................... 21
1.3 Différentes configurations de PAC air/air .......................................................................................... 22
1.3.1 Bi bloc ou Split ou mono-split .............................................................................................................. 22
1.3.2 Multi-split ............................................................................................................................................ 23
1.3.3 DRV ou VRF ou VRV ............................................................................................................................. 24
1.3.4 Différents types d’unités intérieures ................................................................................................... 26
1.4 Conclusion ......................................................................................................................................... 28
CHAPITRE 2 MOYENS UTILISABLES POUR MESURER LA PERFORMANCE
SAISONNIERE D'UNE PAC AIR/AIR ........................................................................................... 31
2.1 Mesure de débit aéraulique ............................................................................................................... 32
2.1.1 Anémomètre à fil chaud ...................................................................................................................... 32
2.1.2 Tube de Pitot ....................................................................................................................................... 37
2.1.3 Conclusion ........................................................................................................................................... 39
2.2 Mesures de débit du fluide frigorigène .............................................................................................. 40
2.2.1 Le débitmètre massique à effet de Coriolis ......................................................................................... 40
2.2.2 Débitmètre volumique à ultrasons : type temps de transit ................................................................ 43
2.2.3 Débitmètre volumique à ultrasons : type Doppler .............................................................................. 49
2.2.4 Conclusion ........................................................................................................................................... 51
i
2.3 Mesure de pression ........................................................................................................................... 52
2.3.1 Principe de fonctionnement ................................................................................................................ 52
2.3.2 Les caractéristiques ............................................................................................................................. 54
2.4 Mesure de température .................................................................................................................... 55
2.4.1 Thermomètre à résistance type Pt100 ................................................................................................ 56
2.4.2 Thermocouple ..................................................................................................................................... 57
2.4.3 Principe de mesure .............................................................................................................................. 58
2.4.4 Précision du mesurage de température par contact ........................................................................... 58
2.4.5 Conclusion ........................................................................................................................................... 60
2.5 Mesure d’hygrométrie ....................................................................................................................... 61
2.5.1 Notions de base ................................................................................................................................... 61
2.5.2 Hygromètres ........................................................................................................................................ 62
2.5.3 Conclusion ........................................................................................................................................... 65
2.6 Choix de moyens de mesure .............................................................................................................. 65
CHAPITRE 3 METHODES DE MESURE DES COEFFICIENTS DE PERFORMANCE
SAISONNIERS D’UNE PAC AIR/AIR ........................................................................................... 67
3.1 COP saisonnier ................................................................................................................................... 68
3.2 Méthodes internes ............................................................................................................................ 69
3.2.1 Débit du fluide frigorigène .................................................................................................................. 69
3.2.2 Variation d’enthalpie du fluide au condenseur ................................................................................... 71
3.2.3 Détermination du titre de vapeur ....................................................................................................... 72
3.2.4 Mesure non-intrusive de la pression ................................................................................................... 75
3.2.5 Méthodes internes en mode refroidissement ..................................................................................... 76
3.3 Méthodes externes ............................................................................................................................ 76
3.3.1 Débit d’air ............................................................................................................................................ 77
3.3.2 Variation des enthalpies de l’air .......................................................................................................... 78
3.3.3 Méthodes externes en mode refroidissement .................................................................................... 78
3.4 Les méthodes les plus prometteuses ................................................................................................. 79
3.5 Conclusion ......................................................................................................................................... 91
CHAPITRE 4 METHODE DE REFERENCE POUR LA MESURE DES PERFORMANCES
D’UNE PAC AIR/AIR ....................................................................................................................... 93
4.1 Principe de la méthode de référence ................................................................................................. 94
4.1.1 Mesures nécessaires ............................................................................................................................ 94
4.1.2 Concentration d’huile .......................................................................................................................... 95
4.1.3 Corrélations de taux de vide ................................................................................................................ 95
4.2 Validation expérimentale .................................................................................................................. 96
4.3 Conclusion ....................................................................................................................................... 115
ii
CHAPITRE 5 METHODES IN SITU POUR LA MESURE DES PERFORMANCES D’UNE
PAC AIR/AIR ............................................................................................................................... 117
5.1 Principe de la « méthode interne in situ » ....................................................................................... 118
5.1.1 Variation des enthalpies au condenseur ........................................................................................... 118
5.1.2 Débit du fluide frigorigène ................................................................................................................ 119
5.2 Principe de la « méthode externe in situ » ...................................................................................... 120
5.2.1 Débit volume de l’air ......................................................................................................................... 120
5.2.2 Variation des enthalpies .................................................................................................................... 121
5.3 Validation expérimentale ................................................................................................................ 122
5.3.1 Mesures « étalon » ............................................................................................................................ 123
5.3.2 Résultats expérimentaux. .................................................................................................................. 124
5.4 Conclusion ....................................................................................................................................... 148
CONCLUSIONS – PERSPECTIVES .............................................................................................. 151
ANNEXE A PRINCIPE DE MESURE DU DEBITMETRE A EFFET CORIOLIS ........... 153
ANNEXE B DETERMINATION DU TITRE DE VAPEUR D’UN FLUIDE FRIGORIGENE
DIPHASIQUE ................................................................................................................................ 159
ANNEXE C CALCULS D’INCERTITUDE AVEC LE CHAOS POLYNOMIAL ..................... 163
RÉFÉRENCES .................................................................................................................................. 173

iii

Introduction
INTRODUCTION GENERALE
Positionnement du sujet
Les pompes à chaleur (PAC) air/air souffrent d’une très mauvaise image auprès des pouvoirs publics
français ce qui leur a valu d’être éliminées du crédit d’impôt en 2009. Cette mauvaise image peut
être imputable aux retours d’expérience quasi inexistants de la performance saisonnière de ces
matériels en fonctionnement in situ.
Ce travail de thèse consiste donc à déterminer au moins une méthode de mesure in situ du
coefficient de performance (COP) saisonnier pour une PAC de type air/air pour le secteur résidentiel.
L’apport de ce travail permettra d’afficher la performance des pompes à chaleur air/air
résidentielles, ce qui pourrait modifier favorablement l’opinion des pouvoirs publics en France vis à
vis de cette technique, et influencer significativement le marché des PAC air/air, du moins si les
mesures in situ du COP saisonnier confirment les bonnes valeurs de COP saisonniers normatifs
mesurés sur les PAC air/air du marché.
La thèse contribue fortement au projet européen SEPEMO1 auquel participent plusieurs centres de
recherche et organisations s’intéressant aux énergies renouvelables. Cette thèse contribue
également au projet GEHP2 dans le contexte d’une collaboration entre EDISON et EDF R&D. Enfin, ce
travail s’inscrit dans un contexte plus global lié à la Directive Européenne 2009/28/CE de Décembre
2008 sur les énergies renouvelables dont les pompes à chaleur font partie. En effet, la part des
énergies renouvelables produite par les pompes à chaleur est calculée à partir du coefficient de
performance saisonnier. Il est donc important de bien connaître ce facteur.
Problématique
En France, le marché des PAC se développe car la performance des PAC est en principe plus élevée
que celle des systèmes de chauffage conventionnels.
On dispose actuellement, pour les pompes à chaleur air/air, de données sur le COP provenant de
tests en laboratoire dans les conditions normatives (EN14511 2008). Ces données peuvent être
considérées comme fiables et un certain nombre de produits affichent des coefficients de
performance satisfaisants. Par contre, certains essais in situ font état de COP saisonniers éloignés du
COP nominal affiché par les constructeurs. La validité de ces mesures reste à établir. Mais dans tous
les cas, la performance réelle du système installé ne dépend pas seulement de l’efficacité
« intrinsèque » de la PAC mais également des conditions climatiques, du besoin de chaleur
(température de confort souhaitée, niveau d’isolation du bâtiment), de la qualité d’installation des
appareils et des réglages qui sont réalisés. Enfin, la performance peut se dégrader au fil des années
d’utilisation en l’absence de maintenance appropriée.

1 SEasonal PErformance factor and MOnitoring for heat pump systems in the building sector, www.sepemo.eu
2 Gas Engine Heat Pump: en anglais, pompe à chaleur à moteur à compression de vapeur à moteur entraîné par
moteur à combustion interne fonctionnant au gaz naturel.
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