Analyse et modélisation d'une pompe à chaleur géothermique à expansion directe

Résumé

Une pompe à chaleur géothermique à expansion directe (PACG DX) fonctionne selon un cycle thermodynamique à compression de vapeur comme celle à boucle secondaire (PAC SL). Cependant, elle possède une particularité qui la distingue de son homologue à boucle secondaire du fait que l’échangeur de chaleur au sol est un composant intégral de cette pompe à chaleur, ce qui rend ce système complexe car il est le siège direct de phénomènes diphasiques. Malgré les avantages qu’elle procure par rapport au PAC SL, et vu les statistiques sur l’évolution du nombre de PACG géothermiques installées dans le monde en général, le constat est que les pompes à chaleur géothermiques à expansion directe restent encore peu utilisées à cause non seulement des coûts initiaux d’investissement élevés mais aussi à cause du manque de recherches et d’informations techniques sur sa performance. Cette thèse, loin de combler tous les déficits d’information à l’égard de cette technologie, a pour but d’analyser et de proposer un modèle de simulation de cette pompe à chaleur géothermique à expansion directe. Pour atteindre ces objectifs, ce travail est structuré en trois parties qui représentent les principaux axes de cette recherche. Dans une première phase, une analyse de performance mettant en exergue les potentialités d’une pompe à chaleur DX ainsi que l’influence de certains paramètres d’influence sur sa performance ont été réalisées. L’échangeur de chaleur géothermique est constitué de trois boucles géothermiques de 30 m de profondeur, installées en parallèle. Les essais successifs réalisés entre 2010 et 2014 ont permis de montrer que le coefficient de performance de la pompe à chaleur varie entre 2,70 et 3,44, avec une moyenne quotidienne de 2,87. La capacité de chauffage atteint une moyenne quotidienne de 8,04 kW, pour un débit de l’eau de refroidissement constant de 0,38 L.s-1. Le taux d'extraction de la chaleur au sol a atteint une moyenne de 58,2 W.m-1. Les effets de certains facteurs comme la température et le débit de l'eau de refroidissement au condenseur, la température de condensation, la chute de pression dans l'évaporateur, les propriétés thermiques des sols, sur les performances de la PACG DX sont également présentées. Enfin, une étude comparative entre l'utilisation de l'électricité et de la PACG DX comme source de chauffage domestique, montre que la PACG DX réalise des économies d'environ 70 % par rapport à l'électricité. Dans une deuxième partie, les réseaux de neurones artificiels ont été sélectionnés pour modéliser la PACG DX en mode chauffage. Le but étant de développer un modèle servant à simuler et à élaborer des stratégies de contrôle pour une utilisation plus efficiente de la PAC. La méthodologie de collecte de données basée sur le plan expérimental de Taguchi et les algorithmes utilisés ont été présentés. Parmi les quatre algorithmes testés dans cette étude avec un nombre variable de neurones dans la couche cachée, l'algorithme de Levenberg-Marquardt (LM) avec 28 neurones dans la couche cachée semble être le meilleur avec un coefficient moyen de déterminations multiples d'environ 0,9991, une RMS moyenne de 0,1633 et une moyenne de coefficient de variance COV de 2,9319. Enfin, une analyse comparative de la performance d’évaporateur géothermique à expansion directe utilisant le R410A, le R407C et le R22 comme réfrigérants a été présentée dans la troisième partie. L'objectif principal est de retenir le meilleur réfrigérant capable de remplacer R22 qui sera bientôt éliminé en raison de l’entrée en vigueur du protocole de Montréal depuis 1989. Un modèle de l'évaporateur géothermique développé et validé par notre équipe de recherche a été mis à jour afin de prendre en compte les nouveaux fluides de substitution au R22. Les résultats de simulation montrent que pour des débits faibles du réfrigérant, l’évaporateur DX au R410A présente de meilleures performances par rapport à celui au R22. De la chute de pression et des surchauffes enregistrées dans l'évaporateur R407C, on peut conclure que le R407C est le meilleur fluide pour remplacer le R22 dans le domaine des pompes à chaleur géothermiques à expansion directe. Cependant, le R410A serait le meilleur choix pour la conception de nouveaux systèmes géothermiques à expansion directe afin de minimiser les chutes de pression, en particulier pour des débits élevés de fluide frigorigène et pallier aussi les problèmes de haute pression qu’engendrent son utilisation. Les résultats des travaux présentés dans cette thèse sont sous forme de trois articles. Le premier et le deuxième article sont publiés dans la revue Energy and Buildings, et le troisième a été soumis au journal Applied Thermal Engineering. Deux autres articles ont été publiés dans des comptes-rendus de conférences avec comité de lecture. Le premier qui décrit la modélisation et la validation de l’échangeur réfrigérant-eau dans l’environnement du logiciel Comsol et le deuxième qui expose comment la méthodologie des plans optimaux de Taguchi a été exploitée pour déterminer les conditions optimales de fonctionnement de la PACG DX. Ces deux articles sont disponibles en annexe. Enfin, le présent travail est structuré principalement en 4 chapitres distincts qui sont détaillés dans les différentes parties de la thèse.

Date	11 mars 2015
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Louis Lamarche (Directeur(-trice)) & Stanislaw Kajl (Codirecteur(-trice))