Modélisation et validation expérimentale d'une pompe à chaleur géothermique à expansion directe

Résumé

Les pompes à chaleur géothermique à expansion directe connaissent un regain d'intérêt depuis quelques années. Ces systèmes fonctionnent selon le cycle de réfrigération simple à compression de vapeur au même titre que les pompes à chaleur à boucle géothermique secondaire. La différence principale entre les deux technologies provient du fait que l'échangeur de chaleur géothermique est une composante intégrale du circuit frigorifique des systèmes à expansion directe. De ce fait, la dynamique de fonctionnement ainsi que les performances énergétiques et opérationnelles du système sont directement liées au comportement du fluide de travail, le fluide frigorigène, dans l'organe échangeur de chaleur réfrigérant-sol. La revue de littérature révèle que les recherches et publications scientifiques liées aux systèmes de pompe à chaleur géothermique à expansion directe sont peu nombreuses. Ainsi, tant au niveau de la modélisation que des résultats expérimentaux, l'information disponible ne permet pas d'obtenir une appréciation scientifique satisfaisante à l'égard de cette technologie. L'objectif du présent travail consiste à obtenir des résultats expérimentaux traitant du fonctionnement de ces systèmes ainsi qu'à développer un modèle numérique détaillé de l'échangeur de chaleur réfrigérant-sol. Ces résultats permettront de comprendre et d'analyser la complexité du fonctionnement dynamique de ces systèmes, particulièrement pour l'échangeur réfrigérant-sol, ainsi que de proposer un outil de modélisation offrant la possibilité de réaliser des simulations paramétriques pour l'analyse et/ou le développement de cet organe. Le système étudié dans ce travail est une unité commerciale disponible et a la capacité de fonctionner soit en mode chauffage, soit en mode climatisation. Lors du fonctionnement en mode chauffage, l'échangeur réfrigérant-sol assure le rôle de l'évaporateur et est constitué de trois boucles géothermiques en parallèle possédant chacune leur valve de détente thermostatique dédiée. Lors du fonctionnement en mode climatisation, l'échangeur réfrigérant-sol assure le rôle du condenseur et est constitué soit d'une seule boucle ou une combinaison de deux boucles géothermiques en parallèle. Le choix de cette combinaison est effectué par l'ordinateur de bord du système selon une séquence de contrôle préétablie par le manufacturier. L'échangeur de chaleur réfrigérant-sol possède la particularité d'avoir un transfert de chaleur diffusif et transitoire avec le sol à la frontière externe du fluide frigorifique. Les modèles de simulation développés et disponibles dans la littérature traitent majoritairement un problème convectif à la frontière externe du fluide frigorifique. Le développement d'un modèle numérique intégrant les équations gouvernantes de continuité, de quantité de mouvement et d'énergie pour le fluide frigorifique ainsi que du transfert de chaleur diffusif dans le sol, constitue une contribution du travail actuel. Dans l'objectif d'obtenir des résultats expérimentaux de fonctionnement du système, un banc d'essai possédant une instrumentation exhaustive a été conçu. Une multitude de tests expérimentaux ont été réalisés afin d'obtenir des résultats pour le fonctionnement du système en mode de chauffage et de climatisation. Des tests expérimentaux particuliers ont été réalisés sur le banc d'essai avec comme objectif l'obtention de résultats permettant d'analyser le fonctionnement dynamique des boucles géothermiques pour les deux modes de fonctionnement. Les résultats expérimentaux obtenus, en plus de permettre de documenter les performances opérationnelles du système, ont permis de comparer les résultats du modèle numérique de simulation développé.

Date	10 août 2011
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Louis Lamarche (Directeur(-trice)) & Stanislaw Kajl (Codirecteur(-trice))