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

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Rousseau, Clément (2017). Étude et modélisation d'une pompe à chaleur géothermique à expansion directe au CO2. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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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.

Titre traduit

Modeling and experimental validation of a transient direct expansion heat pump with CO2

Résumé traduit

Geothermal heat pump technology is currently one of the most interesting technologies used to heat buildings. There are two designs used in the industry: geothermal heat pumps using a secondary ground loop and Direct Expansion (DX) ground source heat pump. The latter is less used, with one of the possible reasons being that less research has carried out into the design of this sort of heat pump. In this study, a DX ground source heat pump CO2 was analyzed to fill this gap. After a review of the state of the art of the aspect, three articles are going to respond to the objective of this study:
- Development of a transient ground evaporator model with R22 and CO2;
- Development of a DX geothermal heat pump model with R22;
- Development of a DX geothermal heat pump model with CO2;
- Analysis of a transient DX geothermal heat pump with CO2 in heating mode.

In the first phase, a model of a transient ground exchanger in the evaporator mode with R22 was developed. This model was validated using a comparison with an experiment realized in the CTT of ÉTS Montréal. The difference between the output of the model (heat extraction and pressure drop) and the experiment was less than 10%. After that, a parametric study shows that to optimize the heat extraction; the length of the borehole needs to be optimal (complete evaporation with a small superheat), the angle between the borehole and the horizontal and the mass flow rate need to be small.

This model was used in the second part of this thesis to create a complete transient model of a DX heat pump in heating mode using R22. This model contained the four elements of the heat pump: exchanger R22-water, the geothermal exchanger, the compressor and the expansion valve. The complexity of this study is the transient coupling between this model and the control of the superheat at the entry of the compressor during time. Again here, this model was validated using a comparison with an experiment; the difference was low (less than 15%) for a 24-hour test. Using this model, a parametric study of the geometry of the ground exchanger was developed. In conclusion, to have the best heat extraction of the ground, the pipes shank spacing need to be maximized without increasing the borehole diameter.

The last part of this thesis is a study of a DX geothermal heat pump using CO2 using the model previous developed. The thermodynamic cycle is changed in this model; a transcritical cycle is used with an intermediate heat exchanger between the high and low pressure. This model was validated using tests realized in CANMET Énergie at Varennes. A study on the use of the intermediate exchanger and a new control law of the pressure in the gas cooler were developed. This study concludes that to have the best performance, the intermediate heat exchanger needs to be used at 100% (all the flow going to the exchanger) and the new law created needs to be implemented in the valve control system.

To conclude, the DX geothermal heat pump was been studied with different configurations: Carnot cycle and transcritical cycle with CO2. Two transient models were developed and validated using experimental results. Using these models a lot of recommendations for the design of this technology was developed. A more complex design method can be developed using these models in a future study.

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 de doctorat en génie". Bibliographie : pages 116-123.
Mots-clés libres: Pompes géothermiques. Pompes géothermiques Modèles mathématiques. Fluides frigorigènes. Gaz carbonique. Échangeurs de chaleur Modèles mathématiques. Chaleur Transmission Modèles mathématiques. Chauffage géothermique. 22, direct, expansion, r22, pompe à chaleur géothermique, modélisation, CO2
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Lamarche, Louis
Codirecteur:
Codirecteur
Ouzzane, Mohamed
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 21 févr. 2018 19:54
Dernière modification: 21 févr. 2018 19:54
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2002

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