Banc d’essais de la PAC air/eau prototype

Vue globale du banc d’essais

Les travaux expérimentaux ont été menés de manière légèrement décalée au CEP et chez ACE. Comme le montre la photo 4.1, le banc d’essais qui a été réalisé au CEP par mes soins n’a pas été « compacté » pour réaliser aisément les mesures de débits, de pressions et de températures. Par contre, chez ACE, dès que les premières données de calcul ont permis de dimensionner les échangeurs, un deuxième prototype a été réalisé dans des dimensions correspondant aux PAC commercialisées par ACE. Le schéma de réalisation est conforme au schéma de principe de la figure 2.8. Les fonctionnalités du cahier des charges sont respectées, à savoir fourniture d’eau chaude sanitaire et d’eau de chauffage à des températures proches de 60 °C. Photo 4.1 – Vue globale de la PAC, CEP. De plus, l’installation est aussi conçue pour un fonctionnement en machine frigorifique, ce qui correspond à l’offre de matériels d’ACE. Deux vannes 4 voies sont installées pour permettre l’inversion du cycle et le contrôle de puissance par ajustement de la composition dans le réservoir basse pression (bouteille anti-coup liquide).

Conception des systèmes auxiliaires

Afin de limiter le nombre des systèmes auxiliaires de chauffage et de refroidissement ainsi que les consommations d’énergie associées, un système de compensation thermique a été mis au point où la chaleur de condensation compense la chaleur d’évaporation. De ce fait, il faut utiliser une source froide additionnelle (échangeur à eau de ville) pour équilibrer le système, la puissance thermique de condensation étant supérieure à la puissance thermique d’évaporation puisqu’elle inclut l’énergie fournie par le compresseur. La figure 4.1 présente ce système de compensation. En mode chauffage, l’air refroidi à l’évaporateur est chauffé par l’eau chaude à la sortie du condenseur dans un échangeur tubes-ailettes de type air-eau. La température de l’eau à l’entrée du condenseur est contrôlée par un échangeur auxiliaire à plaques de type eaueau. Les boucles d’eau de chauffage et d’ECS sont présentées à la figure 4.2. Eau de ville Compresseur Evaporateur Echangeur (air-eau) Echangeur (eau-eau) Qee Qd Qae Qcomp Qevap Qcond Condenseur Frigorigène Air Eau Echangeur (chauffage) Pompe Echangeur (eau-eau) Echangeur (air-eau) Débitmètre Pompe Echangeur (ECS) Débitmètre Eau de ville Ballon d’ECS Figure 4.1- Schéma du circuit de récupération d’énergie Figure 4.2- Circuit hydraulique du banc d’essai L’application des équations de conservation d’énergie (Eq. (4.1), (4.2) et (4.3)) au mélange frigorigène, à l’eau et à l’air permet de calculer l’énergie récupérée par l’échangeur à plaques eau-eau et par l’échangeur tubes-ailettes air-eau. Les pertes calorifiques entre l’air refroidi et l’air ambiant, sont désignées par Qd , Qee et Qae sont les valeurs positives de l’énergie récupérée dans les échangeurs eau-eau et air-eau respectivement. Bilan sur le frigorigène Q =Q -Q +Q =0 frigorigène comp cond evap [4.1] Bilan sur l’eau Q =Q -Q -Q =0 eau cond ee ae [4.2] Bilan sur l’air Q =-Q +Q +Q =0 air evap ae d [4.3] En simplifiant les équations (4.1), (4.2) et (4.3) on obtient : Q =Q +Q ee d comp [4.4] Q =Q -Q ae evap d [4.5]  Les équations (4.4) et (4.5) montrent que l’échangeur à plaques eau-eau doit récupérer les pertes de la boucle d’air et la puissance transférée au fluide frigorigène par le compresseur. D’autre part, l’échangeur air-eau récupère la puissance de l’évaporateur moins les pertes de la boucle d’air de façon à maintenir constante la température de l’air à l’entrée de l’évaporateur.

 La préparation du prototype aux essais

La PAC a été soigneusement instrumentée pour mesurer les différentes grandeurs nécessaires pour le calcul des performances. L’étanchéité de l’installation a été vérifiée. La machine a ensuite été chargée en R-407C. Dans cette partie, sont présentés successivement : • le circuit électrique, l’instrumentation et l’acquisition des mesures, • le chargement de la PAC en R-407C, • les consommations des auxiliaires.

Circuit électrique et pilotage de la PAC 

Le circuit électrique Les essais ont été réalisés en régime permanent. Ainsi, les commandes marche/arrêt des différents composants se font manuellement par des interrupteurs placés sur la façade de la boite électrique. La seule régulation de la PAC est celle des détendeurs électroniques. Le schéma électrique de puissance est présenté en annexe 6. Pour la sécurité du système, un pressostat de sécurité HP a été installé en série avec tous les contacteurs. Ce pressostat a été réglé à une valeur de 3,2 MPa. ¾ L’instrumentation et l’acquisition des mesures L’instrumentation comporte : • 34 mesures de température avec des sondes platines (Pt100) (15 mesures intrusives sur le fluide frigorigène, 6 mesures sur l’air (3 en entrée et 3 en sortie de la batterie ailetée) et 13 mesures intrusives sur l’eau de chauffage, l’ECS et le système auxiliaire) ; • 2 mesures de puissance électrique sur les 2 compresseurs basse pression et haute pression ; • 10 mesures de pression sur le circuit frigorifique avec des capteurs de pression de type KELLER 3 MPa à 4 Mpa ; • 4 mesures de débit (débit d’eau de chauffage, débit d’eau chaude sanitaire, débit de fluide frigorigène au condenseur et débit de fluide frigorigène injecté à l’économiseur). L’acquisition de ces données s’effectue par des modules Field Point (de National Instruments) et par un module de communication de type Keller relié directement à l’ordinateur (pour les capteurs de pression). Le schéma du circuit de commande et d’acquisition est présenté en annexe 6. La configuration des modules Field Point est la suivante : • 1 module FP-1601, ce module fait le lien entre les autres modules d’acquisition et l’ordinateur ; • 5 modules FP-RTD qui permettent la mesure des températures. Les sondes utilisées sont des PT100 4 fils. • 1 module FP-AO-200, ce module permet de générer un signal 4-20 mA. Ces signaux sont envoyés aux contrôleurs qui pilotent les moteurs « pas à pas » des détendeurs. • 1 module FP-AI-110 qui permet l’acquisition du signal 4-20 mA. Il reçoit les signaux envoyés par les débitmètres et les wattmètres.