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

Beauchamp, Benoit (2011). Modélisation et validation expérimentale d'une pompe à chaleur géothermique à expansion directe. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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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.

Résumé traduit

Direct expansion ground source heat pumps are a technology which is actually gaining interest among scientific community. These systems operate on the well-known simple vapor compressor refrigeration cycle. The most popular heat pumps using a secondary ground loop also operate on the simple vapor compressor refrigeration cycle. The main difference between both technologies is that the ground heat exchanger is an integral component of the refrigeration cycle for the direct expansion systems. Therefore, the energetic and operational performances of the system are directly related to the working fluid behavior, the refrigerant, in relation with the diffusive ground heat transfer.

The literature review indicates that scientific researches and publications related to direct expansion ground source heat pumps are limited. Therefore, regarding experimental results as well as simulation models, the actual information available in the scientific literature is not sufficient in order to obtain a satisfactory scientific appreciation of the technology.

The main scope of the actual work is obtaining scientific experimental results regarding operational characteristics of such systems and also developing a numerical simulation model of a refrigerant-ground heat exchanger. The obtained experimental results will permit the analysis and comprehension of the complex dynamic operational characteristic of such systems, mainly regarding the refrigerant-ground heat exchanger. The simulation model developed will offer the possibility to realize parametric simulation for either the analysis or the development of refrigerant-ground heat exchanger.

The system studied in this work is an available commercial unit and has the possibility to operate in both heating and cooling mode. When used in heating mode, the refrigerantground heat exchanger is the evaporator and consists of three ground loops in parallel having their own dedicated thermostatic expansion valve. When used in cooling mode, the refrigerant-ground heat exchanger is the condenser and consists of either one or a pair of ground loops in parallel. The operational situation is controlled by the onboard computer of the unit based on an operational sequence established from the manufacturer.

The refrigerant-ground heat exchanger has the particularity to have a diffusive and transient heat transfer from the outer boundary of the refrigerant flow. The actually available models in the literature mainly solve a convective heat transfer at the outer boundary of the refrigerant flow. The development of a dynamic numerical model integrating the governing continuity, momentum and energy equations for the refrigerant fluid flow with transient ground heat transfer is a scientific contribution of the actual work.

In order to obtain scientific experimental results from the system, a test rig has been build including a detailed instrumentation. Several experimental tests have been realized to obtain results for both the heating and cooling mode. Particular tests have also been conducted in order to obtain detailed results regarding the complex and dynamic operational characteristic of the ground loops in both heating and cooling mode.

Experimental comparison of the numerical simulation model has been realized with the obtained experimental results.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliogr. : f. [469]-473.
Mots-clés libres: Pompes géothermiques. Pompes géothermiques Modèles mathématiques. Pompes à chaleur. Échangeurs de chaleur. Réfrigération et appareils frigorifiques. Direct, Expansion, Expérimental, Modèle, Numérique, Réfrigérant-sol, Résultat, Validation, Système
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: 10 nov. 2011 16:47
Dernière modification: 15 févr. 2017 22:50
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/932

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