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

Fannou, Jean-Louis Comlan (2015). Analyse et modélisation d'une pompe à chaleur géothermique à expansion directe. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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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.

Résumé traduit

A direct expansion geothermal heat pump (DX GHP) operates on a thermodynamic vapor compression cycle as the secondary loop geothermal heat pump (SL GHP). However, it has a feature that distinguishes it from its counterpart in secondary loop. The ground heat exchanger is an integral component of the heat pump, which makes this complex system because the ground is the seat of two phase flow phenomenon.

Despite its benefits compared to SL GHP and according to the statistics in the number of geothermal heat pumps installed worldwide in general, the conclusion is that direct expansion geothermal heat pumps are still not often used because of lack of research and technical information on its performance.

This thesis, far from filling all information gaps with regard to the technology, aims to analyze and propose a simulation model of the geothermal heat pump direct expansion. To achieve these objectives, this paper is structured in three parts that are the main focus of our research.

In a first phase, a performance analysis highlighting the potential for a R22 DX heat pump and the influence of some parameters impacting its performance have been made. The geothermal heat exchanger consists of three geothermal loops 30 m deep, installed in parallel. Successive tests between 2010 and 2014 have shown that the coefficient of performance of the heat pump varies between 2.70 and 3.44, with a daily average of 2.87. Heating capacity reached a daily average of 8.04 kW for a cooling water flow rate of 0.38 L.s-1. The heat extraction rate from ground reached an average of 58.2 W.m-1. The impact of factors such as the cooling water temperature and flow rate of the condenser, the condensation temperature, the pressure drop in the evaporator, the thermal properties of soil on the performance of DX GHP are also presented. Finally, a comparative study between the use of electricity and DX GHP as a source of domestic heating shows that DX GHP realizes savings of approximately 70 % compared to electricity.

In the second part, artificial neural networks were selected to model the DX GHP in heating mode. The goal is to build a model that simulate and develop control strategies for a more efficient use of the heat pump. The methodology of data collection based on the experimental design and Taguchi algorithms has been presented. Among the four algorithms tested in this study with a variable number of neurons in the hidden layer, the Levenberg-Marquardt (LM) with 28 neurons in the hidden layer seems to be the best with an average coefficient of multiple determinations (R2) of approximately 0.9991, an average root mean square (RMS) of 0.16330 and an average coefficient of variance (COV) of 2.9319.

Finally, a comparative analysis of the performance of direct expansion geothermal evaporator using R410A, R407C and R22 as refrigerants has been presented in the third part. The main goal is to choose the best refrigerant that can replace R22. The later will be soon to be eliminated under the entry into force of the Protocol of Montreal signed in 1989. A geothermal evaporator model developed and validated by our research team has been updated to take into account of new media alternatives to R22. The simulation results show that for a low refrigerant flow rate, a R410A DX evaporator shows a better performance than R22. From the pressure drop and the superheating recorded, it is concluded that R407C is the best fluid to replace R22 in the field of DX GHP. However, R410A would be a better choice for new DX systems designed to minimize pressure drop especially for high refrigerant flow rates and to solve the high pressure problems by reducing the compressor size.

The results of this thesis are presented in the form of three articles. The first two articles are published in the journal Energy and Buildings and the third was submitted to Applied Thermal Engineering journal. Two other articles have been published in reports of refereed conferences. The first one describes the modeling and validation of the water-refrigerant heat exchanger in the Comsol software environment and the second one outlines how the methodology of optimal Taguchi plans has been exploited to determine the optimum operating conditions of the DX GHP. Both papers are available in the Appendices. Finally, this work is structured principally into four separate chapters that will be detailed in different parts of the thesis.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 185-212.
Mots-clés libres: Pompes géothermiques Modèles mathématiques. Échangeurs de chaleur Modèles mathématiques. Réseaux neuronaux (Informatique) Évaporateurs. Fluides frigorigènes. géothermie, pompe à chaleur, expansion directe (DX), chauffage, réseau de neurones, évaporateur DX, R410A, R407C
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Lamarche, Louis
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Kajl, Stanislaw
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 23 avr. 2015 16:10
Dernière modification: 14 mars 2017 19:52
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1460

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