Modélisation des pompes à chaleur air-air

Introduction L’étude des possibilités de récupération de chaleur par voie thermodynamique nécessite, on l’a vu au chapitre précédent, de disposer d’un modèle global intégrant à la fois un modèle d’enveloppe et un modèle de PAC qui interagissent l’un avec l’autre. L’utilisation de l’air des zones tempérées du bâtiment comme source froide de la pompe à chaleur tend à réduire leur température et à augmenter les déperditions de chaleur avec l’espace chauffé. Cependant la PAC fonctionne dans des conditions plus favorables, délivre plus de chaleur, et consomme moins d’énergie. La modélisation classique du couple système/enveloppe, essentielle dans l’évaluation des consommations futures d’énergie des bâtiments, suit généralement la structure présentée figure 24, inspirée de [ASHR2005] [GARD2001]. Cette structure dans le cas de la récupération de chaleur fait apparaître de nouvelles interactions spécifiques à cette problématique qu’il est essentiel de prendre en compte. La première étape repose sur le calcul des besoins de chauffage, qui correspondent à la quantité d’énergie qui doit être apportée aux locaux à chauffer pour satisfaire le confort thermique. Dans notre cas, elle est réalisée par l’outil de simulation dynamique de thermique du bâtiment Pléiades+Comfie [PEUP1990]. La seconde étape consiste à traduire les besoins de chauffage en une charge thermique nécessaire à l’entrée du réseau de distribution et d’émission de la chaleur (appelé système secondaire) prenant en compte les pertes ou gains de chaleur le long de celui-ci. On verra qu’avec un jeu d’hypothèses adapté, cette étape pourra être simplifiée. Un lien direct pourra être fait entre les besoins de chauffage et le système primaire de production de chaleur, notamment lorsque le vecteur d’énergie se trouve être de l’air. La troisième étape a pour objet d’étudier le comportement du système primaire de production de chaleur, c’est-à-dire la PAC, sur l’ensemble du spectre de son fonctionnement en vue d’estimer ses consommations d’énergie sur une période de simulation données. Le présent chapitre se focalise sur cette troisième étape et le développement d’un modèle de PAC air-air comme système de production de chaleur. Les nouvelles interactions système/enveloppe à prendre en compte dans le cadre de l’étude de la récupération de chaleur, nécessitent une adaptation des modèles déjà existants, habituellement utilisés dans des configurations de mise en œuvre standard. Ce chapitre présente la démarche suivie dans le choix et l’amélioration de modèles pertinents de PAC pour leur intégration dans le logiciel de thermique du bâtiment COMFIE.  Une analyse bibliographique fait apparaître les différents modèles d’ores et déjà disponibles dans la littérature. Leur niveau de détail, les données techniques nécessaires à leur paramétrage, ainsi que leur concordance avec le cahier des charges préalablement établi (§ 7, chapitre 1), orientent la sélection vers plusieurs modèles qu’il convient d’analyser, de comparer et d’améliorer le cas échéant. Ces modèles sont empiriques ou semi-empiriques et prévoient le comportement de la PAC sur l’ensemble de ses modes de fonctionnement: pleine charge, charge partielle, givrage/dégivrage. Ces modèles nécessitent pour leur paramétrage une série de points de fonctionnement représentative des différents régimes de fonctionnement. Ces points peuvent provenir de catalogues constructeurs, de tables de puissances et de performances issues de modèles détaillés, ou de résultats de travaux de la littérature. L’analyse de ces différentes sources d’informations, souvent imprécises quant à leur réel contenu (on le verra notamment en ce qui concerne les données catalogues de constructeurs), orientent le choix de points de fonctionnement vers des résultats issus d’un modèle détaillé pour le régime de fonctionnement à pleine charge, et de résultats de travaux de la littérature pour le régime de fonctionnement à charge partielle, et concernant la dégradation des performances des cycles de givrage/dégivrage. Ce chapitre présente la méthode ayant mené au choix d’un modèle adapté de PAC, sur la base d’une compilation de modèles existants et d’amélioration concernant les aspects de fonctionnement à charge partielle et de dégradation des performances des cycles de dégivrage. 

Cadre et restrictions

Seule la modélisation des systèmes de PAC air/air équipée ou non d’inverter est étudiée. Ce postulat permet de simplifier l’approche de modélisation exposée figure 24, se plaçant dans le cas d’un système de pompe à chaleur de type split avec l’unité intérieure placée en plénum, permettant de simplifier la modélisation du système de distribution et d’émission. Le vecteur air étant à faible inertie, un réseau minimal permet de considérer le système de distribution et d’émission comme parfait, et de supposer que l’intégralité de la puissance calorifique délivrée par l’unité intérieure contribue au chauffage des locaux. Les performances d’une PAC dépendent d’un grand nombre de paramètres : les sollicitations climatiques, ses caractéristiques internes, les technologies de composants qui le constituent et de leur dimensionnement, les moyens de régulation en place pour la contrôler, son dimensionnement par rapport aux locaux à chauffer, le comportement thermique de ces locaux à chauffer, la mise en œuvre, la distribution de la chaleur. On s’attachera à l’étude des performances de systèmes conçus a priori, dont les paramètres internes ont été fixés par le concepteur et pour lesquels on dispose des données usuellement communiqués par les constructeurs. 

Analyse des données constructeurs

Définitions préalables Auparavant il semble nécessaire de présenter et d’éclaircir une série de termes et définitions utilisés dans la suite du rapport, caractérisant les conditions et le régime de fonctionnement d’une PAC dans le cadre d’essais normalisés ou non. Ce sera l’occasion de mener une réflexion de fond sur l’interprétation des données disponibles auprès des fabricants, et des liens qui peuvent être établis entre ces données et leur utilisation pour le développement de modèles numérique de PAC. 

Conditions de fonctionnement

Les conditions de fonctionnement sont relatives à l’état des sources chaudes et froides de la PAC. Elles sont indépendantes de son régime de fonctionnement et peuvent être nominales ou non-nominales. Le régime de fonctionnement, quant à lui, est relatif à la vitesse de rotation et donc au régime de fonctionnement du compresseur. -61- Il peut être à charge partielle, à pleine charge, et dans certains cas au delà de la pleine charge (voir paragraphe 4.2.2.). 3.1.1.1. Conditions nominales On définit la performance nominale comme la « performance mesurée dans les conditions d’essais appropriées » définies par la norme NF EN 14511. Ce sont les « conditions obligatoires utilisées pour le marquage à des fins de comparaison ou de certification ». La puissance nominale est alors définie comme la « puissance mesurée dans les conditions de performance nominale » pour un régime de fonctionnement du compresseur donné. Pour les pompes à chaleur air-air en mode chauffage, les conditions d’essais nominales sont rappelées dans le tableau 5. On notera par la suite les conditions d’essais sous la forme : température sèche coté extérieur / température sèche coté intérieur. Échangeur thermique extérieur Échangeur thermique intérieur Température sèche à l’entrée [°C] Température humide à l’entrée [°C] Température sèche à l’entrée [°C] Température humide à l’entrée [°C] 7 6 20 15 max Tableau 5: Conditions de performance nominale [NF14511]

Conditions non-nominales

On définit la performance non-nominale comme la performance mesurée dans les conditions autres que celles précisées dans les conditions de performance nominale. « Les fournisseurs peuvent en outre indiquer (…) [d’autres points de fonctionnement que celui dans les conditions de performance nominales] s’ils ont effectué des essais dans d’autres conditions, déterminées conformément aux procédures d’essais des normes harmonisées ». La norme NF EN 14511 définit également les conditions de « performance d’ application » comme les « conditions de performance qui sont obligatoires si elles se trouvent dans les limites du domaine de fonctionnement de l’appareil. Des résultats basés sur les conditions de performance d’application sont publiés par le fabricant ou le fournisseur » toujours pour un régime de fonctionnement du compresseur précisé par le fabricant. Les conditions d’essais de performance d’application sont des points particuliers des conditions de fonctionnement non-nominales et sont rappelés dans le tableau 6. -62- Échangeur thermique extérieur Échangeur thermique intérieur Température sèche à l’entrée [°C] Température humide à l’entrée [°C] Température sèche à l’entrée [°C] Température humide à l’entrée [°C] 2 1 20 15 max -7 -8 20 15 max -15 – 20 15 max Tableau 6: Conditions de performance d’application [NF14511] 3.1.2. Régime de fonctionnement Le régime de fonctionnement est relatif à la vitesse de rotation et donc au régime de fonctionnement du compresseur. Il peut être à pleine charge, à charge partielle, et dans certains cas au delà de la pleine charge

Pleine charge et au delà de la pleine charge

Pour les systèmes à vitesse constante, le régime de fonctionnement du compresseur est bivalent. Il est soit en mode « marche » soit en mode « arrêt ». Le mode marche correspond au régime de fonctionnement du compresseur à la puissance maximale, c’est-à-dire à pleine charge. Pour les systèmes à vitesse variable « le fabricant donne des instructions pour le réglage de la fréquence pour chaque condition de performance » [NF14511]. Pour ces systèmes, on désignera le régime de fonctionnement à pleine charge comme celui précisé par le fabricant au moment des essais dans les conditions de performance nominale. Ce régime n’étant pas forcément celui à puissance maximale, on laissera la possibilité dans le cas des systèmes variables de désigner par fonctionnement au delà de la puissance à pleine charge, le fonctionnement à un régime de fonctionnement du compresseur supérieur à celui précisé par le fabricant au moment des essais dans les conditions nominales. Selon certains constructeurs, un fonctionnement au delà des conditions nominales est possible jusqu’à 120% de la puissance nominale.

Charge partielle

Le fonctionnement à charge partielle correspond au régime de fonctionnement inférieur au régime de fonctionnement nominal. Ce régime de fonctionnement bien que prépondérant sur la durée de vie d’une PAC n’est soumis à aucun test normalisé. Une norme expérimentale [XP14825] venant compléter les essais à pleine charge dans les conditions nominales est cependant disponible pour les constructeurs souhaitant d’ores et déjà effectuer les tests de leur machine à charge partielle.