Étude et modélisation d'une pompe à chaleur géothermique à expansion directe au CO2

Résumé

La demande d’énergie en perpétuelle expansion et l’appauvrissement des ressources naturelles forcent le monde scientifique à développer des technologies de chauffage moins coûteuses en énergie, comme les pompes à chaleur géothermique à expansion directe. La complexité de l'étude des PAC géothermique à expansion directe (DX) provient du fait que le fluide frigorifique change de phase dans l'échangeur présent dans le sol et que le fonctionnement est transitoire. Cela peut devenir encore plus complexe avec des fluids frigorigènes comme le CO2, qui possèdent souvent un cycle transcritique. Dans cette étude, une méthode d’analyse d’une PAC DX au R22 et au CO2 va être présentée. Celle-ci se basera sur une modélisation transitoire de la PAC DX. Cette méthode d’analyse permettra un meilleur développement de cette technologie dans l’industrie. Un état de l’art des différents aspects de cette étude a été réalisé, cela a permis de developer une méthodologie permettant de répondre aux objectifs définis sous forme de trois articles de revue. Une première étude sur l’échangeur de chaleur sol-réfrigérant R22 en mode chauffage a été réalisée en 2014. Un modèle numérique a été développé sous Comsol Multiphysic 4.2. Les résultats théoriques et ceux de mesures obtenues sur une pompe à chaleur géothermique à expansion direct existante à l’ETS ont été comparés pour valider ce modèle. La concordance entre les résultats théoriques et ceux de mesures est très acceptable étant donné que la différence sur la valeur du flux ne dépasse pas les 10%. Une étude paramétrique a ensuite été réalisée pour permettre l’optimisation du transfert de chaleur dans le sol. La conclusion de cette étude est que pour avoir un flux de chaleur extrait important, il faut une longueur optimale (évaporation complète avec une surchauffe faible), faible d’inclinaison du puits (donc moins de perte de charge dans l’échangeur) et un débit massique faible. Ce modèle a été ensuite utilisé pour une étude complète d’une PAC géothermique DX au R22 en mode chauffage. Les résultats de cette étude ont fait l’objet d’un deuxième article. Ce modèle comprend les quatre éléments de la PAC géothermique: l’échangeur eau-réfrigérant, l’échangeur géothermique, le compresseur et le détendeur. La complexité de cette etude provient principalement de la méthode de couplage des différents composants et du contrôle de la surchauffe à l’entrée du compresseur. Ce modèle a ensuite été validé avec les résultats d’un test similaire à celui du premier article. Encore une fois, les différences des résultats entre le modèle et l’expérience sont très faibles, proches de 15% pour les flux de chaleur. Ce modèle nous a permis de réaliser une étude paramétrique sur la géométrie du puits. On a conclu que pour avoir une meilleure combinaison de COP et de Qh, les puits doivent avoir, une longueur permettant une surchauffe faible et le plus grand espacement possible entre les tuyaux sans augmenter le diamètre du puits. Enfin une étude sur une PAC géothermique DX au CO2 en mode chauffage a été réalisée en développant un modèle basé sur le modèle précédent. Ce modèle possède un cycle totalement diffèrent des précédentes études, avec un cycle transcritique et un échangeur intermédiaire entre haute et basse pression. Des résultats expérimentaux générés par plusieurs tests realizes à CANMET Énergie à Varennes ont permis de valider ce modèle. Deux études ont été réalisées par la suite : une étude paramétrique sur l’échangeur de chaleur intermédiaire ainsi qu’une étude sur un nouveau algorithme de contrôle de la pression optimale à la sortie du compresseur. Cela a permis de déterminer que pour un comportement optimal, combinaison de COP et Qh élevé, le débit total doit passer dans l’échangeur intermédiaire et le nouvel algorithme créé pour la pression de sortie de compresseur doit être utilisé. Pour conclure, les systèmes de PAC géothermique DX ont été étudiés avec différentes configurations, cycle Carnot traditionnel ou transcritique avec CO2. Deux différents modèles numériques transitoires ont été validés avec des résultats d’expériences. Cela a permis de tirer de nombreuses conclusions sur les performances et proposer des recommandations pour la conception de ces systèmes. Une méthode de dimensionnement plus complexe pourra même être réalisée en utilisant ces modèles numériques dans une future étude.

Date	6 sept. 2017
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Louis Lamarche (Directeur(-trice)) & Mohamed Ouzzane (Codirecteur(-trice))